浅谈钢桥面铺装
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作者: 李向阳 张珣
摘要：分析了钢桥面板铺装方案技术原理，这里将从ERS和环氧沥青两种钢桥面铺装的技术原理、施工条件、材料价格等方面对考察结果作简要总结。
关键词：钢桥；沥青铺装；环氧沥青混凝土；树脂沥青组合体系
1. 概述
桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形及环境因素的作用,其变形和应力特征与主梁及桥面板结构形式密切相关。近10年来，我国加快了大跨径钢桥的建设步伐，黄河上建造的大跨径桥梁越来越多，这些桥梁几乎都采用正交异性钢桥面板和沥青铺装体系作为桥面系。但是，很多正交异性钢桥面板上的沥青铺装层在通车运行一到两年后，出现横向或纵向裂缝。到目前为止，我国正交异性钢桥面铺装设计与施工还未完全取得成功，仍是大跨径钢桥亟待解决的关键技术之一。
2. 钢桥面铺装方案技术原理
钢桥面铺装一直是桥梁工程中的一项技术难题，与混凝土桥面铺装相比，其难点正是因为钢桥面板存在对铺装材料不利的恶劣环境造成钢桥面铺装的易损性。
1) 钢桥面板与铺装界面处较为光滑，普通铺装材料无法满足铺装界面的抗滑移要求；
2) 钢板容易产生锈蚀，对铺装材料的防水性能提出极为苛刻的要求；
3) 钢桥在使用过程中，桥面板的应力状态较为复杂，钢桥面板一般较薄，同时钢与普通铺装材料的温度膨胀系数存在一定差异，导致钢桥面铺装界面处会产生比混凝土桥面更大的材料应变；
4) 钢结构由于较强的导热性，在与铺装界面处，在使用情况下容易出现极高温或极低温情况，尤其是钢箱梁结构，其夏季温度可高达70度以上，对铺装材料的破坏严重。
因此钢桥面铺装一方面要解决铺装材料的防水问题，另一方面要处理在钢板界面处高应变，高温及光滑表面情况下，铺装材料的界面稳定问题。围绕上述核心问题的处理，产生了环氧沥青混凝土和ERS这两种不同理念的钢桥面铺装技术。
(1) 环氧沥青混凝土钢桥面铺装
环氧沥青混凝土是一种匀质铺装体系，即整个铺装结构是由一种材料组成，这种铺装体系认为传统用于混凝土桥面的铺装材料不适用于钢桥面，因而寻求一种完全替代的铺装材料，这种材料就是环氧沥青混凝土。环氧沥青混凝土以其优异的材料性能，完全满足了钢桥面板对铺装材料性能的所有要求，即与钢板具有良好的粘结性，温度适应性以及和钢板变形的追随性。环氧铺装体系源于美国，实际施工时将环氧混凝土分为两层施工，第一层20mm，第二层25mm，总厚度为55mm。钢板表面要求进行防腐涂装，钢板与第一层沥青混凝土之间刷涂沥青粘结层，第一、二层沥青混凝土之间刷涂沥青结合层。
图1 双层环氧沥青混凝土实景照片
(2) 树脂沥青组合体系(ERS)钢桥面铺装
树脂沥青组合体系（ERS）采用一种完全不同于环氧沥青混凝土体系的理念，ERS认为钢桥面铺装的核心问题是钢板与铺装材料界面的处理，它首先把钢板表面“改造”成类似混凝土桥面的界面，“改造”成功后，传统改性沥青混凝土（SMA）仍可适用于钢桥面铺装。ERS一种非匀质铺装材料铺装体系。
