南京地区环氧沥青混凝土钢桥面铺装病害分析及养护措施

李 丹，余 健，章登精

(1.江苏省南京重大路桥建设指挥部，南京210031;2.江苏省南京长江第二大桥有限责任公司，南京210006;3.江苏省南京重大路桥建设指挥部，南京210031)

环氧沥青混凝土铺装技术在国内于2000年首次用于南京长江二桥，解决了以往桥梁建成后不久出现的大面积推挤、车辙等破坏的问题。2005年该技术再次被用于南京长江第三大桥钢桥面铺装。目前南京长江二桥通车已10 a，南京长江三桥也通车近5 a，钢桥面铺装使用整体状况良好。

南京长江二桥和三桥都是国家高速公路网、国道主干线在南京结点上的重要过江通道。南京二桥南汊大桥主桥为双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥，桥梁跨径布置为 58.5+246.5+628+246.5+58.5=1 238m，主跨628m;南京三桥主桥为五跨连续双塔双索面钢塔钢箱梁斜拉桥，桥梁跨径布置为63+257+648+257+63=1 288m，主跨648m。均采用双向六车道高速公路标准，设计行车速度100km/h，设计荷载汽车—超20级、挂车—120。钢箱梁采用正交异性板流线型扁平钢箱梁，钢桥面铺装的行车道采用“2.5 cm+2.5 cm”的双层环氧沥青混凝土方案，铺装上下层之间、铺装下层与钢桥面板之间均用环氧沥青作为粘结层。具体结构如图1所示。其中南京长江三桥按照20%的车辆超载30%的条件，进行桥面铺装设计验证。

图1 环氧沥青混凝土铺装结构Fig.1 Pavement structure of epoxy asphalt concrete

南京长江二桥2001年通车后年日均交通量9800辆 (绝对数，以下同)，2009年日均交通量49 300辆，日均交通量年递增 19.7%。从 2001-2002年度，按照“禁止轴载超50%的车辆过桥”的原则进行了超限车辆管理;因超限车管理系统问题，实际限制了“轴载超50%的车辆”中的约30%车辆通过大桥;2004年二桥公司股权转让后，取消超限车管理，2007年实现计重收费 (见表1)。

表1 2007年二桥过往车辆超载情况统计表 辆Tab.1 Statistics of Overload on the No.2 bridge in 2007

南京三桥2005年通车，06年日均交通量 (绝对数)12 200辆，2009年日达均交通量20 000辆，日均交通量年递增17.9%，未设超限管理，实施计重收费。

表2 2007年三桥过往车辆超载情况统计表 辆Tab.2 Statistics of Overload on the No.3 bridge in 2007

1 铺装病害基本情况

南京地区钢桥面铺装的病害以裂缝为主，也有少量鼓包和硬伤，其中裂缝病害占总病害的96.7%。

1.1 鼓 包

鼓包病害一般是由于残留在铺装层内部的水，高温形成水汽体积膨胀而导致的;鼓包也是对于密级配沥青混凝土钢桥面铺装最常见的一种病害表现形式。

环氧沥青混凝土铺装鼓包病害一般是由于施工时的非人为因素 (诸如汗水、雨、露水等)而导致［1］。铺装层存在内部不连通空隙，空隙率很小(〈3%)，高温下水逐渐变成水汽无法挥发到铺装层外，体积膨胀使得局部顶起，形成铺装层表面的“隆起”现象［2］。隆起的铺装层部分在车辆荷载的反复作用下很容易被压碎，从而形成表面的不规则裂纹。二桥通车第一年出现多处鼓包病害，三桥因采用侧喂料机施工工艺后未出现此类病害［3］。

按照鼓包发展的不同形式和表现出来的外观形态，鼓包病害可划分以下几个阶段。

(1)初期隆起。鼓包初期表现出来的是表面的圆形小范围内的微微隆起现象，如图2所示。铺装层被顶起，此处的铺装层脱离钢板或下层基础(视病害根源所在位置而定)的支撑，从而形成视觉上明显的高差。初期隆起开裂现象出现后，如果不及时进行处理，就会发展成为更为严重的中期裂缝扩展。

