一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法

摘要

本发明公开了一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法，该铺装方法包括如下步骤：通过摊铺车出料摊铺所述环氧沥青混凝土层于所述钢桥面上，所述环氧沥青混凝土层的出料摊铺温度为115～120℃之间，之后对所述环氧沥青混凝土层进行碾压，碾压温度为70～80℃之间；通过摊铺车出料摊铺所述SMA沥青混凝土层于所述环氧沥青混凝土层上，所述SMA沥青混凝土层的出料摊铺温度为170～180℃之间，之后对所述SMA沥青混凝土层进行碾压，碾压温度为120～130℃之间。本发明的优点是，铺装方法简便快速，所铺装的钢桥面结构具有优异的低温抗开裂及高温抗车辙等使用性能，可适应高寒高纬度地区气温低等恶劣气候环境。

说明书

技术领域

本发明属于桥面铺装技术领域，具体涉及一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法。

背景技术

21世纪以来，许多钢桥桥梁建设项目逐步深入到高寒高纬度地区，而钢桥面铺装作为大跨径钢桥建设中的关键技术之一，受到国内外学术界与工程界的高度重视与关注。高寒高纬度地区具有气温低、温差大、低温持续时间长等恶劣的气候环境，尤其是低温冻害经常发生，必须对钢桥面的铺装结构的低温抗裂性能提出较高的要求，同时这些钢桥作为交通枢纽，承受着较大的交通压力，这就要求钢桥面的铺装结构具有良好的抗车辙性能及抗疲劳性能。而且在高寒高纬度地区施工，空气温度较低，风速较大，导致铺装材料的温度下降很快，不利于铺装材料的摊铺与碾压，对钢桥面铺装结构的施工带来了巨大的挑战，尤其是在地形起伏较大，交通复杂的地区，这些地区设计出的路线往往具有较多的弯斜坡，更是加大了钢桥面铺装结构的施工难度。

根据钢桥面铺装结构的基本特点和功能要求，结合高寒高纬度地区的交通环境与气候条件特点，高寒高纬度地区钢桥面的铺装结构应满足以下性能要求：铺装层与钢桥面板具有良好的变形追从性，铺装结构具有完善的防水防腐蚀结构体系，良好的低温抗开裂、抗车辙、抗疲劳及抗剪性能，铺装结构表面具有良好的平整性、粗糙性及抗滑性能。其中，低温抗开裂性能在高寒高纬度地区尤为重要。

国外对钢桥面铺装结构的研究有近60年的历史，积累了丰富的经验与成果。美国以双层环氧沥青混合料铺装为主，英国采用掺天然湖沥青改性的沥青玛蹄脂铺装，北欧国家如瑞典等则采用了“浇注式沥青混合料+聚合物改性沥青SMA”的结构，以德国为代表的西欧国家选择了以聚合物改性沥青为结合料的浇注式沥青混合料为主的单层或多层铺装结构体系，日本则发展了“浇注式沥青混合料+改性沥青密级配混凝土”的铺装结构。对于防水粘结层一般与铺装层相匹配，具体体系则包括热固性环氧树脂、改性防水粘结卷材、热熔的PmB+沥青玛蹄脂、溶剂型粘结剂+沥青玛蹄脂、沥青玛蹄脂、热熔的PmB等多种。

国内钢桥面铺装结构一般由防腐层、防水粘结层及沥青混凝土铺装层构成，铺装方案主要有两种类型，分为双层同质铺装体系与双层异质铺装体系，常用的铺装材料主要有三类，分为环氧沥青混凝土、SMA沥青混凝土及浇筑式沥青混凝土，总体使用情况良好，但也会出现低温开裂、高温车辙等病害，严重影响路面行车的安全及铺装结构的使用寿命。

