关于ERS钢桥面铺装关键技术指标在东北严寒地区应用的研究

宁波天意钢桥面铺装技术有限公司  张志宏

摘要：ERS钢桥面铺装技术在国内已有很多成功的应用，但在东北严寒地区ERS铺装应用的实例还不多，ERS铺装在东北地区还没有制定符合逻辑的关键技术指标。本文通过调整树脂沥青材料的配伍对ERS关键材料的低温性能进行研究探讨，为ERS铺装技术在严寒地区应用制定技术指标做好技术储备。

关键词：树脂沥青胶结料、EBCL界面、RA05

1、问题的提出

当可以在常温条件下进行施工的树脂沥青关键材料成功研发之后，解决钢桥面铺装的技术难题就有了新的思路和技术保障手段。利用树脂沥青粘结碎石形成的EBCL界面和树脂沥青混凝土RA05作为钢桥面铺装的下承层可有效地解决钢桥面铺装的防水和抗剪防滑问题，利用SMA混合料作为表面功能层有利于降低工程造价和后期的维护，这样一种铺装结构形式既是所谓ERS钢桥面组合铺装技术（EBCL+RA05+SMA）。ERS铺装技术经多年的铺装实践逐步修改完善，已初步形成了自己的一套技术体系。但目前该体系下的主要技术指标多是针对中国南方炎热的气候条件和重载车辆制定的，在东北严寒地区采用ERS技术这些关键指标应如何修定？我们还缺少系统的研究。因此，针对东北严寒地区使用的树脂沥青材料关键性能的甄别和评判我们还缺少相应的试验依据。本文试图在这方面进行有益的探讨。

2、解决问题的思路和办法

树脂沥青通常分为A和B两个组分。A组分主要由环氧树脂和稀释沥青混合构成，B组分主要是稀释沥青和固化剂组成的混合物。在施工现场将A和B两组分混合后，树脂沥青中的环氧树脂与固化剂连同沥青中的多环混合芳烃等物质一起发生复杂的交联固化反应，生成既有一定强度也有一定变形能力的树脂沥青胶结料。树脂沥青中的长链大分子由稳定的化学键连接，因此大大提高了沥青材料的粘结能力和自身强度。树脂沥青因为有沥青柔性材料的加入而具有一定的可变形特性。因这种化学反应的不可逆性，故固化反应后的树脂沥青材料具有耐油耐水等耐候特性。所谓EBCL界面实际上是一层涂布于钢板表面的树脂沥青胶结料的防水防腐结构，因其表面粘结有小碎石所以有抗滑的作用。所谓“树脂沥青混凝土路面”（Resin Asphalt Pavement）是利用树脂沥青胶结料配合一定级配的矿料形成的一种路面实体。树脂沥青混合料从可流动态固化到固体状态需要一定的时间，在这一段时间内树脂沥青混合料可以像普通沥青混合料一样进行路面施工，即树脂沥青混合料具有常温条件下的可施工特性。

通过调整树脂沥青胶结料中环氧树脂、固化剂和沥青等柔性材料的掺配比例可在一定范围内调整树脂沥青的强度、变形率、固化时间和粘度等关键技术指标。2010年，东北辽河大桥采用ERS铺装技术进行钢桥面铺装，目前该钢桥面铺装运行已超过两年，桥面铺装使用情况良好，未见开裂或推移等任何不良病害发生。这为我们研究东北地区应用ERS铺装技术指标提供了很好的参考样本。因此，本研究解决问题的思路是调整树脂沥青胶结料的配伍，以期获得更为柔韧的适合于东北地区使用的树脂沥青胶结材料。通过与现有的南方型胶结料和东北辽河大桥成功实施的胶结料进行关键性能的对比，验证这种东北型树脂沥青胶结料即有别于现有的南方型胶结料，又能在力学性能方面满足钢桥面铺装的使用需要，进而形成东北严寒地区ERS铺装的关键技术指标。

3、 树脂沥青胶结料的调整及试验结果分析

研究发现，环氧树脂在树脂沥青中的掺加量是决定胶结料强度的主要因素，柔韧性固化剂的选用和沥青材料的添加是决定树脂沥青材料延展性的主要因素。适当减少树脂沥青胶结料中的环氧树脂掺量，增加柔韧材料的添加量，树脂沥青胶结料的强度会趋于降低，低温延韧性会相应增加。于是，研究问题的关键演变成这种强度减少、延韧性增加的胶结料在力学性能上是否还能满足钢桥面铺装的受力需要。

