（材料学专业论文）反应性树脂混合料性能研究及其在钢桥面铺装中的应用.pdf

摘要 正交异性钢桥面板的铺装问题是大跨径钢桥建设中的最复杂、最关键性的技 术问题之一，是一项世界性的技术难题。这是一项系统工程，涉及到力学分析、 材料特性、施工工艺等多方面的研究。国内虎门大桥、军山大桥、江阴长江大桥 等大跨径钢桥在重载交通情况下，桥面铺装的受力状态更为不利，对铺装材料的 基本强度、变形性能、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、粘接性、 抗滑性、抗疲劳开裂性以及施工工艺等提出了更高的要求。目前，解决重载交通 下大跨径钢桥面铺装的耐久性问题，主要从增加钢桥面系刚度和增加桥面铺装层 韧性两方面出发。 本文以重载交通大跨径钢桥面铺装为研究背景，从增加桥面铺装层柔韧性出 发。深刻学习和借鉴了国内外钢桥面铺装的优秀成果，结合江阴大桥钢桥面铺装 实体工程，前期进行原材料物理力学特性研究，通过室内试验、数值分析、实体 工程验证等手段，自主开发适用于重载交通大跨径钢桥面铺装的反应性树脂混合 料；其次，综合考虑铺装层路用性能，并结合工程实践中的实际使用效果及过去 的一些经验参数的基础上，参考s m a 的配合比设计思路及原理，提出了反应性树 脂混合料( 简称r r c ) 结合析漏试验、飞散试验，在此范围内参考马歇尔试验结 果，从而确定最佳结合料用量，给出推荐结合料用量范围的配合比设计方法；同 时通过与美国环氧沥青混合料e a 性能对比试验，重点研究了反应性树脂混合料 r r c 的高温稳定性、低温抗裂性、疲劳性能、抗老化性能等路用性能；最后参考 我国公路沥青路面施工技术规范相关技术要求，根据测定不同施工温度下的 反应性树脂结合料粘度增长曲线结果，结合当地气候情况，确定最佳的江阴长江 大桥钢桥面铺装反应性树脂混合料r r c 施工工艺，形成有我国自主知识产权的成 套技术，解决重载交通下钢桥面铺装的耐久性问题。 关键词：江阴长江大桥；反应性树脂混凝土；性能研究；应用研究 a b s t r a c t t h eo r t h o t r o p i cb r i d g ed e c kp a v e m e n to fl o n gs p a ns t e e lc o n s t r u c t i o ni st h em o s t c o m p l e xa n dc r i t i c a lt e c h n i c a li s s u e s ，i ti saw o r l d w i d et e c h n i c a lp r o b l e m s t h i si sa s y s t e m a t i cp r o j e c t ，r e l a t e dt om e c h a n i c a la n a l y s i s ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e sa n do t h e ra s p e c t so ft h es t u d y h e a v yt r a f f i cc o n d i t i o n sf o rl o n gs p a ns t e e l b r i d g ed e c kp a v e m e n tc o n d i t i o n so nt h e u s eo fo r t h o t r o p i cs t e e ld e c kp l a t es t r e s ss t a t ep u t f o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h eb a s i cs t r e n g t ho fp a v e m e n tm a t e r i a l s ，d e f o r m a t i o n ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，w a t e rs t a b i l i t y , h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yr e s i s t a n c e ，l o wt e m p e r a t u r e c r a c k i n gr e s i s t a n c e ，a d h e s i o n , s l i pr e s i s t a n c e ，a n dr e s i s t a n c et of a t i g u ec r a c k i n go ft h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s i nt h i sp a p e r , t a k eh e a v yt r a f f i co fs t e e lb r i d g ed e c kf o rt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ， l e a r na tt h eh o m ea n da b r o a ds t e e ld e c ko