【正文】 不斷發(fā)展，自主開發(fā)環(huán)氧瀝青技術(shù)和環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。而研究證明，環(huán)氧瀝青在橋面防水和層間粘結(jié)方面，具有很大的優(yōu)勢。（3） 需要更深入進(jìn)行橋面粘結(jié)和防水層研究。（2）需要結(jié)合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究驗證橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法。橋面鋪裝已經(jīng)成為水泥混凝土橋梁建設(shè)工程中的工程人員關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。國內(nèi)對水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝的研究還處于于嘗試階段，沒有形成明確的研究思路，更談不上形成統(tǒng)一的鋪裝結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法。我國最早是在20世紀(jì)80年代初開始逐漸認(rèn)識到鋼筋腐蝕的嚴(yán)重性和橋面防水粘結(jié)的重要性，開始陸續(xù)在北京、天津等地的水泥混凝土橋面鋪裝工程中鋪設(shè)柔性防水粘結(jié)層。 國外對水泥混凝土橋的橋面鋪裝層設(shè)計（包括鋪裝材料選擇和厚度、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計）主要是基于材料性能試驗之上的經(jīng)驗設(shè)計法。環(huán)氧瀝青一般由A和B組分混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化而成，其化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。這種材料除同樣具有高溫軟化的缺點(diǎn)外，其內(nèi)部含有的熱敏性物質(zhì)在接觸瀝青鋪裝層攤鋪時的高溫時會釋放出氣體，從而使鋪裝層產(chǎn)生氣泡。溶劑型粘結(jié)材料一般多指乳化瀝青和可溶性的橡膠瀝青，這類材料的共同特點(diǎn)也是加熱后軟化，冷卻時固化變硬。在剪切荷載作用下，橋面鋪裝容易在這一層產(chǎn)生推移。防水粘結(jié)材料主要包括熱熔型防水粘結(jié)材料、溶劑型防水粘結(jié)材料和熱固性防水粘結(jié)材料[4] 。 國外對水泥混凝土橋面鋪裝體系的研究起步較早，目前已形成典型的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系。 水泥混凝土橋面鋪裝包括剛性鋪裝（即水泥混凝土鋪裝）、柔性鋪裝（瀝青混凝土鋪裝）兩大類。耐久性水泥混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料研究東南大學(xué)橋面鋪裝課題組 二 0一0 年三月 第一章 概述 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 4 研究意義及目的 6 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 8第二章 水泥混凝土橋面鋪裝病害調(diào)查及分析 11 水泥混凝土橋面鋪裝病害類型 11 病害成因分析 14 橋面鋪裝層力學(xué)分析 14 鋪裝層結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計 15 鋪裝層施工 15 鋪裝層養(yǎng)護(hù) 16 17 橋面鋪裝層病害控制指標(biāo) 17第三章 橋面耐久性鋪裝與結(jié)構(gòu)材料研究 18 橋面耐久性鋪裝研究背景 19 橋面耐久性鋪裝的基本要求 20 耐久性鋪裝材料優(yōu)選與結(jié)構(gòu)確定 21第四章 水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析 23 考慮整橋結(jié)構(gòu)變形的水泥混凝土橋面鋪裝受力分析 23 水泥混凝土梁與鋪裝耦合作用的整橋結(jié)構(gòu)模型 24 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位 26 整橋集中荷載作用下的最不利鋪裝段 27 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位 28 鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng) 29 小結(jié) 30第五章 環(huán)氧瀝青性能研究 31 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的技術(shù)指標(biāo)與要求 31 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青拉伸試驗 33 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青粘度試驗 35第六章 耐久性鋪裝下面層混合料試驗研究 39 41 路用性能試驗研究 42 固化馬歇爾強(qiáng)度 42 高溫穩(wěn)定性能 43 低溫性能 43 水穩(wěn)定性能 44 材料試驗研究小結(jié) 46第七章 防水粘結(jié)層材料性能試驗 46 試驗設(shè)計 47 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料性能研究 48 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)料強(qiáng)度增長規(guī)律 48 不同防水材料性能研究 49 模擬攤鋪碾壓溫度下降對強(qiáng)度的影響 