经多次的试配和调整，本文初步选定了一种东北型的EBCL和RA树脂沥青胶结料。相对于南方型的树脂沥青胶结料，其中环氧树脂的含量降低了 %，柔性材料的添加量提高了 %。通过对新的东北型胶结料进行系统的试验检测我们可以得到改进后东北型胶结料的各项关键性能，将这些关键性能与先前的胶结料性能进行对比，我们可以发现配伍调整产生的效果。试验及对比结果见表3.1--表3.3。

表3.1 界面材料 EBCL各项性能对比

表3.2  RA05混合料拌合用胶结料各项性能对比

表3.3  RA05混合料各项性能对比

*南方型胶结料以浙江象山港大桥和嘉绍大桥的树脂沥青胶结料为对照样本

3.1 EBCL界面树脂沥青胶结料

由上述的试验对比结果我们可以看出，柔化后的EBCL胶结料的各项强度指标有所降低，但最小的拉拔强度仍然＞2.0Mpa, 相应的断裂伸长率增加了约4倍，特别是低温条件下的伸长率增加效果显著。反映出东北型EBCL界面材料在低温条件下的脆性得到有效的改善。虽然目前还没有进行长期疲劳性能定量的试验对比，但对比辽河桥使用的EBCL胶结料这种改进十分明显。因此可以定性地说，界面胶结料的低温疲劳性能必定也会相应得到改善。另外，胶结料的固化速率比原来稍慢一些，但对于夏季高温时节现场的施工作业几乎不构成任何影响。

3.2 RA胶结料及混合料RA05

表3.2和3.3的试验数据表明，RA胶结料的断裂强度有所下降，但伸长率明显增加。固化期的延长对现场施工作业更加有利，施工条件更加宽容。由树脂沥青胶结料拌制的混合料RA05的马歇尔高温稳定度有所降低，但相比普通的改性沥青混合料和辽河大桥当年的RA05混合料仍有大幅的提高。值得注意的是，改进后混合料流值提高明显，小梁低温弯曲的性能进一步改善，表明RA05混合料的低温特性得到有效改善，而在低温特性改善的同时，RA05混合料的高温抗车辙能力并没有明显降低。

4、关于技术指标的讨论和确定

树脂沥青胶结料参照东北严寒低温使用条件进行柔化改进后，我们还需要讨论ERS铺装在东北应用的主要技术指标，以便确保改进后的胶结料可以满足钢桥面铺装的使用要求。

4.1 EBCL胶结料的强度和可变形率

胶结料的强度和变形率指标不应以材料自身的特性来确定，而是应以桥面铺装结构的使用需求来确定。我们需要回答，东北地区使用的EBCL结构需要怎样的强度和变形才能满足铺装的使用要求。

强度问题

关于桥面铺装的界面剪力问题，我国的科研院校采用有限元条分法和叠层梁等方法已做过大量的力学分析，虽然计算方法和力学分析模型有所不同，但界面剪力的分析结果大同小异，即钢桥面铺装在不利受力状态下其界面处的最大剪应力一般只有0.5Mpa左右。交通运输部现行规范规定，桥面铺装的界面剪应力要求一般不小于0.4MPa，反应的既是这方面的综合研究成果。

东北地区的桥面铺装虽然要经历冬季的低温严寒，但夏季的高温季节的重载车仍然是对钢桥面铺装构成破坏的主要因素。参照上述界面剪力的力学分析以及先前ERS成功的铺装经验，ERS建议，EBCL胶结料的主要技术指标拉拔强度在25℃时应不小于5MPa，即使在70℃的条件下，其拉拔强度也不应低于2.0Mpa。

参考对比目前国内其它的钢桥面铺装界面材料的技术要求有助于我们定量的理解这个指标是否安全。

美国双层环氧沥青铺装结构中的界面材料采用环氧沥青，因美国环氧沥青洒布后不等其固化即开始混合料的摊铺，界面材料需要热拌环氧沥青混合料的温度帮助其与混合料一起固化。因此，美国双层环氧技术中没有界面材料拉拔或剪切的强度检测指标。它对防水粘结层的技术要求仅仅是固化后的环氧沥青胶膜试件在23℃时其断裂强度要求≥6.9MPa。