u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t sd e e p l y , c o m b i n e de n t i t y w o r k so fj i a n g y i nb r i d g es t e e lb r i d g ed e c k e a r l yp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l a wm a t 甜a l s ，d e v e l o p e df o rh e a v yt r a f f i ci nl a r g es p a ns t e e lb r i d g ed e c ko fm o d i f i e d e p o x yb i n d e ri nl a b o r a t o r yt e s t s ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，p h y s i c a lv e r i f i c a t i o na n do t h e r e n g i n e e r i n gt o o l s c o n s i d e r i n gp a v e m e n tr o a dp e r f o r m a n c e , c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n g p r a c t i c ei nt h ea c t u a lu s eo fe f f e c t sa n dp a s te x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c es m a m i xd e s i g n i d e a sa n d p r i n c i p l e s ，p r o p o s e da m o d i f i e de p o x yr e s i nm i x t u r em i xd e s i g nm e t h o d sr r c ， c o m b i n e da n a l y s i so fl e a kt e s t s ，f l y i n gt e s t ，r e f e r e do ft h em a r s h a l lt e s tr e s u l t st o d e t e r m i n et h eo p t i m u mb i n d e rc o n t e n ta n dr e c o m m e n d e dd o s a g er a n g eo fb i n d e rp a p e r ；a t t h es a m et i m ew i t ht h eu n i t e ds t a t e se p o x ya s p h a l te ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt e s t ， s t u d y0 1 1 t h er r cm o d i f i e de p o x yr e s i nm i x t u r eo fh i 【g ht e m p e r a t u l es t a b i l i t y , l o w t e m p e r a t u r ec r a c k i n gt y p e ，f a t i g u ep r o p e r t i e s ，r e s i s t a n c et oa g i n ga n do t h e rr o a d p e r f o r m a n c e ；r e f e r e n c et o ”a s p h a l tp a v e m e n tt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ”r e l e v a n tt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s，a c c o r d i n g t ot h em e a s u r e dt e m p e r a t u r e si nd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o no f m o d i f i e de p o x yb i n d e rv i s c o s i t yg r o w t hc b r v er e s u l t s ，c o m b i n a t i n go fl o c a lc l i m a t e c o n d i t i o n s ，d e t e r m i n e dt h eb e s tm i x t u r eo fe p o x yr e s i nm o d i f i e dr r cj i a n g y i ny a n g t z e r i v e rb r i d g ed e c kp a v e m e n tt e c