高寒高纬度地区气温低，桥面铺装结构更容易发生低温开裂破坏，同时钢桥作为交通枢纽，交通量大，桥面铺装结构更容易发生车辙破坏，而铺装结构的低温抗开裂性能与高温抗车辙性能往往难以取得平衡，同时恶劣的气候环境以及较多的弯斜坡也是钢桥面铺装施工质量的重要的影响因素。发明人收集整理了大量钢桥面铺装结构及高寒高纬度地区施工资料，并对钢桥面病害进行研究，分析认为高寒高纬度地区钢桥面出现病害的主要原因是以下几点：铺装材料选择不当，铺装结构设计不合理，铺装方法存在缺陷，铺装材料、铺装结构、铺装环境与铺装方法缺乏系统整体的研究。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法，该铺装方法通过控制环氧沥青混凝土层和SMA沥青混凝土层的摊铺温度和碾压温度以提高钢桥面铺装结构的抗开裂性能及抗车辙性能。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法，其特征在于所述铺装结构至少包括环氧沥青混凝土层和SMA沥青混凝土层，所述铺装结构的铺装方法包括如下步骤：通过摊铺车出料摊铺所述环氧沥青混凝土层于所述钢桥面上，所述环氧沥青混凝土层的出料摊铺温度为115～120℃之间，之后对所述环氧沥青混凝土层进行碾压，碾压温度为70～80℃之间；通过摊铺车出料摊铺所述SMA沥青混凝土层于所述环氧沥青混凝土层上，所述SMA沥青混凝土层的出料摊铺温度为170～180℃之间，之后对所述SMA沥青混凝土层进行碾压，碾压温度为120～130℃之间。

所述铺装结构自下而上依次由防锈层、下粘结层、环氧沥青混凝土层、上粘结层以及SMA沥青混凝土层构成。

所述环氧沥青混凝土层由环氧沥青结合料和集料按质量比62:1000～68:1000混合而成，所述环氧沥青混凝土层的厚度为25～30mm。

所述SMA沥青混凝土层由SMA沥青结合料和集料按质量比58:1000～62:1000混合而成，所述SMA沥青混凝土层的厚度为35～40mm。

所述环氧沥青混凝土层和所述SMA沥青混凝土层是从所述钢桥面坡底向坡顶进行的上坡摊铺，在摊铺过程中，连续从所述摊铺车中将所述SMA沥青混凝土层或所述SMA沥青混凝土层的物料洒到所述摊铺车履带的行驶路径的前方。

所述环氧沥青混凝土层的碾压是通过使用轮胎式压路机和双钢轮振荡式压路机进行的；所述SMA沥青混凝土层的碾压是通过使用双钢轮振荡式压路机进行的。

开始铺装前，确定所述钢桥面铺装过程中的施工控制因素，包括所述环氧沥青混凝土层的出料温度、碾压温度以及所述SMA沥青混凝土层的出料温度、摊铺时间、碾压方式、碾压温度、碾压遍数；确定表征所述铺装结构抗开裂性能及抗车辙性能的指标，包括-15℃弯曲强度、-15℃极限应变及60℃动稳定度；根据所述施工控制因素和所述抗开裂性能及抗车辙性能的指标制作多指标混合水平正交表，根据所述正交表中的方案模拟在高寒高纬度地区的气候环境中进行所述环氧沥青混凝土层与所述SMA沥青混凝土层的施工试验，从所述施工试验结束后的试验段中按所述环氧沥青混凝土层与所述SMA沥青混凝土层的厚度之比切割小梁试件，通过小梁弯曲试验测得所述小梁试件的-15℃弯曲强度及-15℃极限应变；从所述施工试验结束后的试验段中按所述环氧沥青混凝土层与所述SMA沥青混凝土层的厚度之比切割车辙板试件，通过车辙试验测得所述车辙板的60℃动稳定度；利用测得的所述抗开裂性能及抗车辙性能的指标，进行正交试验的极差分析，并采用综合评分法，即赋予所述抗开裂性能与抗车辙性能不同的权重，通过计算确定所述施工控制因素的值。

本发明的优点是，铺装方法简便快速，所铺装的钢桥面结构具有优异的低温抗开裂及高温抗车辙等使用性能，可适应高寒高纬度地区气温低等恶劣气候环境以及较大的交通压力，同时，该铺装方法可以保证铺装结构表面具有良好的平整性、粗糙性及抗滑性能，能够保证弯斜坡路段的行车的安全性及舒适性，该结构在综合性能最好的基础上具有最高的性价比；另外，本铺装方法在技术上也是可行的，可以在高寒高纬度地区气温低及风速大等恶劣的气候环境与弯斜坡路段等不利的桥面构造条件下，高效率地完成施工，而且在对钢桥整体机构伤害为零的基础上保证铺装材料使用性能的最大化。

