聚氨酯混合料在正交异性钢桥面铺装中的发展与应用.docx

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1、桥面铺装是将铺装层直接铺设在桥面板上，承受车辆的直接作用，分散车辆荷载，为车辆行 驶提供足够的摩擦力，并为桥面板起到保护作用的功能层。桥面铺装可以根据桥梁形式的 不同，分为钢结构桥梁桥面铺装和混凝土桥梁桥面铺装。其中混凝土结构桥梁刚度较大，铺 装层近似于铺设在刚性基础上，与普通道路铺装类似，目前已有充足的技术储备和完善的工 程应用0。而钢结构桥梁则由于桥面板刚度较小，且多采用正交异性钢桥面板，其结构支撑 复杂，在车辆作用、温度变化、风致振动、地震荷载等多因素作用下，桥面板的整体变形和 局部变形较大，对铺装层的受力影响巨大，与铺设在刚性基础上的铺装层差异巨大。从广东 省肇庆市四会县马房镇的北江大

2、桥开始，中国对钢桥面铺装的研究正式开始，但即使经过 数十年的发展研究，目前也尚未得到一个十分完善、可靠且经济效益优异的钢桥面铺装方 案和技术。而由于大跨径桥梁多为钢结构，且桥面铺装是桥梁建设的最重要组成部分之一, 因此，工程界普遍都认为，钢桥面铺装技术是大跨径桥梁建设的三大关键技术之一。1、钢桥面铺装的特点近些年，钢结构桥梁在我国的发展十分迅速，交通运输部在2016年发布了关于推进公路 钢结构桥梁的建设的指导意见，要求充分发挥钢桥性能优势，促进公路建设转型升级，推 动我国钢桥的建设?口发展。这也符合现阶段促进环保的基本要求。但对于钢结构桥梁不可或 缺的桥面铺装而言，却一直存在较大的问题。由于正

3、交异性钢桥面板具有良好的力学行为， 因此，目前绝大多数钢结构桥梁都采用了正交异性钢桥面板，钢桥面铺装大多数都是铺设在 正交异性钢桥面板上。而由于加劲肋、腹板、横隔板等结构的存在，使得正交异性钢桥面板 会在车辆荷载等多因素耦合作用下，产生较为明显的负弯矩区和应力集中，会对相应的铺装 层产生较为复杂的内力，极易导致铺装层产生开裂、脱层等病害。此外，钢材的导热系数较 大，钢结构桥梁对温度的敏感性较大。对于常见的钢箱梁等闭口型钢结构桥梁，在夏季，长 期高温日照的作用下，箱梁内空气对流困难,内部温度极高，可达60。（：70。（：，导致铺装 层尤其是粘结层处在长期高温和重载多重耦合作用的严峻工作环境中,对

4、铺装层的高温稳定 性和粘结层的耐久性均提出了严峻的考验；在冬季，铺装层的工作温度也会大大低于环境温 度，极易发生低温开裂等病害。因此，性能优异的钢桥铺装结构，既要有足够的材料强度、 抗变形能力，更要满足大温度区间下的工作稳定性和耐久性，即高温稳定性和低温抗裂性， 还要使铺装层和钢板之间的粘结层有足够的耐久性和粘结性,保持钢板和铺装层的协同工作。 可以发现，相对于道路铺装和混凝土桥梁铺装，钢桥面铺装具有以下特点:（1）大跨径 钢结构桥梁多建设在交通咽喉要道上，交通压力巨大，尤其是重载车辆对钢结构桥梁的作用 影响巨大。（2）铺装层多铺设在正交异性钢桥面板上，由于支撑结构复杂，桥面铺装层的 受力也极

5、其复杂多样。（3 ）此类桥梁多建设在跨江河、峡谷等地，风场、温度、湿度、日 照等气候条件均比普通沥青混凝土道路铺装更为严峻，对铺装层的力学性能要求也更高。因 此，对于正交异性钢桥面铺装，必须满足以下要求：（1）铺装层既要有足够的强度，又要 具有良好的变形能力，满足车辆反复作用的同时，也要具备随桥面板共同变形的能力。（2 ） 铺装材料既要有足够的高温稳定性，还应具备良好的低温抗裂性，满足大温差作用下依旧能 正常工作的要求。（3）铺装层与钢桥面板之间应具有良好的粘结能力，防止在运营阶段出 现脱层等病害。2、钢桥面铺装的现状国外对于钢桥面铺装的研究起步较早，发展并推广了一系列适用于本国的桥面铺装技术