h n o l o g y , f o r m e dac o m p l e t es e to ft e c h n o l o g y i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si nc h i n a ，s o l v eh e a v yt r a f f i cd u r a b i l i t yo fs t e e l b r i d g ed e c kp r o b l e m s k e yw o r d s ：j i a n g y i ny a n g t z er i v e rb r i d g e ；m o d i f i c a t i o no fe p o x yr e s i nc o n c r e t e ； d e v e l o p ；p e r f o r m a n c es t u d i e s ；a p p l i e dr e s e a r c h 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袒 日期：劲9 年6 月乒日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：关移馒 日期：z 吖d 年多月争日 指导教师签 日期：力扣 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名私 日期：2 0 o 年6 月矽日 指导教师签 日期：乃f o 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 钢桥面铺装技术概要 随着我国交通事业的发展，越来越多的大跨径钢桥相继建成，大跨径钢桥采 用纵横加劲梁的正交异性钢板体系作为桥面系结构，因其具有自重轻、箱梁侧向 抗风能力强的优点，在现代桥梁建设特别是大跨径桥梁建设中被广泛采用u 。同 时这也对桥面铺装层的性能提出了更高的要求，正交异性板桥面系刚度偏低，桥 粱振动幅度变形较大，铺装承受振动荷载作用而性能更易于衰减。通常大跨径桥 梁地跨大江、大河地域，地区昼夜温差较大、湿度大、气候冬夏温悬殊，钢箱梁 具有良好的温度传导性，易受外界温度变化的影响。冬季极端最低气温可达一1 0 以下、大跨径钢桥多为封闭式钢箱梁结构在夏天高温季节钢箱梁顶面的钢板实 测温度有时可达7 0 、铺装层储热效应明显，同时尤其在我国钢桥面铺装使用 条件更加恶劣，重载、超载现象严重，我国的钢桥面铺装面临着严峻的考验，最 早使用于正交异性板钢桥面铺装中，是普通的密级配沥青混凝土，由于使用条件 严酷，特别是随着交通荷载的增加，产生了大量的破坏，主要破坏形式为车辙、 纵横向开裂、推拥、脱层、坑槽等。因此，钢桥面铺装问题的研究也越来越引起 工程技术人员的重视，尤其是重载交通钢桥面铺装技术被称之为“世界难题”。 随着各种聚合物改性沥青技术的出现，对于钢桥面铺装技术的发展起到了重 大的推动作用。最早使用天然橡胶，发展到丁苯橡胶、氯丁橡胶等合成橡胶改性， 热塑性弹性体( s b s 、s i s 等) 的改性，以及采用热固化性树脂改性( 如环氧改性 沥青) 。这些改性沥青用于密级配沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土及s m a ( 断级 配密实型沥青混凝土) ，大幅度提高了沥青混凝土的抗车辙、抗开裂性能，也相 应地使得钢桥面铺装的使用性能和耐久性得以提高。同时，在对钢桥面铺装使用 条件充分认识和把握的基础上，进一步解决了桥面防腐、桥面板与铺装间的粘接 过渡、防排水体系等问题，逐渐形成了不同体系的钢桥面铺装成套技术。在此期 间也产生了应用于开启桥甚至大跨径桥梁中的超薄层( 1 c m 左右) 铺装技术( 以 反应性树脂材料为主) “。 从铺装材料和施工方法角度来分，目前世界上主要采用的桥面铺装方案有4 类：以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s sa s p h a l t ) 方案； 以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土( m a s t i ca s p h a l t ) 方案( 实际上也是浇注式 沥青混凝土，只是铺装厚度和工艺与日本有所不同) ；德国和日本等国近期采 2 第一章绪论 用的改性沥青s m a 方案( s t o n e - m a s t i ca s p h a l t ) ；以美国为代表的环氧树脂 沥青( e p o x ya s p h a l t ) 混凝土方案。 其中环氧沥青混凝土以其强度高、高温时抗塑流和永久变形能力强，低温抗 裂性能好、较好地抗疲劳性能以及较高地抵抗化学物质侵蚀的能力，目前国内外 环氧沥青仅在发达地区桥梁( 国内如上海、南京、天津等地大桥) 建设中有应用， 但反应性树脂在其中只是对沥青起改性作用，不是主要材料。从国内外己建环氧沥 青混凝土钢桥面铺装使用情况来看，成功的例子和失败的例子都有。