附图说明

图1为本发明中钢桥面上铺装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1，图中标记1-6分别为：钢桥面板1、防锈层2、下粘结层3、环氧沥青混凝土层4、上粘结层5、SMA沥青混凝土层6。

实施例：本实施例具体涉及一种高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES的铺装方法，在高寒高纬度地区，具有气温低、温差大、低温持续时间长等恶劣的气候环境，尤其是低温冻害经常发生，必须对钢桥面板上的铺装结构的低温抗裂性能提出较高的要求，同时这些钢桥作为交通枢纽，承受着较大的交通压力，这就要求钢桥面的铺装结构具有良好的抗车辙性能及抗疲劳性能。

如图1所示，本实施例中所涉及的钢桥面板1上的铺装结构自下而上依次包括防锈层2、下粘结层3、环氧沥青混凝土层4、上粘结层5以及SMA沥青混凝土层6，该铺装结构的铺装方法具体包括如下步骤：

（1）确定高寒高纬度地区特殊的施工关键控制因素的最优值；

（2）清洁处理钢桥面板1；

（3）在钢桥面板1上涂抹防锈层2；

（4）洒布下粘结层3：

在防锈层2至少干燥24小时后，用非离子型生物可降解清洁剂，将待铺装区域清洗干净，然后用扫街用的或手持的硬毛扫帚或机械式扫地机彻底扫刷表面；然后，采用专用洒布机进行下粘结层3的洒布，在洒布机喷洒不到的地方采用手工涂刷，注意粘结层材料的流动性及桥面的坡度，合理设定不同的区域的单位面积的洒布量，尽量保证桥面洒布厚度的一致性；

（5）摊铺及碾压低温用环氧沥青混凝土层4：

首先，用矿粉在需要摊铺的区域的边缘画线；然后，设置摊铺方向，保证每次摊铺都是从坡底向坡顶进行的上坡摊铺；其次，在摊铺车进行摊铺时，不停地从摊铺车里把少量料子铲出来，洒到摊铺车履带的行驶路径的前方；最后，碾压时使用轮胎式压路机与双钢轮振荡式压路机；其中摊铺出料时的温度应控制在115～125℃之间，碾压时的最低温度为70℃；

该摊铺过程能够保证钢桥面幅与幅之间的纵向接缝的规则化，即接缝曲线的弯曲度与整个钢桥面中线的弯曲度相一致，降低了后续低温碾压的不利因素；同时，该摊铺过程能够避免摊铺机摊铺过程中的打滑等现象，提高了具有弯斜坡的钢桥面摊铺的质量与效率，从而能够保证在铺装材料温度下降到允许最低温度之前完成摊铺，适应了高寒高纬度地区温度低及风速大的不利环境；

（6）洒布上粘结层5：

上粘结层5的洒布方法除洒布厚度不同之外，其余均同步骤（4）中的方法相同；

（7）摊铺及碾压低温用SMA沥青混凝土层6：

首先，用矿粉在需要摊铺的区域的边缘画线；然后，设置摊铺方向，保证每次摊铺都是从坡底向坡顶进行的上坡摊铺；其次，在摊铺车进行摊铺时，不停地从摊铺车里把少量料子铲出来，洒到摊铺车履带的行驶路径的前方；最后，碾压时使用双钢轮振荡式压路机，碾压遍数为6遍；其中摊铺出料温度控制在170～180℃之间，碾压时的最低温度为120℃；

使用双钢轮振荡式压路机既能保证良好的压实效果，又能避免沥青混凝土的胶浆上浮等现象，更重要的是它不需要振动碾压，对钢桥整体结构的伤害几乎为零，尤其是具有弯斜坡的钢桥面，而且它效率高，能够适应高寒高纬度地区铺装材料温度下降较快的不利条件；