51 試驗研究結(jié)論 51第八章 鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗 52 試驗設(shè)備選擇 52 試件制作 53 復(fù)合結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎疲勞試驗 54第九章 環(huán)氧瀝青混凝土關(guān)鍵施工工藝研究 56 環(huán)氧瀝青容留時間研究 56 56 容留時間的驗證試驗 57 容留時間的驗證試驗 58 容留時間的確定 59 混合料出料溫度范圍的確定 59 環(huán)氧瀝青碾壓規(guī)律研究 61 施工中國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料溫度變化規(guī)律 61 碾壓工藝的確定 61 小結(jié) 62第十章 基于全壽命周期理論的經(jīng)濟(jì)性分析 62 全壽命周期成本理論 62 環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝的優(yōu)勢 64 環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝的經(jīng)濟(jì)性分析 65第十一章 鋪裝技術(shù)研究結(jié)論 66參考文獻(xiàn) 67第一章 概述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 橋面鋪裝是指為了保證車輛安全舒適地通過橋面，在其上鋪筑的防護(hù)面層，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分。由于瀝青混凝土鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊，較易達(dá)到平穩(wěn)舒適的要求，因此國內(nèi)外絕大部分水泥混凝土橋均采用瀝青混凝土柔性鋪裝?？筛爬榉浪辰Y(jié)層+瀝青混凝土面層。熱熔型粘結(jié)材料由瀝青摻加樹脂（如松香）和各種聚合物（如EVA、PE、SBS）等組成，這類材料的共同特點(diǎn)是加熱后軟化，冷卻時固化變硬。因此，要求粘結(jié)層材料在鋪裝高溫范圍以內(nèi)較硬，具有足夠的抗剪切能力。乳化瀝青粘結(jié)層在國內(nèi)使用較多，如西陵長江大橋。這種破壞現(xiàn)象在青馬大橋和日本的一些橋梁鋪裝中都曾出現(xiàn)。A和B組分混合后，順酐化瀝青、固化劑、功能聚合物、乳化劑等與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物間交織互聯(lián)，固化物體系很快從二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體型結(jié)構(gòu)并形成強(qiáng)度，其中，環(huán)氧樹脂以層疊、互聯(lián)的方式形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；瀝青則以顆粒狀態(tài)較均勻地分散在環(huán)氧樹脂內(nèi)部，顆粒彼此間幾乎無聯(lián)系，離散地分布在環(huán)氧樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成不可逆的固化物。例如，對鋪裝層厚度的設(shè)計，各國根據(jù)本國的經(jīng)驗而采用不同的厚度值，日本主張采用60~75mm，歐美一些國家則采用40mm左右；對瀝青混凝土種類的選擇各國也不相同，但均盡量采用優(yōu)質(zhì)的瀝青混凝土來提高橋面鋪裝的耐久性能。目前常用的橋面防水粘結(jié)材料主要有乳化瀝青、改性乳化瀝青、涂料、SBS卷材、APP卷材等，隨著國產(chǎn)環(huán)氧瀝青材料的研發(fā)成功，該高性能防水粘結(jié)材料也開始得到應(yīng)用推廣[56]。 總之，防水層不僅要有良好的密水性，還要與水泥混凝土橋面板及瀝青面層之間有足夠的粘結(jié)力，這也是各國研制開發(fā)好的防水層所努力的方向。但是相對于普通瀝青路面，橋面鋪裝受力復(fù)雜，影響因素諸多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1） 需要進(jìn)一步深入分析橋面鋪裝損害機(jī)理。在實(shí)際橋梁工程設(shè)計中，橋面鋪裝只是作為橋梁結(jié)構(gòu)的附屬結(jié)構(gòu)，一般不作專門的計算分析，現(xiàn)行規(guī)范只是對橋面鋪裝的做法、材料、厚度做了指導(dǎo)性說明。目前國內(nèi)己明確瀝青橋面鋪裝必須由防水粘結(jié)層和瀝青鋪裝層組成，但對橋面防水粘結(jié)的研究和試驗才剛剛起步。需要進(jìn)一步進(jìn)行各種防水和粘結(jié)材料的比較和評價，并重點(diǎn)對環(huán)氧瀝青粘結(jié)與防水材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展研究。（5）我國對橋面防水層和鋪裝的應(yīng)用研究起步較晚，目前還沒有完善的施工技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，各地做法不盡相同，一般都是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行施工操作，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，從某種程度上講，這也是造成局部損害的重要原因。擬從力學(xué)分析、鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計、材料設(shè)計、防水粘結(jié)層設(shè)計與施工工藝等幾方面進(jìn)行水泥混凝土橋面耐久性鋪裝的研究，把新材料環(huán)氧瀝青和耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)有效相結(jié)合，力求大幅提高水泥混凝土橋面的防水、防脫層、鋪裝層的防常見病害等路用性能，并且有效地保護(hù)水泥混凝土橋面板，從而延長橋面鋪裝層的使用壽命，達(dá)到耐久性鋪裝的目的。