但尤其是对 于重载交通情况的大跨径钢桥桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求， 特别是对铺装层抗疲劳性能、抗剪切性能、弹性变形及变形协调性等均有更高的 要求，美国环氧沥青混合料弹性变形及变形协调能力仍然不能满足特殊的大跨径 钢桥桥面铺装苛刻的使用条件要求，产出疲劳破坏。 综上所述，不同的国家和地区都有适用于自己使用条件的桥面铺装体系，每 一种铺装都自成体系，也基本形成了自身的技术指标体系。这也不只反映了现代 材料科学发展的多样性成果，也确实要求我们在借鉴别国成功经验的同时，必须 结合本国本地区的气候特点、桥梁结构特点、交通荷载特点及地方原材料特点， 进一步加以研究解决我国重载交通大跨径钢桥面铺装这一技术难题。 1 1 2 钢桥面铺装材料的基本性能要求 钢桥面铺装材料的基本性能要求，首先表现于桥面铺装需具有优良的使用性 能及确保优良使用性能的耐久性所必须的铺装结构稳定性。铺装结构的稳定性主 要反映在铺装对使用条件的适应性( 对变形的适应性、对温度的稳定性等等) 。 反过来说，铺装问题的解决也必须针对钢桥面铺装的不同使用条件进行研究。因 此，钢桥面铺装材料的基本性能要求主要有n 。： 优良的使用性能，包括安全性和行车舒适性 铺装的目的是为车辆行驶提供平台，因此，从使用功能的角度要求铺装必须 平整、行车舒适，要求铺装表面粗糙抗滑、行车安全。 优良的防水性能，保护桥面板 由于钢板暴露在空气中易生锈的特点，桥面铺装的功能中必须充分注意对钢 板的防水保护，确保桥梁结构的耐久性。 优良的抗疲劳开裂性能 由于正交异性板桥面系在行车荷载下会产生各种复杂变形，特别是在纵横加 劲梁部位产生的反复拉、压应变，在行车轮迹下更易于产生纵横向开裂，因此， 要求铺装具有优良的抗疲劳开裂性能。 优良的抗车辙性能 第章绪论 3 由于钢板吸热和传热快，在高温下，钢桥面板的温度较高，使钢桥面铺装比 沥青路面或水泥混凝土桥梁桥面铺装处于温度更高的使用状态。因此，要求铺装 层有更优良的热稳定性，以抵抗车辙、推拥等病害的产生。 对桥面变形有良好的追从性 随着气温的降低，铺装材料会变硬，变形能力也会下降，而桥面钢板变形能 力不受低温影响仍会产生变形从而产生变形不协调，因此要求铺装材料在低温下 有良好的柔韧性，对钢板变形有良好的变形追从性。 优良的抗老化能力 要求铺装层材料在施工和使用过程中有优良的抗老化能力。 优良的抗水损害能力 水的侵蚀和损害将使铺装层的各种性能快速下降，要求各铺装材料均具有优 良的抗水损害能力和密水性。 1 2 树脂混凝土国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 世界各国对树脂混凝土的研究于1 9 5 0 年开始，无论基础研究还是应用研究均 取得显著进展。发展较快的国家是日本、德国和前苏联，各国所采用的树脂品种 不尽相同。目前最常用的胶结材料有环氧树脂、不饱和聚醋树脂、吠喃树脂、脉 醛树脂及甲基丙烯酸甲醋单体、苯乙烯单体等。其中德国使用较多的是甲基丙烯 酸甲醋；日本以不饱和聚酷树脂为主；前苏联侧重于尿素树脂、脉醛和吠喃树脂； 美国着重于乙烯类树脂、反应性树脂；而英国以反应性树脂为主。在这个领域中， 德国除进行大量研究工作外，几乎全部机械设备的设计是由德国进行的h 。反应 性树脂混凝土是纯聚合物混凝土的一种。美国2 0 世纪5 0 年代就开始了纯聚合物 混凝土商业应用；7 0 年代中期，纯聚合物混凝土用于修复波特兰水泥混凝土构件， 主要是公路和桥梁构件；7 0 年代和8 0 年代，美国的许多政府部门都资助聚合物 混凝土的研究，至今市场上已有众多的纯聚合物混凝土预制构件，包括管件、地 面排水构件、各种大小的窨井及窨井盖、公路中央隔离栅及路缘石、电器构件、 机床基础等凹。 1 2 2 国内研究概况 在我国，对反应性树脂混凝土的研究还处于起步阶段，目前国内反应性树脂 混凝土复合材料的研究几个主要发展方向： 4 第一章绪论 反应性树脂混凝土的级配研究。如对不同设计强度要求下的基本组分级配 研究，树脂混凝土中添加矿质集料的研究，骨料粒度分布研究等。 反应性树脂混凝土性能的研究。对在不同因素影响下的反应性树脂混凝土 收缩性、耐火性、耐化学腐蚀性、抗冻性、阻尼性能等各项性能的研究。 反应性树脂混凝土应用于结构加固研究。反应性树脂混凝土应用于结构的 改造、修复因承载力不足或结构物破坏后的加固补强研究。 反应性树脂材料及反应性树脂混凝土经济性研究 2 0 0 5 年9 月1 5 日，我国首条用环氧树脂材料铺设的彩色道路在上海建成投 用，表明我国新型道路材料试验初战告捷。反应性树脂材料铺设道路，此前在国 内仅有少数零星小幅地块应用，主要是在上海等地的公园中。正式铺设车道供发挥 交通作用，这是首次。反应性树脂作为性能极为优异的材料，在我国曾较早用于室 内地坪，但在反应性树脂材料室外道路的应用中，却落后于国外。目前国内环氧沥 青仅在发达地区桥梁( 如上海、南京、天津等地大桥) 建设中有应用，但环氧树脂在 其中只是对沥青起改性作用，不是主要材料。 纵观国内外对反应性树脂路面目前的研究成果和运用情况，大多数是利用了 这种材料带来的强度高、耐久性好两大优越性能，但我们从工程实例的运用当中 可以发现，现有的传统反应性树脂混凝土柔韧性、变形协调能力较差，不能满足 重载交通情况下大跨径钢桥桥面铺装恶劣的使用条件。 