图2 鼓包与坑洞病害Fig.2 Drum kit and hollow hole

(2)中期裂缝扩展。初期隆起的铺装层部分在行车荷载的循环作用下迅速发展为裂纹，最为明显的特征除了“隆起”顶端的放射分布裂纹继续扩展以外，就是在初期“隆起”的圆形范围的根部出现圆形裂纹，并有逐渐闭合的趋势。该裂纹是“隆起”的铺装层部分在丧失支撑后被车辆荷载压“塌陷”而导致的。

(3)完全破坏阶段。如果鼓包病害发展到表面塌陷，铺装层所出现的裂缝，在行车荷载产生的压力作用下，水从开裂铺装层处下渗到铺装层内部，导致钢板锈蚀。整个鼓包区域混合料破坏，最终出现坑洞。坑洞的出现是鼓包病害处理不及时的必然结果。

1.2 裂 缝

包括纵向裂缝和短小方向各异的微裂纹 (不包括鼓包位置的微裂缝)，纵向裂缝最长达15～20m;微裂纹长度小于20cm，如图3所示。

图3 裂缝病害Fig.3 Crack defect

(1)微裂缝。微裂缝是非结构性受力裂缝，出现的位置并非是室内力学分析的最不利位置(应力或应变最大点)。裂缝出现极为不规则，且裂缝的间距也不固定。从裂纹发展的速度而言，速度极为缓慢。一般认为该裂缝跟施工工艺和施工控制不成熟有关。二桥出现的微裂缝发现于通车第2年，位于铺装面层的部分施工接缝两侧;三桥未发现微裂缝。

(2)纵向裂缝。纵向裂缝一般是结构性受力裂缝，有两类:一类是因疲劳而产生的裂缝，一类是因结构及荷载原因引起的破坏裂缝。常常出现在正交异性钢桥面板铺装层的最大拉应力位置，位于梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶的铺装层表面附近区域。

1.3 表面小坑

一类是使用期间过往车辆上掉落硬物的冲击损伤 (即外伤)，一类是施工留下在铺装表面的低强度杂物被汽车磨除，一般表现为凹坑。

外伤是指环氧沥青混凝土铺装层由于过往车辆上硬物掉落铺装表面对铺装表面的冲击与破损，或由于车祸等问题导致的硬物在铺装层表面形成的划痕。二桥、三桥均出现多起此类病害。

三桥铺装施工第一次使用侧喂料机，采用橡胶传送带，在长期高温的作用下橡胶带有老化剥落的情况，虽然在施工过程中有专人对剥落的橡胶块进行清理，但是仍有极少部分会残留在铺装层中。通车以后此处会形成薄弱点而产生小坑洞，如图4所示。

图4 硬伤病害Fig.4 Mishap defect

2 铺装病害分析对比

钢桥面铺装的病害问题已经越来越突出，不少桥梁已直接影响桥梁的正常运营。国内钢桥面铺装常见病害 (见表3)主要有六大类:①剪切滑移、脱层;②车辙;③推挤、拥包;④鼓包、坑槽、剥落破坏;⑤裂缝;⑥泛油、光面的轮迹带或轮印。前三类病害为国内早期钢桥面铺装常见致命的病害，成因分析见表3。以南京地区采用的环氧沥青桥面铺装技术，很好地克服了前三类病害和第六类病害。南京地区环氧沥青桥面铺装中所出现的病害，主要是第五类裂缝，第四病害也少有出现。

二桥钢桥面第一次采用环氧沥青混凝土铺装技术，出现的较为典型病害，按时间先后分别是:鼓包、微裂纹、表面小坑和纵向裂缝。

鼓包病害最早出现在二桥施工期 (2000年9月份开始施工，10月22日完成摊铺)，起因是运料车直接行驶摊铺车道联结层上进行卸料，而货车的车况参差不齐，时而出现滴水或漏油情况，使得水滴或其他高温易汽化的液体被埋入混凝土体内。施工初期经验不足、气温较高，出现鼓包较多;后期在运输环节上针对性加强措施，气温也较低，鼓包也相对较少。在混凝土强度增长过程中发现的鼓包，采用排除水分等措施进行了修复;在混凝土养护期以后发现的鼓包，二桥通车前后都针对性地进行修补，仍以排除水分修补鼓包引起的层间联结失效为主要目的。三桥2005年施工，研制了侧喂料机，避免了料车对施工质量的直接影响，同时健全了施工管理细节，未出现鼓包病害。