（8）自然养护及开放交通：

自然养护及开放交通中的自然养护时间在20天左右，具体根据室内马歇尔稳定度试验测得的环氧沥青混凝土稳定度而定。

为了验证上述铺装方法所形成的铺装结构性能，对其进行性能测试，并同采用普通铺装方法所形成的铺装结构性能进行对比，如下表①所示，可以发现本实施例中铺装结构的各项技术指标均超过了技术要求，具有良好的低温抗开裂性能、抗车辙性能、抗疲劳性能、抗剪性能，变形追从性、防水防腐蚀性能；

而普通铺装结构的部分技术指标并未超过技术要求，此处所指的普通铺装结构是指在铺装时的摊铺温度和碾压温度为常规选择且不同于本实施例中所选择的摊铺温度和碾压温度。

表① 高寒高纬度地区钢桥面铺装结构EES测试结果

如图1所示，本实施例中铺装而成的铺装结构上层采用低温用SMA沥青混凝土，下层采用低温用环氧沥青混凝土，粘结层采用低温用环氧沥青粘结料，即在钢桥面板1的上方依次设置防锈层2、下粘结层3、环氧沥青混凝土层4、上粘结层5及SMA沥青混凝土层6。该铺装结构属于双层异质结构，能够利用上层低温用SMA沥青混凝土的高温摊铺促进下层低温用环氧沥青混凝土的充分固化，以克服气温低对低温用环氧沥青混凝土固化的影响，提高结构的低温抗开裂性能，再利用低温用环氧沥青混凝土的高强度及高刚度弥补低温用SMA沥青混凝土抗车辙性能等方面的不足，从而充分发挥低温用SMA沥青混凝土与低温用环氧沥青混凝土各自的性能优势，而弥补各自的缺陷。

其中：

防锈层2采用环氧富锌漆，其厚度为60～80μm，该环氧富锌漆由环氧树脂为基料配以锌粉、助剂、聚胺而成；

下粘结层3和上粘结层5均采用低温用环氧沥青粘结料，其厚度分别为0.68L/m²、0.45L/m²，该低温用环氧沥青粘结料由环氧树脂与环氧沥青粘结料用沥青按质量比100:245～100:300混合而成，环氧沥青粘结料用沥青是一种由石油沥青、环氧树脂固化剂及纤维组成的耐低温匀质合成物，该低温用环氧沥青粘结料的抗拉强度及断裂延伸率等性能优于现有的粘结材料，能够适应高寒高纬度地区恶劣的气候环境及较大的交通压力；

环氧沥青混凝土层4中低温用环氧沥青混凝土是由低温用环氧沥青结合料与集料按质量比62:1000～68:1000混合而成，其厚度为25mm，低温用环氧沥青结合料由环氧树脂与环氧沥青结合料用沥青按质量比100:240～100:300混合而成，环氧沥青结合料用沥青是一种由石油沥青、环氧树脂固化剂及纤维组成的耐低温匀质合成物，集料采用精加工的玄武岩石料与石灰石矿粉，精加工的玄武岩石料为坚硬致密、耐磨、颗粒形状较好，并于沥青有较好的粘结性能的硬质石料，其公称最大粒径为9.5mm，该低温用环氧沥青混凝土同时具有优良的低温抗开裂性能及高温抗车辙性能，能够适应高寒高纬度地区气温低、温差大、低温持续时间长等恶劣的气候环境，而且具有良好的变形追从性、抗剪、抗疲劳、防水防腐蚀等性能，优于现有的沥青混凝土材料；

SMA沥青混凝土层6中低温用SMA沥青混凝土是由低温用SMA沥青结合料与集料按质量比58:1000～62:1000混合而成，其厚度为35～40mm，其中集料采用精加工的玄武岩石料与石灰石矿粉，精加工的玄武岩石料为坚硬致密、耐磨、颗粒形状较好，并于沥青有较好的粘结性能的硬质石料，其公称最大粒径为9.5mm，用2%集料质量的水泥代替2%集料质量的矿粉，木质纤维掺量为沥青混凝土质量的3‰，该低温用SAM沥青混凝土不仅具有优良的低温抗开裂性能，而且能够保证铺装结构ESS的表面具有良好的平整性、粗糙性及抗滑性能，从而保证弯斜坡路段的行车的安全性及舒适性。