ERS改造钢板的过程分为两步，第一步在钢板表面涂刷EBCL材料，并在上面撒布碎石，利用EBCL与钢板的强粘结性能，将碎石粘附在钢板表面，形成一个极为粗糙且牢固的表面，提高了整个钢桥面铺装界面的抗剪强度，同时也达到了防水防腐的目的；第二步在EBCL层上铺设20mm厚的树脂沥青（RA05），树脂沥青具有较高的弹性模量，能适应较大的材料应变，从而起到将钢板刚度进行过渡的作用，同时树脂沥青具有较好的高温适应性和耐疲劳性能，RA05层与EBCL层共同将钢板改造成类似混凝土桥面的铺装材料工作界面。RA05施工完成后，就可以按照传统混凝土桥面的做法采用普通铺装材料，即首先施工一层防水层，之后上层采用改性沥青混凝土SMA。SMA分两层施工，总厚度为40~50mm，即ERS总铺装厚度通常为60~70mm。为提高SMA层的抗滑移能力，可在RA05层上先撒布一层碎石，并碾压嵌入RA05层。
图2 树脂沥青组合体系（ERS）铺装方案
与环氧沥青混凝土体系不同，ERS铺装体系是一项完全中国自主知识产权钢桥面铺装技术。
3. 钢桥面铺装方案施工特点
不同钢桥面铺装体系具有迥异的施工要求和特点，这种施工特点主要与其所采用的铺装材料息息相关。因此要了解不同钢桥面铺装方案的施工特点，就必须了解其所采用的材料的特点。
(1) 环氧沥青混凝土方案
环氧沥青混凝土从原材料加工成混合料，到最终形成铺装层，需经历一个化学反应过程。这个过程中，首先要把环氧沥青混合料加热至120℃左右，然后在混合料趁热处于流动未硬化状态，具备摊铺条件前，将铺装材料碾压成形。通常要求初压终了温度≥82℃；终压终了温度≥65℃。沥青混合料拌合时温度过高和过低都是不允许的，过高则沥青化学反应时间越短，过低则由于温度损耗造成施工时间减少，可以说沥青混凝土出料的温度已经决定了其可施工的时间，理想的出料温度是112℃~118℃，可保证其作业时间在50~90分钟左右。沥青混凝土铺设完毕后，还需继续自然养生30~40天，期间禁止一切车辆通行，使其最终完成化学反应过程。环氧沥青混凝土摊铺过程中一旦有水或气泡进入，则会在环氧铺装层中出现空洞鼓包，成为后期环氧沥青质量缺陷的根源，因此施工过程要严格控制人员以及施工车辆的产生水和粉尘对铺装的污染。
通过前面对环氧沥青混凝土材料的分析，就容易理解环氧沥青混凝土施工的主要特点：
1) 环氧沥青混凝土是热拌施工，混合料拌合时需严格控制出料温度，因此对设备的要求较高，需要专门的拌合站设备，专用的进口摊铺车辆；
2) 环氧沥青混凝土从出料、运输到摊铺全过程要求控制温度损失，因此对环境的温度、风速有着苛刻的要求，通常要求环境温度不低于20℃（冬季禁止施工），风速不大情况下施工，同时在运输环节要求将时间控制在最低限度；
3) 由于要求摊铺碾压时间控制在最短，同时对新铺路面不得有任何触碰污染，因此环氧沥青混凝土施工时通常根据摊铺机的宽度，一次摊铺宽度为4~5m。由于一般桥面宽度较宽，如嘉绍大桥单幅桥面宽度达20m，这要求施工单位施工前要制定周密的摊铺路线计划。另外这种施工特点也带来了一个特殊施工环节，即施工缝的处理；
4) 施工过程中任何水或空气进入环氧铺装层都会造成严重的质量缺陷，因此对施工人员的饮水、流汗以及施工车辆产生的水都要严格控制。
从上面几点可以看出环氧沥青混凝土在设备、施工组织、现场管理等方面都有较高的要求，只有将各个施工环节严格控制到位，才能发挥环氧沥青混凝土优异的材料性能。现阶段环氧沥青混凝土铺装的施工技术在国内已经发展较为成熟，目前有众多施工单位可供选择。
(2) 树脂沥青组合体系(ERS)方案