国内外到目前为止还未专门针对大跨径钢桥面铺装反应性树脂混合料进行全 面系统的研究，只是国内部分高校和研究所先后在收集国外资料的基础上做了一 些尝试性工作，工程应用很少，尚没有对反应性树脂混合料设计、施工和质量评 价建立规范和标准。 1 3 立题的背景和意义 1 3 1 研究的背景 在我国现代化建设进程中，交通运输事业起到了先导作用，其本身也得到了 蓬勃发展。近十几年来，国家建设了许多大跨径桥梁。由于正交异性钢桥面板具 有构件质量轻、运输和架设方便、施工周期短等特点，因此，大跨径的悬索桥、 斜拉桥几乎都采用正交异性钢桥板面板和沥青混合料铺装体系作为桥面系。目前 已建的虎门大桥、重庆长江鹅公岩大桥、重庆菜园坝长江大桥、汕头磐石大桥， 厦门海沧大桥，江阴长江大桥、安庆长江大桥、南京长江二桥南汊斜拉钢桥以及 润扬长江大桥等均采用了正交异性钢桥面板。 第一章绪论 5 但是，正交异性钢桥面板的铺装问题是大跨径钢桥建设中的最复杂、最关键 性的技术问题之一，是一项世界性的技术难题。这是一项系统工程，涉及到力学 分析、材料特性、施工工艺等多方面的研究，对正交异性板钢桥面的受力状态、 铺装材料的基本强度、变形性能、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、 粘接性、抗滑性、施工工艺等要求很高。我国幅员辽阔，南北自然条件相差悬殊， 对钢桥面铺装技术的要求更严，难度更大。 从钢桥面铺装结构角度来分，目前我国主要有以下几种型式：下层浇注式 沥青混凝土，上层沥青玛碲脂碎石s m a ，如图1 1 所示；上下层分别采用不同 粒径规格的s m a ，如图1 2 所示；环氧沥青混凝土，如图1 3 所示；单层或 双层浇注式沥青混凝土( 厚度4 - - - , 7 c m ) ，如图1 4 所示。 4 - +十+ +4 -+ 4 - +4 +4-+4-+4-+e +4-4-4 -+4 e n nn nn + r t 、r 、 i 汐?。夕7 铺装上层：改性s m a 粘层：改性乳化沥青 铺装下层：g a 防水粘结层 钢桥：喷砂除锈 图1 1s 撇+ g 铺装结构 f i g u r e1 1s m a 4 - g a p a v i n g 铺装上层：e a 粘层：环氧改性沥青粘层 铺装下层：e 防水粘结层：环氧改性沥青粘层 防绣漆：环氧富辞漆 钢桥：喷砂除锈 图1 3e a + e a 铺装结构 f i g u r e1 3e a + e ap a v i n g 铺装上层：改性沥青s m a 铺装下层：改性沥青s m a 图1 2s m a + s m a 铺装结构 f i g u r e1 2 s m a4 - s m ap a v i n g - 4 4 - 一千+ + + 。- 4 +4-4- + + + + 鲁 + +_ t p + t，+ 一士nt 膏， 7 。l 。7 - 。 铺装上层：g ( 撒浅色碎石) 铺装下层：g a 防水粘结层 钢桥：喷砂除锈 图1 4q a + 6 a 铺装结构 f i g u r e1 4g a + g ap a v i n g 6 第一章绪论 目前我国主要应用的四种钢桥面铺装传统方案，在有重载交通的大跨径钢桥 面铺装工程中应用，耐久性都不能得到保证；根据目前使用情况，山东胜利黄河 大桥浇注式沥青混凝土+ s m a 铺装结构约使用2 , - - , 3 年在铺装表面就产生重车道轮 迹下的纵向裂缝；双层s m a 铺装也是一样；完全使用英国技术( m a s t i c a s p h a l t ) 的桥面铺装也产生了车辙和开裂；环氧改性沥青虽然具有优良的力学性能，但环 氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，施工中对时间和温度要求十分严格，施工控 制是保证成功的关键。因此对于采用环氧沥青混凝土作为大跨径钢桥桥面铺装材 料，由于不可避免的因素，必然会导致使用期的病害，造成工程质量事故。例如 在江阴大桥桥面铺装修复工程中采用环氧沥青混合料作用铺装材料，由于施工控 制原因产生坑槽破坏以及由于江阴大桥桥面系整体刚度小，在风载、行车荷载等 共同作用下扰度大，环氧沥青铺装层仍不能满足更高的抗疲劳性能、抗剪切性能、 弹性变形及变形协调性要求，产生了纵向疲劳裂缝。 可以看出对于重载交通情况的大跨径钢桥桥面铺装的使用条件、施工工艺、 质量控制与要求，特别是对铺装层抗疲劳性能、抗剪切性能、弹性变形及变形协 调性等均有更高的要求，环氧沥青混合料弹性变形及变形协调能力仍然不能满足 特殊的大跨径钢桥桥面铺装苛刻的使用条件要求，产出疲劳破坏。在交通量迅猛 增长特别是重载交通荷载条件下，如何延长钢桥面铺装的使用寿命，减少桥面铺 装的维修是我们亟待解决的现实问题。 那么开发研制一种配制和施工工艺简单、对时间和温度要求不很严格、施工 难度小、工程质量便于控制、节能环保，同时又具有强度高、高温时抗塑流和永 久变形能力强，低温抗裂性能很好、极好地抗疲劳性能以及较高地抵抗化学物质 侵蚀能力的钢桥面铺装新材料显得十分重要。 1 3 2 研究的意义 纵观国内外对反应性树脂路面目前的研究成果和运用情况，大多数是利用了 这种材料带来的强度高、耐久性好两大优越性能，但我们从工程实例的运用当中 可以发现，现有的传统反应性树脂路面存在不足。