二桥微裂纹病害分布于施工两侧，位于行车道中间位置 (非轮迹带位置)，初期未作修补，也没有明显发展，形状不规则，以横桥向为主，早期发现的仅有部分段落存在。成因是铺装施工终压阶段，压路机急停转向所致。三桥施工期间，加强了施工碾压管理，过程中发现类似裂纹，据此要求专项管理。

二桥纵向裂缝首次于2006年秋季被笔者发现，发现时裂缝上口已成圆弧状。位于行车道纵隔板附近，该位置后期发现局部结构失效。疲劳试验表明，常温5kN荷载作用下疲劳寿命超过2 000万次(花山玄武岩，二桥试件)，常温8kN荷载作用下疲劳寿命不足200万次 (花山玄武岩，三桥试件)。裂缝产生可以确认为高应力下的疲劳裂缝。三桥局部段落在2007年也发现纵向裂缝，该段落因暴雪灾害曾大量积压重型车辆和积雪。

表3 国内钢桥面铺装常见病害Tab.3 Common defects in Steel deck pavement

续表

3 铺装病害养护措施

3.1 日常养护

日常养护主要是排水通道的清理和桥面清扫，可防止桥面积水导致抗滑性能下降，防止碎石或金属物体被重车碾压形成小坑。

3.2 运营初期温度监测及洒水降温

二桥环氧沥青混凝土铺装的设计温度为-15℃～60℃。考虑日照辐射作用下，表面温度近70℃，2001年高温期按照气温35℃以上洒水降温并进行了温度监测 (部分温测结果见表4)。交通量骤增后，放弃了洒水降温养护。温度监测显示洒水后，温度可以降低近10℃。

3.3 鼓包病害养护

3.3.1 早期鼓包

修补目标是修复鼓包底部界面。养护期对突起鼓包在界面处理完毕后，采用加温压重措施消除突起。修补材料:低粘度材料YBL粘结剂材料和LSQ47环氧树脂。LSQ47环氧树脂主要强度指标:粘度 0.295 Pa·s(23℃)，拉伸强度 16.3 MPa，延伸率71%，常温配置，固化时间短。

先在鼓起范围的铺装层表面锥刺3～4个小孔，锥刺深度以达到鼓起底层位置，用热吹风机将热空气鼓吹入鼓包铺装层内部，待鼓包内湿气充分干燥并待温度冷却后即可进行灌缝处理。用注射器或专用裂缝灌注仪，按照从最低位置的锥刺孔灌注粘结料的原则进行灌注，待临近锥刺孔内有YBL粘结剂渗出后，用橡胶皮堵孔，如此往复，直至最高位置的锥刺孔内粘结剂渗出为止，最后用灌缝料将裂缝密封，待YBL灌缝料固化后即可开放交通。

表4 南京二桥钢桥面铺装温度测量部分成果 (夏季)Tab.4 Temperature measurements of pavement in the No.2 bridge(summer)

3.3.2 中晚期鼓包

对恶化后铺装层的中晚期鼓包病害，可以根据鼓包范围根部的裂缝闭合情况确定鼓包病害的严重程度，再根据不同的严重程度选择采用灌缝密封处理还是开挖回填处理。

对于使用期间出现的严重中晚期鼓包开裂病害，按坑洞回填处理。

3.4 裂缝病害养护

3.4.1 修补材料

方案1:选择一种低粘度，但强度值与原环氧粘结料相当的灌缝材料进行修补。择优选择YBL粘结剂作为环氧沥青混凝土钢桥面铺装层的裂缝修复材料。YBL86技术指标:粘度 0.075 Pa·s(23℃)，拉伸强度42.5 MPa，断裂延伸率5.4%，常温配置，固化时间4h。