通过前面分析我们已经知道，ERS方案主要特殊在于EBCL层和RA05层，RA05层上的铺装结构和普通混凝土桥面铺装相同。研究人员充分考虑了ERS钢桥面铺装施工便捷性，通过采取特殊的材料工艺措施，使得EBCL层和RA05层均可在常温下进行冷拌施工。
1) EBCL层可以在常温下施工，由于EBCL层不占铺装层厚度，仅需将EBCL材料刷涂在钢板表面，并在EBCL层的指干时间内撒布碎石即可，因此EBCL层的施工十分简单，甚至不用任何机械设备，人工即可完成。
2) 树脂沥青RA05是一种冷拌沥青材料，没有加热环节，可在常温下采用普通拌合设备拌合，摊铺和碾压施工也采用普通车辆机具设备。
整个ERS施工过程没有特殊的环境条件，也没有特殊的机械设备要求，可在全幅桥面进行施工，对施工组织的要求也较低。
4. 价格成本分析
钢桥面铺装的价格成本可以从材料成本和施工过程成本两方面进行判断。环氧沥青混凝土为匀质材料，其材料费用最高的环氧沥青层厚度为55mm。ERS方案材料费用较高的结构层为EBCL层和RA05层，EBCL层不占厚度，RA05层为20mm，RA05层以上的SMA层为常规铺装材料。从材料来源来看，环氧沥青混凝土方案通常采用美国或者日本进口的环氧沥青材料。骨料碎石也有苛刻的要求，国内一般要求采用江苏茅迪出产的高品质碎石，由于产地限制，价格也水涨船高。ERS所采用的全部材料均为国产，骨料碎石甚至可以采用上虞本地出产的材料。此外环氧沥青混凝土需要在钢板表面进行防腐涂装，而ERS不需对钢板表面进行防腐涂装，这方面ERS也节约了成本。因此宏观上ERS铺装的材料费用会低于环氧沥青混凝土。
从施工过程成本上看，前面对两种铺装方案的施工特点已经给出了明确的答案：环氧沥青混凝土从施工机械设备、施工组织、人员投入要求上都要远高于ERS铺装方案。
环氧沥青混凝土施工市场发展已经较为成熟，而ERS在行业内才刚刚起步，核心技术（主要是材料方面）还只掌握在个别施工单位手中，同时ERS的研发人员还存在借助工程完成技术提升的诉求，这些方面也会影响到两种方案的综合价格成本。
初步调研表明，环氧沥青混凝土铺装方案的综合单价在1200~1500元/m2左右，ERS铺装方案综合单价在850元/m2以下。
5. 总结
国内早期的钢桥面铺装技术通常采用消化引进国外技术的发展模式。环氧沥青混凝土技术源于美国，在国内科研单位进行引进消化并推广使用，经过多年的发展，具有成熟的施工队伍、和完善的质量检验、验收标准。但是环氧沥青混凝土方案的可靠性能是建立在可靠的施工保证的前提下，由于环氧沥青混凝土铺装对施工设备和施工组织要求较高，任何一个环节出现问题都有可能出现质量缺陷。采用环氧沥青混凝土成功的例子很多，如果施工过程控制不好，出现问题的案例也存在。总体上，环氧沥青混凝土是目前行业公认的相对较为稳定可靠的钢桥面铺装方案，已经成为国内钢桥面铺装的主流。
树脂沥青组合体系铺装技术是我国技术人员在实践中探索出来的，具有中国自主知识产权的钢桥面铺装技术。从西陵长江大桥开始，经过不断的实践和完善，目前已经逐渐为行业认可，并在越来越多的钢桥中采用，如杭州江东大桥、宁波庆丰桥、青林湾大桥、外滩大桥、湖北宜昌长江大桥、广东猎德大桥等等。相比环氧沥青混凝土技术，这项技术采用边实践边总结的方式进行。ERS技术虽然起步较晚，但是由于概念清晰，施工简便，可靠的性能迅速获得了关注。目前ERS结构体系已经获得国家发明专利。
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