： 传统反应性树脂固化物是一种高度交联的网状结构，这决定了反应性树脂 固化物具有高强度的力学性能，这同时也决定了传统反应性树脂固化物具有较差 的韧性，在低温下，反应性树脂固化物脆性更大，这影响了反应性树脂混凝土路 面的低温抗开裂性能： 传统反应性树脂混凝土抗弯拉强度较低，耐疲劳性能较差，使用寿命较短； 传统反应性树脂混凝土强度高、刚度大，粘韧性差，在钢桥面铺装中与钢 桥面变形协调性差； 第一章绪论 7 传统反应性树脂混凝土耐候性差，不能抵抗大跨径钢桥面铺装中恶劣的环 境老化致使强度、疲劳性能下降而导致铺装层破坏。 虽然很多国家和地区都在对提高反应性树脂路面的低温韧性、耐疲劳性、耐 候性、变形协调能力做出努力研究，比如混合料里添加增粘增韧剂、掺入高性能 纤维稳定剂等提高粘韧度；对反应性树脂改性，改善耐候性。这些都多少提高了 树脂路面的整体使用性能，但是都没有从根本上改善这种材料的先天性问题，特 别是，国内外到目前为止还未专门针对大跨径钢桥面铺装反应性树脂混合料进行 全面系统的研究，只是国内部分高校和研究所先后在收集国外资料的基础上做了 一些尝试性工作，工程应用很少，尚没有对反应性树脂混合料设计、施工和质量 评价建立规范和标准。影响了反应性树脂铺装材料在大跨径钢桥面铺装中的推广 应用。 不同的国家和地区都有适用于自己使用条件的桥面铺装体系，每一种铺装都 自成体系，也基本形成了自身的技术指标体系。这也不只反映了现代材料科学发 展的多样性成果，也确实要求我们在借鉴别国成功经验的同时，必须结合本国本 地区的气候特点、桥梁结构特点、交通荷载特点及地方原材料特点，进一步加以 研究解决钢桥面铺装这一技术难题。在我国重载交通下大跨径钢桥面铺装耐久性 问题，已经不是单单借鉴国外已有传统技术就可以解决的，我们必须自主开发新 的铺装材料，研究新的铺装结构，其性能应超过现有桥面铺装，以形成有我国自 主知识产权的成套技术，解决重载交通下钢桥面铺装的耐久性问题，具有重大的 工程实际意义。本研究正是在这样的背景下展开工作的。 1 4 主要研究内容 本课题主要包括以下研究内容： 反应性树脂胶结料技术指标的确定； 提出反应性树脂混合料配合比设计方法； 反应性树脂混合料钢桥面铺装性能研究及其技术指标的确定； 反应性树脂混合料钢桥面铺装施工工艺研究。 1 5 主要研究目标 本课题研究主要结合江阴大桥钢桥面铺装实体工程，进行前期原材料物理力 学特性研究，通过室内试验、数值分析、实体工程验证等手段，对反应性树脂混 合料进行研究。拟取得以下成果： 8 第一章绪论 提出适合我国钢桥面铺装使用条件的反应性树脂混合料的配合比设计方 法及材料技术性能指标； 提出反应性树脂混合料的施工技术指标； 提出一套反应性树脂混合料施工工艺。 通过该项目系统研究，可为重载交通钢桥面铺装等特殊路段，开发出一种高 强度、耐疲劳且具有较好的柔韧性、弹性变形能力强、抗低温开裂性能好的钢桥 面铺装材料。这种混合料耐久性相比国内外现有的技术大幅提高，其使用寿命预 期可达1 2 1 5 年，长期效益显著。研制出的反应性树脂混合料，预期成果将是国 内第一、世界领先，在国内乃至全世界都将得到推广和运用。因此，本课题研究 将产生巨大的经济效益和社会效益! 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 9 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 2 1 江阴大桥铺装层使用条件 2 1 1 交通条件 由于各国公路设计承载标准以及历史沿革的不同，故对汽车轴载的规定有较 大差异。不过，国外对超载的限制较为严格，一些发达国家的经验认为，限载 是非常必要的，能有效地提高道路的使用寿命w 。因此，很多国家通过行政立法 来干预交通运输，这使得超限运输在国外非常少见w 。而在我国，重载、超载现 象较为普遍，超限运输也引起了一些专家学者的重视，由交通条件引起的江阴长 江大桥钢桥面铺装破坏主要原因是以下两点： 超载与慢车速 由江阴大桥重车轴载与胎压调查结果可知，除三轴汽车外，其余各种载重汽 车的平均轴重均大于8 0 k n ，平均轮胎压力均在0 9 7 m p a 以上；单轴最重的为四 轴汽车，最大值为2 5 5 l ( n ；各超载车辆的最大轮胎压力均达到1 3 8 m p a ，几乎接 近飞机轮胎压力。就江阴大桥而言，靖江江阴方向( 西半幅) 的交通量及载 重汽车的比例大于江阴靖江方向，并且江阴大桥北引桥及引道坡度为3 ，且 纵坡长度( 至主梁跨中) 接近3 0 0 0 m ，远大于南引桥，而夏季实测江阴大桥西半 幅行车道的铺装温度比东半幅行车道的铺装温度高，而慢车道铺装温度高于行车 道及超车道，大桥北段的铺装温度高于中段及南段的铺装温度。所以这也是导致 江阴大桥西半幅慢车道与行车道的铺装破坏状况相对严重的原因。 大交通及交通量实际增长过快 我国的大跨径钢箱梁桥通常都位于跨江或跨海的交通要道上，并且往往与多 条高速公路相连接，因此过桥的交通量相当大。大交通是造成沥青路面早期破坏 的主要原因之一，对于钢桥面铺装更是如此。由所收集到的江阴大桥交通量资料 可见，各种车型的实际年交通增长率均在1 0 9 6 以上，而载重量在1 0 - - 2 0 吨的重 车的增长率更超过3 0 ，远大于1 0 设计交通增长率，过快增长的重交通必然造 成钢桥面铺装的设计使用年限大大缩短。 本课题的研究是建立在江阴长江大桥钢桥面铺装的基础上。