一种钢桥面用混凝土铺装结构及其铺装方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种钢桥面用混凝土铺装结构及其铺装方法。

背景技术

桥面铺装层是直接在水泥混凝土或者钢桥面板上铺设的，钢桥面铺装结构需要能够承受来自车辆和桥梁自身的荷载，包括垂直荷载、横向力、纵向力等，另外，在气候环境和地质因素的综合作用下，其变形与受力远比公路路面复杂，因而对铺装材料的强度、稳定性、疲劳耐久性等都有更高的要求。

环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土性能优异，耐久性好，已作为钢桥面铺装的典型方案，但浇筑式沥青混凝土铺装时温度高达210～260℃，钢板易受热变形，对铺装材料的变形追从性能要求很高，比较容易出现裂缝。同时，使用自流性铺装的浇筑式沥青混凝土无法在坡度较大的钢桥面上铺装。环氧沥青混凝土施工难度较大，施工中对时间、温度要求十分严格，可直接影响到环氧沥青混凝土铺装的成败。且在开放交通的过程中，常规桥面铺装层在长期车载作用下，由于铺装层层间或铺装层与桥面板层间粘结力差、抗剪强度低等原因，会造成桥面出现层间推移、拥包、脱层等常见病害，由于混凝土强度不够，尤其是在夏季，桥面温度远高于路面温度，易加重车辙、推移等病害。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明提供一种钢桥面用混凝土铺装结构及其铺装方法，用以解决现有技术中现有钢桥面铺装方案中环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土难以在施工、强度、抗剪性和耐用等性能上进一步优化的缺陷，通过形成特定二阶固化环氧树脂层，并在其上形成由特定改性剂改性后的沥青混凝土层实现铺装结构的变形追从性显著提升，且整体铺装结构的强度及抗剪性提高，抗疲劳性能加强。

具体地，本发明提供一种钢桥面用混凝土铺装结构，包括：位于钢桥面板上的防腐层、位于防腐层上的二阶固化环氧树脂层和位于二阶固化环氧树脂层上的沥青混凝土层；

所述沥青混凝土层含有以石墨纳米片、SIS、UHMWPE、环氧树脂和环烷油为主要组分的改性剂。

如上所述，相较于常规公路，适用于钢桥面的铺装结构，往往面临更加复杂的载荷环境，且桥面气候复杂，特别是对温度更加敏感，现有钢桥面铺装方案中环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土难以在施工以及耐用性上进一步优化，本发明在试验中发现，通过形成特定二阶固化环氧树脂层，并在其上形成由特定改性剂改性后沥青混凝土层，具体地，是将形成二阶固化环氧树脂的A组分和B组分涂抹在防腐层上后，进行常温第一次固化，强度可以满足施工车辆的碾压，当沥青混合料摊铺在该第一次固化后的材料上时，在沥青混凝土自身的温度较高，一般在160℃左右，可以促进环氧树脂加速固化反应，同时在高温的作用下，环氧树脂软化，经过碾压混合料在粘结层中形成嵌挤结构，这样在发生第二次环氧树脂反应后，可以使形成的二阶固化环氧树脂层与沥青混凝土层之间连接紧密为一体，兼顾防水、防腐和粘结的作用，而且该铺装结构的变形追从性显著提升，整体铺装结构的强度及抗剪性提高，铺装结构的抗疲劳性能加强。

本发明中的石墨纳米片可以选择拉伸强度为5GPa，密度为1000kg/m

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述铺装结构由位于钢桥面板上的防腐层、位于防腐层上的二阶固化环氧树脂层和位于二阶固化环氧树脂层上4～6cm的的沥青混凝土层构成。

