[分享]刚柔复合型桥面铺装在大跨径悬索桥中的应用

钢桥面铺装是大跨径桥梁建设的重点和难点，特别是大跨径悬索桥。泰州大桥是世界首座三塔两跨钢箱梁悬索桥，主桥全长2160m，交通量25000辆／d，货车比例20％左右。基于钢桥面铺装高温性能和变形性能综合平衡，大桥钢桥面铺装采用“3.5cm下层浇注＋2.5cm上层环氧”刚柔复合型铺装方案。大桥开展了浇注式沥青混合料、高性能热拌环氧沥青混合料设计及性能研究，以及防水黏结层性能研究。试验结果表明复合浇注式铺装具备优异高低温稳定性和疲劳性能。大桥通车运营6年，桥面铺装总体使用状况良好，仅出现微细裂缝和非荷载类微损伤，IRI均小于2m／km，车辙深度小于5mm，SDPCI达到90分以上，表明在大跨径悬索桥中采用刚柔复合型钢桥面铺装可行，为国内类似工程提供有益借鉴。

泰州大桥于2012年11月建成通车，为世界首座三塔两跨钢箱梁悬索桥，主桥全长2160ｍ，是江苏省“五纵九横五联”高速公路网重要组成部分。大跨径悬索桥是一种漂浮结构，其桥面受力特点对铺装提出了要求，尤其是在变形随从性方面。泰州地区，极端最高气温37.9℃，极端最低气温－11.6℃，年平均降水量1037.7ｍｍ，季节性气候明显，在夏季高温季节，铺装层最高温度达到70℃。加上国内普遍存在超载情况，大桥重载比例10％以上，在高温重载耦合作用下，对桥面铺装结构材料提出了巨大挑战。

目前国内外大跨径桥梁钢桥面铺装方案，主要有环氧类铺装（美国环氧，日本环氧与国产环氧等）、沥青类铺装（浇注式沥青混凝土，改性SMA等）、组合类（ERS）三大类，各类铺装方案有自身的优缺点，均有成功和失败的案例。

考虑大桥为大跨径悬索桥结构大变形特点和高温重载承载使用要求，进行了全寿命周期桥面铺装技术研究，通过大柔度道桥系结构力学行为分析，提出“下层浇注＋上层环氧”的刚柔相济型铺装方案，为国内首创，见图1。

浇注式沥青混凝土起源于德国，并在英国和日本连岛工程中得到了广泛应用。我国从20世纪90年代末开始对浇注式沥青混凝土铺装性能进行了研究和应用。因此在复合型钢桥面铺装材料研究中，结合国内外浇注式沥青混凝土研究和应用现状，提出满足大桥使用条件和要求的浇注式沥青混凝土性能指标，主要采用流动性和贯入度两项指标确定级配与沥青用量，然后采用车辙试验和弯曲试验进行验证。

为适应国内高温重载使用条件，与国外类似项目性能要求相比，大桥适度提高了车辙动稳定度指标值，以提高浇注式铺装高温稳定性，混合料技术指标要求见表1。

综合考虑结合料在变形能力和软化点之间平衡，采用硬质直馏沥青和湖沥青（TLA）按7∶3掺配所得混合沥青作为大桥浇注式沥青混合料的结合料。

大桥钢桥面铺装浇注式沥青混凝土级配设计见表2，级配曲线见图2。

采用4种不同沥青用量，分别测试浇注式沥青混合料流动性和贯入度，试验结果见图3，考虑提高混合料高温性能和可施工性，贯入度目标值尽可能靠近低值，沥青用量8.3％，对应的流动性值18s，在技术要求范围内。

（1）高温车辙试验。

采用车辙试验评价浇注式沥青混凝土高温性能。考虑我国车辙试验与日本车辙试验接地压强有区别，日本沥青混合料车辙试验接地压强0.63MPa，而国内接地压强0.707MPa。因此本研究对设计的浇注式沥青混凝土在最佳沥青用量8.3％条件下，在0.63MPa、0.707MPa两种接地压强条件下进行了试验，试验温度60℃，试验结果见表3。由试验结果可知，浇注式沥青混凝土高温性能符合技术要求。

浇注式沥青混合料是一种悬浮密实结构，主要依靠硬质沥青胶结料提高混合料高温性能。但沥青类材料是一种温度敏感性型材料，硬质沥青随温度升高表现出更多塑性性质，因此随温度升高势必对浇注式沥青混合料高温性能有影响。本研究对浇注式沥青混凝土进行40℃、50℃、60℃条件下车辙试验（轮胎接地压强0.63MPa），以评价浇注式沥青混合料对温度的敏感性，见图4。