有资料分析表明 大交通、超载与低速行驶是导致江阴大桥钢桥面铺装病害的主要外因，而铺装层 材料的高温稳定性与疲劳性能及其与钢桥面板的粘结性能不足以及钢箱梁顶板较 薄也是其迅速破坏的重要原因。 1 0 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 2 1 2 气候条件 欧洲位于北纬3 8 - 6 8 。，气候终年均衡，年温差最南端为1 0 ，最北端为2 5 左右。我国比欧洲南移了2 0 。，但气温年较差从南方的1 5 ( 2 变化到北方的4 5 。由于地形构造与气象规律的特殊性，与世界同纬度地区相比，我国显著的特 点是夏季炎热，冬季寒冷，年温差大n o 1 。表2 1 为世界几座大跨径钢桥的 地理位置与气象特征。从表2 1 可以看出润扬大桥和江阴大桥所处的位置是较为 不利。 表2 1 部分钢箱梁悬索桥地理位置与气象特征 t a b l e2 1p a r to ft h es t e e lb o xg i r d e rb r i d g eg e o g r a p h i c a la n dm e t e o r o l o g i c a lf e a t u r e s 国家桥名纬度经度全年最高月均气温 中国润扬大桥南汊桥 3 2 2 。n1 1 9 4 。e3 2 丹麦小贝尔特大桥 5 7 。n1 2 。e1 7 英国赛尔文桥 5 1 。n3 。w 2 3 土耳其伊斯坦布尔大桥 4 2 。n 2 9 。e2 8 中国江阴长江大桥3 2 0 n1 1 9 。e3 2 2 2r r o 铺装层配合比设计思路 结合江阴大桥钢桥面铺装层的使用条件，对铺装层的各项路用性能提出较高 的要求，特别是对高温性能、抗疲劳性能要求更高。因此综合考虑铺装层路用性 能，并结合工程实践中的实际使用效果及过去的一些经验参数的基础上提出在进 行反应性树脂混合料配合比设计时，参考s m a 的配合比设计思路及原理进行。 s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 是在德国浇注式沥青混凝土基础上，进一步增大 碎石用量，从而形成粗骨料间良好嵌挤的骨架密实型结构，这就保证s m a 沥青混 合料具有优良的抗车辙性能和防水性能。高的沥青用量，厚的沥青膜使得s m a 混 合料的耐久性、低温抗裂性和抗疲劳特性都得到了明显的改善。s m a 混凝土表面 粗糙，摩擦系数大，作为桥面铺装上面层使用时，行车安全性较好。 反应性树脂混合料r r c 是在s m a 混合料良好粗集料嵌挤的骨架密实型结构级 配的理论基础下，参考s m a 混合料配合比设计方法，应用反应性树脂作为结合料， 设计满足重载交通大跨径钢桥面铺装性能的r r c 混合料。 反应性树脂r r c 混合料配合比设计思路为： 分析江阴长江大桥的气候特点和交通量，并结合类似项目的经验，确定江 阴长江大桥试验段铺装原材料的性能指标要求； 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 1 1 参考s m a 混合料配合比设计方法，对r r c 混合料进行目标配合比设计，在 s v i a 混合料级配范围内进行优化，确定出满足r r c 混合料各项性能技术要求的级 配。在保证混合料各项设计指标满足要求的同时，尽可能的增加结合料用量，减 小混合料空隙率，改善混合料的变形性能和抗老化性能，确认r r c 的最佳胶石比， 给出推荐胶石比范围。 2 3 反应性树脂r r c 混合料目标空隙率的确定 因钢桥面铺装层厚度受到限制，同时考虑到用于面层需要降低空隙率，所以 采用反应性树脂混合料r r c - i o 作为江阴长江大桥钢桥面铺装维修工程铺装上面 层，综合考虑钢桥面铺装层路用性能，以及反应性树脂混合料r r c 为热固性材料， 其固化反应为不可逆反应，形成初始强度后，反应性树脂结合料不会因温度升高 而变软析出的材料特点，在进行反应性树脂混合料r r c - i o 配合比设计时，应尽可 能的增加结合料用量，改善混合料的变形性能。同时考虑到作为铺装上面层防水、 抗剥落、抗老化等因素，本课题确定r r c - i o 混合料的目标空隙率为2 5 。 2 4 反应性树脂r r c 混合料配合比设计 2 4 1 原材料 集料 集料采用耐磨的玄武岩破碎，粗集料、细集料技术指标见表2 2 、表2 3 ，集 料分级规格见表2 4 ，其它指标应满足公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 - 2 0 0 4 ) 中相应的要求。本项目要求试验段铺装采用江苏镇江茅迪实业有限公 司生产的钢桥面专用玄武岩碎石。 表2 2 粗集料技术性能指标 t a b l e2 2c o a r s ea g g r e g a t et e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s 试验项目要求试验方法 针片状颗粒含量， 1 5 j t ge 4 2 _ 。