采用上述铺装结构，使得铺装层与钢板很好的形成一体，防水、防腐、抗剪、抗车辙性能突出，杜绝高温重载下桥面铺装常见的推移、拥抱、脱层及裂缝的等病害，大幅提高整体结构的抗疲劳性，尤其是铺装层为一体式施工，整体均匀，避免了多层施工带来的界面污染、工序复杂等问题，进一步保证了铺装结构的优异性能。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，二阶固化环氧树脂层的拉伸强度≥5.0MPa，断裂伸长率≥300％，粘结强度≥3.0MPa。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述二阶固化环氧树脂层的用量0.5～0.8kg/m

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，按重量份数计，所述改性剂中，石墨纳米片、SIS、UHMWPE、环氧树脂和环烷油的份数依次为：1～2份、30～40份、20～30份、15～20份和5～10份；

优选地，所述改性剂由石墨纳米片1～2份、SIS 30～40份、UHMWPE 20～30份、环氧树脂15～20份、KH550 1～2份、硬脂酸1～2份和环烷油5～10份组成。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述改性剂的制备方法为：先将石墨纳米片加入环烷油中分散混匀，再将其与SIS、UHMWPE和环氧树脂混合后在180～230℃下挤出造粒，其中，环氧树脂同时作为增容剂使用。

在试验中发现，当采用上述配方构成的改性剂时，UHMWPE和石墨纳米片在沥青混凝土中的分散性以及稳定性均十分优良，而且二者对钢桥面混凝土铺装结构在高温和低温状态下的应用性能均有显著得提升，而且石墨纳米片的润滑作用，也使得该层结构的压实度增加，铺装结构的强度增加，特别是其中环氧树脂，除了一般树脂的作用之外，还同时作为增容剂使用，且非常有利于增加沥青与石料的粘附性，并有助于使沥青混凝土层与二阶固化环氧树脂层形成一体。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述沥青混凝土层中改性剂的质量含量为0.5～1％，且所述沥青混凝土层的压实度为96％以上。本发明中的改性剂中含有石墨纳米片，沥青还可以插入石墨纳米片的层间，增加沥青混合料内部结构的黏聚力，增强沥青混合料的抗断裂性能，赋予混合料超高的强度及优异抗疲劳性能，且石墨烯具有优异的润滑作用，使沥青混合料获得更好的压实性能及和易性，减少沥青混合料的老化，延长路面的使用寿命。

优选地，所述沥青混凝土层由改性剂、沥青和矿料组成；按重量份数计，改性剂、沥青和矿料的份数依次为：0.5-1份、4-5份和94-95.5份。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述铺装结构由位于钢桥面板上的防腐层、位于防腐层上的二阶固化环氧树脂层和位于二阶固化环氧树脂层上4～6cm的沥青混凝土层、位于沥青混凝土层上的粘结层和和位于粘结层上4～6cm的高粘高弹SMA沥青混凝土层构成；

优选为，所述高粘高弹SMA沥青混凝土层中高粘高弹改性沥青的软化点≥90℃，5℃延度≥40cm，动力粘度≥20万Pa·s，弹性恢复≥95％，且级配为SMA-10或SMA-13。

所述高粘高弹SMA沥青混凝土层可以由高粘高弹改性沥青4～5重量份和矿料95～96重量份构成。

根据本发明提供的钢桥面混凝土铺装结构，所述粘结层由二阶固化环氧树脂或者水性高分子改性乳化沥青形成，优选用量为0.6～1.2kg/m

本发明还提供如上所述钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，包括：

形成防腐层；

形成二阶固化环氧树脂层；

形成沥青混凝土层。

本发明提供的一种钢桥面用混凝土铺装结构及其铺装方法，通过形成特定二阶固化环氧树脂层，并在其上形成由特定改性剂改性后沥青混凝土层，在摊铺该沥青混凝土时，加速环氧树脂反应，使形成的二阶固化环氧树脂层与沥青混凝土层之间连接紧密为一体，兼顾防水、防腐和粘结的作用，而且该铺装结构的变形追从性显著提升，整体铺装结构的强度及抗剪性提高，耐用性加强，特别适用于大跨径钢桥的桥面铺装。