方案2:根据不同的裂缝宽度，选用表5中的修缝剂加以修复。

表5 修缝剂技术指标 (23℃)Tab.5 Technical indexes of repair joint agent

方案3:将环氧树脂+固化剂+酒精 (为溶剂)按照一定的比例调匀后，直接涂抹在裂纹(缝)的表面进行封闭

3.4.2 施工工艺

应选择在连续烈日暴晒后进行，并避免高温时分进行灌注;灌注前应清除裂缝内部的油污等影响粘结强度的杂质;若有油污，先用肥皂水进行刷洗，待日后烈日暴晒干燥后再进行灌缝处理。这些措施是为了灌缝材料在没有到达裂缝底部时，不会因反应剧烈而导致粘度过大无法下渗，其修补情况如图5所示。

图5 部分病害修补情况Fig.5 Repair status of partial defects

裂缝周边若存在明显的唧浆现象，应先用切缝机对裂缝进行拓宽，处理好内部破碎颗粒及水分后，按坑洞病害处理。

3.5 坑洞病害养护

3.5.1 小坑洞修补

方案1:先将小坑洞内清理干净，再将环氧树脂+固化剂+酒精+集料按照一定比例调配后直接填入小坑洞内，最后人工进行夯实。

方案2:先用钢丝刷与鬃毛刷将凹坑内的浮动颗粒与灰尘清除干净，然后预埋细质集料，与临近铺装层表面齐平，再将YBL86粘结剂灌入凹坑内，待粘结剂完全固化后即可开放交通。

方案3:用高强度Ⅳ型修复剂+冷拌混合料修补。修复Ⅳ型材料技术指标 (23℃)技术指标:粘度 0.43Pa·s50℃ (23℃)，拉伸强度 3.9MPa，断裂延伸率180%，马歇尔强度78.5 kN，流值31.0(0.1mm)。

3.5.2 大坑洞修补

是指直径大于50cm的大坑洞以及狭长刮擦外伤坑洞的修补。

方案1:冷补法。用A型高强粘结剂+Ⅴ型纯树脂添加剂+冷拌混合料修补。采用容量为500～800 kg，加热范围250℃的小型滚筒拌合机进行机械拌和混合料，同时匹配小型手扶式压路机，对修复铺装部分进行压实处理。修复Ⅴ型添加剂技术指标:粘 度 0.23 Pa·s50℃ (23℃)， 拉 伸 强 度2.9MPa，断裂延伸率 180%，马歇尔强度 63.7 kN，流值38.2(0.1mm)h。修复 A 型粘结剂技术指标粘度 1.03Pa·s50℃ (23℃)，粘度 0.53(Pa·s，50℃)拉伸强度 7.83MPa，断裂延伸率1200(%，23℃)，马歇尔强度 63.7 kN，流值38.2(0.1mm)。

方案2:热补法。环氧沥青联结层+环氧沥青混合料。

4 几点体会

病害的长期观测及病害修补后的观测表明，环氧沥青混凝土钢桥面的合理养护和病害修补方案至关重要。

(1)铺装的日常巡检应高度重视，可以及时发现病害，便于制定可靠的修补方案;

(2)鼓包病害的处理要及时，早处理可以避免发展为坑洞;要严禁把初期鼓包 (病害范围尚未确定)挖除，直接按坑洞修补。

(3)不是所有的裂缝都会发展为引起铺装破坏的病害，很多裂缝不修补也不会发展;要根据裂缝的宽度、深度及位置，是否存在唧浆现象，客观分析并对裂缝进行分类，科学制度处理方案。

(4)坑洞修补应尽量采用热补法，特别是大于20cm×20cm的坑洞应禁止用强度小于原铺装的材料修补。

(5)各类病害修补工作要严禁在雨季、低温条件下进行，除部分裂缝修补外宜选择高温、干燥季节施工。

［1］于 力，童义和，俞 健.南京长江第二大桥钢桥面铺装的养护管理［J］.公路交通科技，2006(3):105-107.

［2］李国芬，侯彦明，朱华平.沥青混凝土桥面早期病害原因分析［J］.森林工程，2007，23(2):62-64.

［3］章登精.南京长江第三大桥环氧沥青桥面铺装工程［J］.公路，2007(9):21-23.