2 0 0 5t 0 31 2 洛杉矶磨耗损失， 2 8 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 317 压碎值， 2 6 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 31 6 吸水率， 2 0 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 0 4 坚固性， 1 2 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 31 4 粘附性，级 5 j t j0 5 2 2 0 0 01 0 6 1 6 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 表2 3 细集料技术性能指标 t a b l e2 3f i n ea g g r e g a t et e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s 试验项目要求试验方法 表观相对密度 2 5 0 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 2 8 坚固性( 0 3 m m 部分) ， 1 2 0 j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 4 0 含泥量( 1 6 等条件的基础上确定级配，当 有1 组以上的级配同时符合要求时，以粗集料骨架分界集料通过率大且v m a 较大 的级配为初选级配。马歇尔试验测试结果见表2 1 6 。 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 1 7 表2 1 5r r c - i o 初选级配组成 t a b l e2 1 5r r c 1 0p r i m a r yg r a d a t i o n 集料通过下列筛孔重量百分比( ) 初选级配 1 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 r r c - 1 0 a 1 0 09 2 74 4 62 9 22 3 21 7 61 4 71 2 21 0 3 r r c - 1 0 b i 0 09 1 93 9 72 6 o2 1 o1 6 51 4 o1 1 81 0 o r r c - 1 0 c i 0 09 1 33 5 62 3 21 9 11 5 51 3 51 1 59 8 推荐级配范围 1 0 09 0 1 0 02 8 6 02 0 3 21 4 2 61 2 2 21 0 b 1 89 1 68 1 3 表2 1 6r r c - i o 沥青混合料体积参数 t a b l e2 16r r c - 1 0a s p h a l tm i x t u r ep a r a m e t e r s 级配油石比 2 3 6 m m 理论密度毛氏密度 v v纷翻 v f a 编号( )通过率( ) ( g c m 3 )( g c m 3 ) ( )( )( ) r r c - 1 0 a 6 42 9 2 2 5 7 12 5 2 81 6 61 9 2 9 1 3 r r c 一1 0 b6 42 6 o2 5 7 32 5 2 21 9 81 9 58 9 8 r r c - 1 0 c6 42 3 22 5 7 62 5 1 42 4 01 9 78 7 8 技术指标 2 51 6 o8 0 注：反应性树脂混合料r r c 的密度为表干法测定的试件毛体积相对密度；考虑到矿料对 反应性树脂胶结料的吸收特点，采用反应性树脂“浸渍法”实测r r c 混合料最大理论相对密 度。 说明：反应性树脂浸渍法实测r r c 混合料最大理论相对密度 试验用具：钢勺、反应性树脂混合料容器( 碗、盆等均可) 、水中重法全套仪器、 烘箱。 试验步骤： 称量钢勺加1 。碗的质量m ，及水中质量m ：；称量用来测定反应性树脂密度的2 。 碗的质量m 6 及水中质量m 7 。 将5 0 0 - - 一，1 0 0 0 9 反应性树脂混合料r r c 装人放钢勺的1 4 碗中，准确称量钢勺加 1 。碗加混合料的总质量m 。 将装有钢勺及混合料的1 4 碗养生1 5 m i n ；同时将相同的反应性树脂( 约3 k g ) 一同养生。 1 5 m i n 后取出反应性树脂搅拌，取出装有钢勺及混合料的1 。碗，将大量反应 性树脂同时倒人1 。、2 。碗中，l 。碗用钢勺搅拌3 m i n ，排出气泡，2 4 碗不用搅拌。然 后将1 。、2 。碗放人温度为2 0 c 3 0 的烘箱中，每隔5 m i n 搅拌1 次，共搅拌2 次，每 1 8 第二章反应性树脂混合料r r c 配合比设计 次搅拌l m i n ，在烘箱中放l o m i n 观察，如表面无气泡，即可将l 。、2 。碗取出在室温 下放置1 2 , - 2 4 h 。 称量装有钢勺、反应性树脂及混合料的1 4 碗的总质量m 。及水中质量m 5 。 称量装有沥青的2 。碗的总质量m 。及水中质量m 9 。 按式( 2 1 ) 计算反应性树脂混合料最大理论相对密度以， y f2 厂42 m 3 一m 1 m 4 一m5 一( m l m2 ) 一( m 4 一m3 ) r a 式( 2 1 ) m 8 一m 6 m 8 一m9 一( m6 一m7 ) 式中：y 。反应性树脂相对密度 江