聚氨酯混合料在正交异性钢桥面铺装中的发展与应用

桥面铺装是将铺装层直接铺设在桥面板上，承受车辆的直接作用，分散车辆荷载，为车辆行驶提供足够的摩擦力，并为桥面板起到保护作用的功能层[1]。桥面铺装可以根据桥梁形式的不同，分为钢结构桥梁桥面铺装和混凝土桥梁桥面铺装。其中混凝土结构桥梁刚度较大，铺装层近似于铺设在刚性基础上，与普通道路铺装类似，目前已有充足的技术储备和完善的工程应用[2]。而钢结构桥梁则由于桥面板刚度较小，且多采用正交异性钢桥面板，其结构支撑复杂，在车辆作用、温度变化、风致振动、地震荷载等多因素作用下，桥面板的整体变形和局部变形较大，对铺装层的受力影响巨大，与铺设在刚性基础上的铺装层差异巨大。从广东省肇庆市四会县马房镇的北江大桥开始[3]，中国对钢桥面铺装的研究正式开始，但即使经过数十年的发展研究，目前也尚未得到一个十分完善、可靠且经济效益优异的钢桥面铺装方案和技术。而由于大跨径桥梁多为钢结构，且桥面铺装是桥梁建设的最重要组成部分之一，因此，工程界普遍都认为，钢桥面铺装技术是大跨径桥梁建设的三大关键技术之一[4]。

1、钢桥面铺装的特点

近些年，钢结构桥梁在我国的发展十分迅速，交通运输部在2016年发布了《关于推进公路钢结构桥梁的建设的指导意见》，要求充分发挥钢桥性能优势，促进公路建设转型升级，推动我国钢桥的建设和发展。这也符合现阶段促进环保的基本要求。但对于钢结构桥梁不可或缺的桥面铺装而言，却一直存在较大的问题。由于正交异性钢桥面板具有良好的力学行为，因此，目前绝大多数钢结构桥梁都采用了正交异性钢桥面板，钢桥面铺装大多数都是铺设在正交异性钢桥面板上。而由于加劲肋、腹板、横隔板等结构的存在，使得正交异性钢桥面板会在车辆荷载等多因素耦合作用下，产生较为明显的负弯矩区和应力集中，会对相应的铺装层产生较为复杂的内力，极易导致铺装层产生开裂、脱层等病害。此外，钢材的导热系数较大，钢结构桥梁对温度的敏感性较大。对于常见的钢箱梁等闭口型钢结构桥梁，在夏季，长期高温日照的作用下，箱梁内空气对流困难，内部温度极高，可达60℃～70℃，导致铺装层尤其是粘结层处在长期高温和重载多重耦合作用的严峻工作环境中，对铺装层的高温稳定性和粘结层的耐久性均提出了严峻的考验；在冬季，铺装层的工作温度也会大大低于环境温度，极易发生低温开裂等病害。因此，性能优异的钢桥铺装结构，既要有足够的材料强度、抗变形能力，更要满足大温度区间下的工作稳定性和耐久性，即高温稳定性和低温抗裂性，还要使铺装层和钢板之间的粘结层有足够的耐久性和粘结性，保持钢板和铺装层的协同工作。可以发现，相对于道路铺装和混凝土桥梁铺装，钢桥面铺装具有以下特点[5]：（1）大跨径钢结构桥梁多建设在交通咽喉要道上，交通压力巨大，尤其是重载车辆对钢结构桥梁的作用影响巨大。（2）铺装层多铺设在正交异性钢桥面板上，由于支撑结构复杂，桥面铺装层的受力也极其复杂多样。（3）此类桥梁多建设在跨江河、峡谷等地，风场、温度、湿度、日照等气候条件均比普通沥青混凝土道路铺装更为严峻，对铺装层的力学性能要求也更高。因此，对于正交异性钢桥面铺装，必须满足以下要求：（1）铺装层既要有足够的强度，又要具有良好的变形能力，满足车辆反复作用的同时，也要具备随桥面板共同变形的能力。（2）铺装材料既要有足够的高温稳定性，还应具备良好的低温抗裂性，满足大温差作用下依旧能正常工作的要求。（3）铺装层与钢桥面板之间应具有良好的粘结能力，防止在运营阶段出现脱层等病害。2、钢桥面铺装的现状