需要说明的是，步骤（1）中所述的确定高寒高纬度地区特殊的施工关键控制因素的最优值的具体过程如下：首先，确定高寒高纬度地区钢桥面铺装过程中影响铺装结构EES抗开裂及抗车辙性能的关键施工控制因素：低温用环氧沥青混凝土的出料温度(A)、碾压温度(B)与低温用SMA沥青混凝土摊铺时间(C)、碾压方式(D)、碾压温度(E)、碾压遍数(F)，以及各自的水平，并制作影响因素水平表，如表②所示，其中，碾压温度是指终压结束之后的混凝土的最低温度，低温用SMA沥青混凝土摊铺时间是指低温用SMA沥青混凝土开始摊铺距离低温用环氧沥青混凝土终压结束的时间，再确定表征铺装结构EES抗开裂及抗车辙性能的关键指标：-15℃弯曲强度、-15℃极限应变及60℃动稳定度；

表② 影响因素水平表

然后，根据影响因素水平表制作多指标混合水平正交表L₁₈(2×3⁷)，如表③所示，根据正交表中的方案在模拟高寒高纬度地区的气候环境中进行低温用环氧沥青混凝土层4与低温用SMA沥青混凝土层6的施工试验，从施工试验结束后的试验段中按低温用环氧沥青混凝土层4与低温用SMA沥青混凝土层6的厚度之比切割小梁试件，通过小梁弯曲试验测得试件的-15℃弯曲强度及-15℃极限应变；从施工试验结束后的试验段中按低温用环氧沥青混凝土层4与低温用SMA沥青混凝土层6的厚度之比切割车辙板试件，通过车辙试验测得60℃动稳定度；

表③ 多指标混合水平正交表

最后，利用测得的数据进行正交试验的极差分析，并采用综合评分法，即赋予抗开裂性能与抗车辙性能不同的权重，具体视施工地区性能要求而定，通过计算确定多个关键控制因素对三个指标的综合影响的大小顺序以及每个关键控制因素的最优值。

采用本实施例中的铺装方法进行新疆乌鲁木齐西外环钢桥面的铺装，铺装结果证明该铺装方法具有以下几点优势：

1、由于高寒高纬度地区气温低和风速大，以及大量弯斜坡路段，导致铺装材料温度下降较快，并且摊铺机经常出现打滑等现象，现有的摊铺方法往往不能适应，而使用本实施例中的铺装方法后，在乌鲁木齐西外环钢桥面整个铺装过程中，一次故障没有发生，而且摊铺速度较快，质量较好；

2、由于高寒高纬度地区气温低和风速大，铺装材料摊铺到桥面后温度下降较快，现有的压实方式不能够在铺装层温度下降到最低允许温度之前完成压实，而且由于大量弯斜坡的存在，压路机不能灵活地转弯及对桥面边缘的碾压，更是降低了碾压的速度，而使用本实施例中的铺装方法后，碾压速度得到了保证，而且不需要振动碾压，对钢桥整体结构的伤害为零，最终的碾压效果也是非常好，铺装层表面具有良好的平整性、粗糙性及抗滑性能，尤其是纵向接缝处，几乎没有接缝痕迹。

3、该铺装方法能够与铺装材料的性能及铺装环境相结合，克服了现有的铺装方式与铺装材料性能及铺装方法相脱离的弊端，考虑到高寒高纬度地区的严寒，我们针对性地研制并采用低温用环氧沥青混凝土，但低温用环氧沥青混凝土的使用性能需要在一定温度的条件下，进行一段时间的固化才能达到最好，而高寒高纬度地区的严寒不利于其固化，因此，我们上层采用低温用SMA沥青混凝土层，利用其摊铺时的高温促进下层低温用环氧沥青混凝土的固化，而且，铺装中的关键施工控制因素的最优值是通过低温抗开裂性能与高温抗车辙性能综合判断得出，在该铺装方法下的铺装结构能够充分发挥低温用SMA沥青混凝土与低温用环氧沥青混凝土各自的性能优势，并提高了铺装结构的整体性能；乌鲁木齐西外环钢桥面铺装后的复合结构的性能测试结果正好证明了这点。