6、。如 以英国和德国为代表的浇筑式沥青混凝土 （GA）铺装结构，以美国为代表的环氧沥青混凝土 （EA）结构和以德国为代表的改性沥青玛蹄脂碎石（SMA）结构。相关的桥面铺装体系在西 方国家应用效果较好，但直接引入国内后，使用和运营效果却差强人意。这主要是由于中国 气候环境差异巨大，交通环境严峻，尤其是超载过载车辆众多，对正交异性钢桥面板的疲劳 和桥面铺装都会造成巨大的不良影响。例如江阴长江公路大桥是直接引进并采用了英国的浇 筑式沥青全套技术，但通车不久后就出现了严重的病害。此外，早期国内的施工技术水平 也与西方有较大的差距，铺装层的施工质量参差不齐，也直接影响了相关铺装体系在国内的 发展的和应用。

7、例如，在1997年中国首次引进了美国的环氧沥青混凝土钢桥面铺装技术， 随后用于南京长江二桥、润扬大桥、南京长江三桥等大跨径钢结构桥梁中。虽然相比于其他钢桥面铺装体系，环氧沥青铺装的使用状况要更好一些，但环氧沥青混凝土对施工技术的要 求极高，在中国现有的施工条件下，难以保证铺装结构不产生缺陷，因此，几座典型的采用 环氧沥青混凝土铺装的桥梁在运营几年后，依旧出现了脱层、裂缝、推移、坑槽等病害。此 外，环氧沥青混凝土的维修养护成本较大，使用成本较高，虽然近些年陆续开发出了一些国 产的环氧沥青铺装材料，并应用于武汉天兴洲大桥等桥梁，但与欧美等发达国家相比，仍存 在一定差距。为了更好地说明不同钢桥面铺装

8、体系的应用及病害情况，笔者汇总了部分典型 的国内外桥梁的铺装结构和使用状况，见表1。大1网内外典型钢桥桥向铺袋房结构组合和使用情况桥梁名称铺装结构组合使用情况Lion Gate （加拿大）35mm单层EA脱层West Gate （澳大利亚）50mm双层EA脱层,铺装下层破坏，开裂Auckland Harbor （新西兰）32mm橡胶改性沥青脱层，纵向开裂Poplar Street （美国）64mm橡胶改性沥青纵向开裂Firth of Forth （英国）38mm单层MA纵向开裂Wye （英国）3mm橡胶沥青+35mmMA纵向开裂Samateo-Hayward （美国）50mmEA粘结层脱落宜昌

9、西陵大桥65mm改性密级配沥青开裂，车辙，推挤江阴长江大桥50mm单层MA横、纵向开裂，车辙，块裂25mmGA+25mmEA总体使用良好虎门大桥65mmSMA13横、纵向开裂，车辙，推挤，波浪等33mmSMA10+33mmSMA10细小裂缝，轻度车辙40mmEA+30mmEA香港育马大桥38mmMA+1020预拌碎石鼓包，修复后使用良好重庆鹅公岩大桥30mmSMA10+35mmSMA13油班,光面的轮迹带35mm双层GA纵向裂缝,网裂武汉白沙洲大桥35mmSMA13+35mmSMA10泛油,松散,整体滑移等厦门海沧大桥75mm 双层 SMA局部车辙、纵向裂缝南京长江二桥52mmEA疲劳裂缝杭州

10、湾跨海大桥40mmSMA13+60mmSMA16开裂，脱层润扬长江大桥25mmGA10+35mmEA10纵向裂缝.网裂沉陷虽然目前国内难以找出一种能适用全国，且运营效果优异的钢桥面铺装结构和技术，但是多 年的技术研究和发展，也使得我国钢桥面铺装技术取得了明显的进步0遵循“新材料”“新 结构”的方针原则，相关科研技术人员开发出了一系列有针对性的钢桥面铺装体系。铺装材 料上,除了传统的浇筑式沥青、环氧沥青和沥青玛蹄脂碎石外,还推出了高模量沥青混凝土、 聚合物改性沥青混合料、聚合物混合料等性能优异的材料”。在铺装结构上，也不仅仅局 限于单层和双层铺装，开发出了树脂混凝土+沥青混凝土(ERS)体系，剪

11、力钉+钢筋网 +UHPC+SMA体系等组合铺装技术”叫且都在一定范围内取得了不错的应用成果。3、聚氨酯混合料的特点聚氨酯树脂，全称聚氨基甲酸酯，是指在大分子主链中含有氨基甲酸酯的聚合物，简称PU, 是一种工业中十分常见的高分子化合物，最早出现于20世纪30年代。根据聚合物类型的不 同，聚氨酯树脂主要可以分为软质聚氨酯、硬质聚氨酯塑料和聚氨酯弹性体，其材料性能多 样，适用范围广泛，数十年来，被广泛地应用在家居家电、建筑材料、日用品、交通车辆等 领域。由于聚氨酯弹性体中含有强极性基团，其大分子中还含有聚酸或聚酯柔性链段，使得 聚氨酯材料具有较高的机械强度和抗氧化性能,还兼具了很好的低温柔曲性，良好