①橋面瀝青混凝土鋪裝層病害調(diào)查；②橋面防水狀況調(diào)查和鋪裝結(jié)構(gòu)調(diào)查；③水泥混凝土橋面板病害及腐蝕狀況調(diào)查。①通過系統(tǒng)試驗，研究并提出結(jié)合料環(huán)氧瀝青技術(shù)要求；②采用不同級配類型（AC級配、SMA級配）對環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行試驗研究，通過比較和分析，提出環(huán)氧瀝青混合料級配確定方法及適用條件；③進(jìn)行不同環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾試驗和路用性能試驗，提出環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾設(shè)計參數(shù)和路用性能技術(shù)要求；④通過正交設(shè)計試驗方法對混合料的拌合時間、拌合溫度、容留時間、擊實(shí)功、固化時間進(jìn)行設(shè)計；依據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率以及流值等因素，確定一套符合水泥混凝土橋面環(huán)氧瀝青鋪裝施工要求的容留時間范圍、固化時間、拌合時間、拌合溫度等施工控制指標(biāo)。①通過實(shí)際施工，總結(jié)環(huán)氧瀝青防水層施工工藝及質(zhì)量控制措施；②通過實(shí)際施工，研究環(huán)氧瀝青鋪裝層施工工藝及質(zhì)量控制措施；③總結(jié)并提出環(huán)氧瀝青橋面鋪裝體系的施工技術(shù)指南。（2）變形類 變形類主要包括輪跡帶附近的車轍及推移、擁包等，如圖 所示。鋪裝層表面的松散集料會降低抗滑能力，并被行車輪胎帶起甩在行車道上，引起其他問題，嚴(yán)重地影響了行車的安全性和舒適性。在所調(diào)查的橋面鋪裝中，特別是在通車較早的公路和城市道路橋梁的橋面鋪裝，都不重視橋面鋪裝防水層和粘層的設(shè)計，不重視橋面鋪裝的防水排水設(shè)計。 病害成因分析造成瀝青混凝土橋面鋪裝早期破壞的原因是多方面的，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、施工、氣候及交通條件等諸多方面，深刻認(rèn)識瀝青混凝土鋪裝層出現(xiàn)上訴病害的機(jī)理是提出有效防止其早期損壞、延長其使用壽命的重要前提。此外，隨著材料工業(yè)的發(fā)展，橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達(dá)到受力的要求，高等級公路大跨徑橋梁的橫向越來越寬，在設(shè)計計算中側(cè)重于主梁縱向的計算分析，對橋梁橫向剛度重視不足，橫向構(gòu)造措施不利也使橋面鋪裝分擔(dān)了過多的次內(nèi)力。實(shí)際上，由于橋面系的加勁部件的存在，使得剛?cè)徜佈b層體系的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，使用條件更為苛刻。所以，鋪裝層材料設(shè)計是一個均衡的過程，要抓住鋪裝層最常見的破壞類型這一主要矛盾，以結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計的鋪裝層在厚度、材料組成方面能夠具有更好的適應(yīng)橋面板變形的能力，來延長鋪裝層的使用壽命。同時，由于水分不可避免地會滲入瀝青混合料，若沒有防水層的設(shè)置，滲入的水分最終會影響鋼筋水泥混凝土梁板的使用。特別在鋪裝層的邊緣壓路機(jī)不易壓到的地方，或者壓路機(jī)的噸位較輕，經(jīng)常出現(xiàn)壓實(shí)不夠，空隙率偏大，在車輛荷載的反復(fù)作用下，容易引起鋪裝層的早期水損[11]。水是導(dǎo)致瀝青鋪裝層損壞的主要原因之一，設(shè)計合理的橋面排水系統(tǒng)并保證其暢通顯得非常必要[12]。 橋面鋪裝邊緣的泄水孔堵塞情況綜上，瀝青混凝土作為水泥混凝土橋鋪裝層時，重載、高溫、雨水、施工質(zhì)量是橋面鋪裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的最主要外因，而鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、防水層以及粘結(jié)層的設(shè)計是其產(chǎn)生破壞的主要內(nèi)因，其中防水粘結(jié)層的設(shè)置是橋面鋪裝區(qū)別于普通路面結(jié)構(gòu)的一個典型標(biāo)志，其設(shè)置是否有效直接關(guān)系到整個鋪裝層的使用功能，應(yīng)引起重視。本文采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析[15]，建立水泥混凝土橋面鋪裝有限元模型，詳細(xì)了解鋪裝層內(nèi)部應(yīng)力分布狀況和病害產(chǎn)生的原因，找出目前橋面鋪裝層主要破壞類型的力學(xué)機(jī)理。 （3）鋪裝層表面在行車道的輪跡帶上出現(xiàn)車轍的破壞。鋪裝層質(zhì)量和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。在路面工程中，國外成功地進(jìn)行了長壽命路面研究。目前，世界上許多國家都投入了大量的精力進(jìn)行橋面鋪裝的研究，力求延長橋面鋪裝的使用壽命。現(xiàn)階段，我國對水泥混凝土橋面鋪裝耐久性研究較少，有的學(xué)者僅從級配設(shè)計與優(yōu)化方面進(jìn)行研究[18]；有的研究者致力于材料方面的研究，試圖提高材料的性能或?qū)ふ腋鼉?yōu)良的材料；有的通過試驗來測定結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況；有的通過有限元計算，來確定各個部分的應(yīng)力水平。