从试验结果可以看出：

①温度对浇注式沥青混凝土高温性能影响很大，随着温度的升高，浇注式沥青混凝土高温性能迅速降低；

②当温度低于50℃时，浇注式沥青混凝土动稳定度大于1800次／mm，满足国内对普通沥青混凝土的高温性能要求。当温度达到60℃时，动稳定度降低较明显，但仍高于浇注式沥青混凝土技术指标要求。

（２）低温弯曲试验。

低温弯曲试验采用100mm×50mm×300mm大试件，试验温度－10℃，加载速率50mm／min，试验结果见表4，由表4可以看出浇注式沥青混合料低温性能符合技术要求。

大桥钢桥面铺装上层采用热拌环氧沥青混凝土，并以热拌环氧沥青为胶结料，由环氧树脂、固化剂和沥青混合而成。热拌环氧沥青混凝土拌和温度高，为170～180℃；施工时间在2h以内，施工便易性好；养护时间仅10d左右，相比美国环氧30d的养生时间，可以更快的开放交通。热拌环氧沥青混凝土技术指标见表5。

大桥钢桥面铺装热拌环氧沥青混凝土采用与美国环氧沥青混凝土类似的级配，最佳油石比7.0％。合成级配见表6，级配曲线见图5，混合料体积性能指标均满足设计要求，见表7。

大桥对热拌环氧沥青混合料性能进行试验研究，其性能与美国环氧沥青混合料接近，具有优良的水稳定性、高低温性能和疲劳性能，见表8。

（1）60℃马歇尔稳定度50KN左右。

（2）残留稳定度90％以上，冻融劈裂比90％以上。

（3）70℃动稳定度均达到63000次以上。

（4）低温极限应变略低于美国环氧沥青混合料，约为3600με。

（5）四点弯曲疲劳寿命均达到100万次以上，均达到技术指标要求。

刚柔复合型铺装下层浇注式与钢板及上层环氧沥青铺装层之间黏结性能对整个结构的稳定，特别是高温条件下稳定性起重要作用。大桥防水黏结层及层间均采用二次反应型黏结层材料，以提高界面黏结强度。

（１）二次反应型环氧黏结料自身具有较高强度和变性能力，其抗拉强度达到4.1MPa，断裂延伸率超过800％，见表9。

（２）组合件拉拔试验显示，常温与高温黏结强度分别为0.9MPa和0.22MPa；与钢板之间黏结强度达到6.49MPa，铺装层间及与钢板间均具有较高黏结性能，远高于传统沥青黏结层，见图6。

大桥2012年11月建成通车，运营6年，整体使用状况良好，未出现明显病害，仅出现了微裂缝、砸痕等微损伤。铺装各车道平整度（IRI）均在2m／Km以内，整体平整度状况良好；车辙深度（RD）在５mm以内，无车辙病害；各车道钢桥面铺装破损状况指数（SDPCI）评分均在90分以上，处于“优”级状态，桥面铺装整体状况较好，见图7。

泰州大桥钢桥面铺装设计综合考虑了铺装层高温性能和变形性能需求，参考国内外成功工程经验，采用了“下层3.5cm直馏硬质沥青浇注式沥青混凝土＋上层2.5cm热拌环氧沥青混凝土”刚柔复合型铺装方案。经6年运营，整体状况优良。大桥对刚柔复合型铺装结构与材料设计和性能研究，得出结论如下。

（1）浇注式沥青混凝土采用直馏硬质沥青与TLA复配作胶结料可行，能显著提高浇注式沥青混凝土抗车辙性能。

（2）浇注式沥青混凝土性能受温度和荷载影响大，其模量在低温高频条件下与环氧沥青混合料基本接近，当温度超过40℃，混合料模量开始迅速降低。

（3）热拌环氧沥青混凝土具有良好水稳定性、高低温性能和疲劳性能，与美国环氧相当，且相对美国环氧可显著缩短养生时间，仅需10ｄ左右。

（4）刚柔复合型铺装防水黏结层采用二次反应型环氧黏结料，有效提高铺装层间及与钢板间黏结性能，提高整个结构的稳定性。

大桥刚柔复合型钢桥面铺装的成功实施为国内类似钢桥面铺装工程提供了有益借鉴。