12、的耐磨耗、 耐油性、耐化学腐蚀、耐光照，软硬度可按需定制等优异性能，所以可以将其认为是一种介 于塑料和橡胶之间的高分子弹性体材料。此外，水性聚氨酯还具有很好的防水性能，并且对 砂石、金属、混凝土等材料都具有很强的黏附能力，完全可以满足粘结层的功能。基于以上 种种优异性能和材料特点，将其扩展应用到桥面铺装领域，配置出材料性能合适、使用性能 稳定可靠的聚氨酯树脂，并与一定级配的矿料在常温下搅拌均匀，可得到适用于正交异性钢 桥面板铺装的聚氨酯混合料4、聚氨酯混合料的性能4.1聚氨酯混合料的材料性能4.1.1抗压强度聚氨酯混合料的抗压强度可作为配合比设计 的依据之一。与普通沥青混凝土的抗压强度测试一样

13、,将聚氨酯混合料制作成直径(IOO2) mm,高(1002) mm的圆柱体试件，再在万能材料试验机上，依据JTG E20-2011公路工 程沥青及沥青混合料试验规程中的T 0713-2000的方法,进行抗压强度试验。通过Jiang 等的研究可以发现聚氨酯混合料的抗压强度要远高于SMA(IOMPa),并且根据配合比的 不同，抗压强度可以在2973MPa进行调节，与环氧改性沥青混凝土的相当(56. 6MPa) 1,41, 完全可以满足桥面铺装工程的需求。此外，在抗压试验中还发现，由于聚氨酯树脂具有韧性 大，表现出“强而韧”的特点，使得聚氨酯混合料具备了如橡胶沥青混凝土一样保持结构整 体性和抵抗开裂

14、后产生剥离的能力。4.1.2抗弯拉强度正交异性钢桥面板的铺装层在车辆荷载、风荷载等外界因素的作用下，会 随钢桥面板产生协同变形，尤其是在重载车辆作用下，肋板处的铺装层极易产生较大的局部 拉应力，一旦超过了铺装层的抗弯拉强度，就会导致开裂，进而产生很多次生病害。因此， 良好的铺装结构不仅需要较高抗拉强度，也应该具有良好的协同变形能力。聚氨酯混合料的 抗弯拉强度测试，一般采用三点弯曲试验，满足相关的试验规程即可。同样参考Jiang等的 研究可以发现,在15和I(TC下，聚氨酯混合料的抗弯强度分别达到了 23. 2MPa和24. 3MPa, 要远高于SBS改性沥青的6. 39MPa和国产环氧沥青的1

15、5. 32MPat,破坏时的应 变也分别达到 了 7140和7020个微应变，试验结果表明，聚氨酯混合料具有较高的抗弯强度和延性，相比 于其他铺装材料，更能满足正交异性钢桥面板对于铺装材料的抗弯拉性能要求。4.2聚氨酯混合料的路用性能4. 2.1马歇尔稳定度聚氨酯混合料的马歇尔稳定度和抗压强 度类似，都是反映聚氨酯树脂和石料之间粘结强度的指标之一，通过稳定度和流值这两个参 数来进行定量表示。马歇尔稳定度越高，表明混合料的质量黏度越高。聚氨酯混合料的马歇 尔稳定度与胶石比直接相关,一般而言，聚氨酯树脂的含量越高,聚氨酯混合料稳定度越高，但通过提高胶石比来提高混合料的马歇尔稳定度是有限的。因此，马

16、歇尔稳定度也被广泛地 用于最佳胶石比的选取和验证。通过何建彬的试验研究可得到，当胶石比从6. 0%上升至7. 5% 时，聚氨酯混合料的马歇尔稳定度从47. 5kN上升至58. 6kN,流值则从2. 2mm上升至3. 2mm, 远高于密级配沥青混合料的标准（8kN）,反映出聚氨酯混合料优异强度的力学特性；当胶 石比继续增大至8.0%时，稳定度和流值均表现出轻微的下降，分别为58. 3kN和3. Imnu说 明对于聚氨酯混合料而言，聚氨酯树脂的含量不能一直增加，存在一个较为合理的区间，并 通过其他性能试验，来综合选取合适的胶石比。SMA GA EA ERS聚氨酯混合料4. 2. 2高温稳定性高温稳定性是铺装材料最重要的路用性能指标之一,采用动稳定度来