運(yùn)用國內(nèi)外的長壽命瀝青路面設(shè)計理念，結(jié)合己有的水泥混凝土橋面鋪裝設(shè)計方法，借鑒其合理的方面，改進(jìn)其不足，將力學(xué)計算和試驗結(jié)合起來，相互驗證，得到能使鋪裝使用壽命大幅度提高的研究方法，將是一件對社會與經(jīng)濟(jì)非常有意義的事情[19]。而我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ02189)對水泥混凝土橋面上的瀝青混合料鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料要求規(guī)定較少，沒有具體可行的設(shè)計要求。(3)優(yōu)良的防水性能：要想保證橋梁的耐久性，首先必須保證橋面板不被雨水腐蝕。因此層間粘結(jié)力是橋面鋪裝正常工作的關(guān)鍵。 耐久性鋪裝材料優(yōu)選與結(jié)構(gòu)確定保證鋪裝層與水泥混凝土板的良好結(jié)合是減少鋪裝層病害的重要前提，必須重視防水粘結(jié)層的設(shè)計。環(huán)氧瀝青優(yōu)良的性能在國內(nèi)多座大橋鋪裝工程中得以體現(xiàn)，其中南京二橋自2001年通車以來歷經(jīng)7年多時間重交通荷載并經(jīng)受了夏季高溫（68℃）、冬季低溫（14℃）的考驗[22]，至今使用性能良好。對比于國內(nèi)其它熱塑性與熱溶性防水粘結(jié)材料，作為熱固性的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料具有無可比擬的優(yōu)越性質(zhì)，在我國水泥混凝土橋梁工程中已得到廣泛的應(yīng)用。本研究充分利用國產(chǎn)環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的優(yōu)良的粘結(jié)性能，以及國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混凝土的追從性、耐久性、防水性特點(diǎn)，以此作為水泥混凝土橋面的防水粘結(jié)層和鋪裝下面層；鋪裝的上面層采用SMA瀝青混凝土，以便能夠迅速開放交通，即環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋+，形成新型耐久性水泥混凝土橋面鋪裝。（二）局部梁段鋪裝體系模型，考慮整橋某一典型梁段，采用板殼單元模擬，鋪裝采用實(shí)體單元離散，通過剛性連接實(shí)現(xiàn)兩種剛度結(jié)構(gòu)共同承受外荷載作用[24]。鑒于工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用不同于上述三種建模策略進(jìn)行花園路跨線橋的鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)為新型耐久性鋪裝體系，鋪裝上層（）、下層（），鋪裝上層、下層材料模量分別取1800MPa和2000MPa，具體材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。 雙輪均布荷載作用下的整橋鋪裝結(jié)構(gòu)模型 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位除了整橋每跨的縱坡變化，兩端及跨中部分的截面尺寸有少許區(qū)別，其他每跨均沒有較大區(qū)別，并且橋面鋪裝在車輛荷載作用下的受力具有明顯的區(qū)域性集中性，因此，沒有必要進(jìn)行移動車輛荷載沿整橋橋面縱向運(yùn)動的鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析。 集中荷載作用在跨中段 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位用公路I級標(biāo)準(zhǔn)車的單后軸雙輪均布荷載代替集中荷載，進(jìn)行跨中段加密后的鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析。荷位3作用位置離縱向加勁位置較遠(yuǎn)，因此橫向拉應(yīng)力峰值并不是出現(xiàn)在荷載作用位置附近。三種橫向荷位作用下的鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)峰值如表42所示，可見，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力控制荷位為荷位2?？梢娬麡蜾佈b結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)要略大于局部模型的計算結(jié)果。橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力控制荷位為荷位2。目前，東南大學(xué)橋面鋪裝課題組已研發(fā)生產(chǎn)供鋼橋面、水泥混凝土橋面、特殊道路使用的不同類型的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青材料系列，并逐步得到工程應(yīng)用。 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的技術(shù)指標(biāo)與要求國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝選用了由江蘇省句容市寧武化工有限公司生產(chǎn)的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青。，試驗標(biāo)準(zhǔn)溫度應(yīng)為23177。每組6個試件，抗拉