英国的浇筑式原本的界面材料采用橡胶沥青粘结层，并未对材料的粘结力提出具体要求。现场实测的粘结力为常温下约1.5 MPa，但英国浇筑式在国内的使用效果并不好。改进后的浇筑式界面采用Eliminator（甲基聚丙烯酸树脂类材料）防水粘结体系，其对钢板的粘结强度要求为25℃时≥5.0MPa。改进后的浇筑式界面剪切推移破坏现象比最初的技术引进状态有了大幅改善。

日本的浇筑式铺装界面材料采用的是高粘沥青，其粘结强度要求为常温下≥1.4 MPa。也未对界面材料在高温状态下提出强度要求。

对比国外的技术规定可以看出，本文提出的东北型EBCL胶结料在70℃时≥2.0Mpa的拉拔强度要求仍然是最苛刻的。之所以不能过分强调胶结料的强度是因为胶结材料的强度和可变形性是一对矛盾，过分强调强度，特别是强调高温强度，牺牲的则是胶结料的可变形能力，而胶料的可变形能力又与铺装层的疲劳和耐久性有密切关系。

变形能力问题

钢桥面铺装若要成功，其界面与钢板必定紧密粘结，没有错位和相对位移发生。保证没有相对位移发生恰恰是界面胶结材料应该具有的品性。因此我们假定，铺装界面位置的变形必须是连续的，即EBCL胶膜的变形与钢板的变形应当是相当接近的。铺装力学分析的研究指明，钢桥面铺装在正常使用情况下，钢板表面（即铺装层底部）的计算变形值一般只有大约300-400个微应变。即使按Q345型钢材的极限应力计，其最大应变值也只有约1650个微应变。超过这个应变值，钢材的应力值将达到屈服状态，此时的钢箱梁结构已经不安全了，桥面铺装也就失去了存在的意义。因此，依据界面处变形连续的假定，理论上说，界面胶结材料的变形只要大于1650个微应变即可满足变形要求，即变形率应大于0.165%。然而，桥面铺装是在千百万次的车轮荷载的往复冲击作用下工作的，桥面铺装材料在长期使用情况下会出现材料老化和性能衰退，因此，钢桥面铺装界面胶结材料的可变形率应尽可能提高一些。

采用MTS小型疲劳试验机对钢板+EBCL+RA05的组合试件进行疲劳试验的研究表明，当EBCL胶结料常温下的断裂伸长率处于10-20%时，在300-400微应变的试验条件下，钢板+EBCL+RA05的组合试件的疲劳次数超过1200万次仍未见疲劳开裂和脱层现象，这个数值并不弱于成功铺装的热拌双层环氧沥青结构。由此得出，当EBCL胶结料在常温状态下的断裂伸长率要求提高到＞30%时，组合试件的抗疲劳性能会进一步改善。这个伸长率要求与极限变形值0.165%相比放大了接近200倍，对比桥面正常运行下的300-400个微应变，这个技术要求应该是安全的。

4.2  RA05混合料的技术指标

因为在东北严寒地区应用的沥青路面并未因变形能力不足导致失败，故拟在东北地区使用的树脂沥青混合料RA05在变形方面的要求应有类似于改性沥青混合料在低温时的变形特性，由此构成闭合的逻辑推理关系。以沥青路面同样的马歇尔流值和小梁低温弯曲试验指标要求树脂沥青混合料RA05即可以保证其混合料所需的变形能力，见表5.3。

RA05混合料的强度至少应不小于辽河大桥成功应用的树脂沥青混合料，浙江嘉绍大桥和象山港大桥提出，RA05混合料在70℃的试验温度条件下，其混合料的马歇尔稳定度要求不小于40KN，在缺少精确力学分析的情况下，建议采用同样的技术要求，暂不宜降低。

RA胶结料的关键技术指标应从属于RA05混合料的特性。目前，按照上述RA05混合料性能要求研发的RA胶结料实测指标如表3.2，其相应的技术要求如表5.2。

在相关的试验研究还不能稳定地表述RA树脂沥青胶结料的性能与RA05混合料性能指标的相关关系时，ERS建议暂不修改。

5、研究结论

归纳上述分析，东北型ERS钢桥面铺装关键技术指标按表5.1-5.3的规定应是安全的。

表5.1   EBCL树脂沥青胶结料性能要求

表5.2  RA树脂沥青胶结料性能要求

表5.3  树脂沥青混合料RA05性能要求