另外，本发明的铺装材料施工简单，使用常规设备即可完成，对施工温度及时间没有特殊要求，且铺设后等到路面温度降下来后即可开放交通，无需长时间养生等，减少对交通出行的影响。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

其中，本发明中高粘高弹SMA沥青混凝土层中采用的高粘高弹改性沥青的软化点为105℃，5℃延度为55cm，动力粘度为129万Pa·s，弹性恢复为99％。

实施例1

一种钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，其步骤如下：

(1)对钢桥面进行喷砂除锈处理；

(2)在经喷砂除锈的钢桥面上喷涂环氧富锌漆作为防腐层，进行养生到干燥状态；

(3)在上述防腐层上喷用量为0.8kg/m

(4)在步骤(3)得到的层结构上铺设温度为160℃的沥青混凝土形成厚度为4cm的沥青混凝土层，摊铺碾压至压实度为98％，并等到路面温度降至60℃以下；其中，按重量份数计，沥青混凝土的组成为：改性剂1份，基质沥青5份，矿料94份，级配为AC-13，在改性剂中，按重量份数计，其组成为：石墨纳米片2份、SIS 40份、UHMWPE 30份、环氧树脂20份、KH550 2份、硬脂酸2份和环烷油10份，且改性剂的粒径为4mm以下。

(5)在上述沥青混凝土层上涂刷用量为0.6kg/m

(6)在上述粘结层上铺设厚度为4cm的高粘高弹SMA沥青混凝土层，摊铺碾压至压实度为98％，并等到路面温度降至50℃以下，即得所述铺装结构；其中，高粘高弹SMA沥青混凝土层的组成为：高粘高弹改性沥青5份和矿料95份，级配为SMA-13。

实施例2

一种钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，其步骤如下：

(1)与实施例1相同。

(2)与实施例1相同。

(3)与实施例1相同。

(4)与实施例1相同，不同之处仅在于：形成的沥青混凝土层的厚度为5cm，即得所述钢桥面混凝土铺装结构。

实施例3

一种钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤(4)：

(4)在上述防水粘结层上铺设温度为160℃的沥青混凝土形成厚度为4cm的沥青混凝土层，摊铺碾压至压实度为96％，并等到路面温度降至60℃以下；其中，按重量份数计，沥青混凝土的组成为：改性剂0.5份，基质沥青5份，矿料94.5份，级配为AC-13；改性剂与实施例1相同。

对比例1

一种钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：将实施例1改性剂中的环氧树脂替换为SIS-g-MA。

对比例2

一种钢桥面混凝土铺装结构的铺装方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：将实施例1中步骤(3)的二阶固化环氧树脂材料替换为常规环氧树脂，其中A组分为环氧树脂E44，B组分为聚酰胺650固化剂组合物，A组分与B组分的质量比为50:50。

对比例3

一种环氧沥青混凝土构成的铺装结构，由下至上组成如下：

防水粘结层：用量0.68kg/m

下面层：4cm EA-13环氧沥青混凝土。

粘结层：用量0.45kg/m

上面层：4cm SMA-13改性沥青混凝土。

对比例4

一种浇注式沥青混凝土的铺装结构，由下至上组成如下：

防腐层：丙烯酸防腐漆。

防水粘结层；用量2.5kg/m

下面层：4cm GA-10浇注式沥青混凝土。

粘结层；用量0.5kg/m

上面层：4cm SMA-13改性沥青混凝土。

将上述实施例1～3和对比例1～4中得到的铺装结构按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》、《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T3364-02-2019)成型试件、养护和进行性能测试，数据如下表1～2：

表1

表2

从上述数据可以看出：本发明铺装结构的60℃动稳定度(0.7MPa)为20000～27000次/mm，70℃动稳定度(1.0MPa)为12000～17000次/mm，疲劳寿命(1200με)为90～130万次，拉拔强度(23℃)为6～8MPa，拉拔强度(60℃)为4～6MPa，平米成本为250～280元/m

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。