国外对于钢桥面铺装的研究起步较早，发展并推广了一系列适用于本国的桥面铺装技术。如以英国和德国为代表的浇筑式沥青混凝土（GA）铺装结构，以美国为代表的环氧沥青混凝土（EA）结构和以德国为代表的改性沥青玛蹄脂碎石（SMA）结构。相关的桥面铺装体系在西方国家应用效果较好，但直接引入国内后，使用和运营效果却差强人意。这主要是由于中国气候环境差异巨大，交通环境严峻，尤其是超载过载车辆众多，对正交异性钢桥面板的疲劳和桥面铺装都会造成巨大的不良影响。例如江阴长江公路大桥是直接引进并采用了英国的浇筑式沥青全套技术，但通车不久后就出现了严重的病害[6]。此外，早期国内的施工技术水平也与西方有较大的差距，铺装层的施工质量参差不齐，也直接影响了相关铺装体系在国内的发展的和应用。例如，在1997年中国首次引进了美国的环氧沥青混凝土钢桥面铺装技术，随后用于南京长江二桥、润扬大桥、南京长江三桥等大跨径钢结构桥梁中。虽然相比于其他钢桥面铺装体系，环氧沥青铺装的使用状况要更好一些，但环氧沥青混凝土对施工技术的要求极高，在中国现有的施工条件下，难以保证铺装结构不产生缺陷，因此，几座典型的采用环氧沥青混凝土铺装的桥梁在运营几年后，依旧出现了脱层、裂缝、推移、坑槽等病害。此外，环氧沥青混凝土的维修养护成本较大，使用成本较高，虽然近些年陆续开发出了一些国产的环氧沥青铺装材料，并应用于武汉天兴洲大桥等桥梁，但与欧美等发达国家相比，仍存在一定差距。为了更好地说明不同钢桥面铺装体系的应用及病害情况，笔者汇总了部分典型的国内外桥梁的铺装结构和使用状况，见表1。虽然目前国内难以找出一种能适用全国，且运营效果优异的钢桥面铺装结构和技术，但是多年的技术研究和发展，也使得我国钢桥面铺装技术取得了明显的进步。遵循“新材料”“新结构”的方针原则，相关科研技术人员开发出了一系列有针对性的钢桥面铺装体系。铺装材料上，除了传统的浇筑式沥青、环氧沥青和沥青玛蹄脂碎石外，还推出了高模量沥青混凝土、聚合物改性沥青混合料、聚合物混合料等性能优异的材料[7-8]。在铺装结构上，也不仅仅局限于单层和双层铺装，开发出了树脂混凝土+沥青混凝土（ERS）体系[9]，剪力钉+钢筋网+UHPC+SMA体系等组合铺装技术[10]，且都在一定范围内取得了不错的应用成果。3、聚氨酯混合料的特点

聚氨酯树脂，全称聚氨基甲酸酯，是指在大分子主链中含有氨基甲酸酯的聚合物，简称PU，是一种工业中十分常见的高分子化合物，最早出现于20世纪30年代。根据聚合物类型的不同，聚氨酯树脂主要可以分为软质聚氨酯、硬质聚氨酯塑料和聚氨酯弹性体，其材料性能多样，适用范围广泛，数十年来，被广泛地应用在家居家电、建筑材料、日用品、交通车辆等领域。由于聚氨酯弹性体中含有强极性基团，其大分子中还含有聚醚或聚酯柔性链段，使得聚氨酯材料具有较高的机械强度和抗氧化性能，还兼具了很好的低温柔曲性，良好的耐磨耗、耐油性、耐化学腐蚀、耐光照，软硬度可按需定制等优异性能，所以可以将其认为是一种介于塑料和橡胶之间的高分子弹性体材料。此外，水性聚氨酯还具有很好的防水性能，并且对砂石、金属、混凝土等材料都具有很强的黏附能力，完全可以满足粘结层的功能。基于以上种种优异性能和材料特点，将其扩展应用到桥面铺装领域，配置出材料性能合适、使用性能稳定可靠的聚氨酯树脂，并与一定级配的矿料在常温下搅拌均匀，可得到适用于正交异性钢桥面板铺装的聚氨酯混合料[11]。4、聚氨酯混合料的性能

4.1聚氨酯混合料的材料性能4.1.1抗压强度聚氨酯混合料的抗压强度可作为配合比设计的依据之一。与普通沥青混凝土的抗压强度测试一样，将聚氨酯混合料制作成直径（100±2）mm，高（100±2）mm的圆柱体试件，再在万能材料试验机上，依据JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12]中的T0713—2000的方法，进行抗压强度试验。通过Jiang等[13]的研究可以发现聚氨酯混合料的抗压强度要远高于SMA（10MPa），并且根据配合比的不同，抗压强度可以在29～73MPa进行调节，与环氧改性沥青混凝土的相当（56.6MPa）[14]，完全可以满足桥面铺装工程的需求。此外，在抗压试验中还发现，由于聚氨酯树脂具有韧性大，表现出“强而韧”的特点，使得聚氨酯混合料具备了如橡胶沥青混凝土一样保持结构整体性和抵抗开裂后产生剥离的能力。

4.1.2抗弯拉强度正交异性钢桥面板的铺装层在车辆荷载、风荷载等外界因素的作用下，会随钢桥面板产生协同变形，尤其是在重载车辆作用下，肋板处的铺装层极易产生较大的局部拉应力，一旦超过了铺装层的抗弯拉强度，就会导致开裂，进而产生很多次生病害。因此，良好的铺装结构不仅需要较高抗拉强度，也应该具有良好的协同变形能力。聚氨酯混合料的抗弯拉强度测试，一般采用三点弯曲试验，满足相关的试验规程即可。同样参考Jiang等的研究可以发现，在15℃和10℃下，聚氨酯混合料的抗弯强度分别达到了23.2MPa和24.3MPa，要远高于SBS改性沥青的6.39MPa和国产环氧沥青的15.32MPa。破坏时的应变也分别达到了7140和7020个微应变，试验结果表明，聚氨酯混合料具有较高的抗弯强度和延性，相比于其他铺装材料，更能满足正交异性钢桥面板对于铺装材料的抗弯拉性能要求。

4.2聚氨酯混合料的路用性能4.2.1马歇尔稳定度聚氨酯混合料的马歇尔稳定度和抗压强度类似，都是反映聚氨酯树脂和石料之间粘结强度的指标之一，通过稳定度和流值这两个参数来进行定量表示。马歇尔稳定度越高，表明混合料的质量黏度越高。聚氨酯混合料的马歇尔稳定度与胶石比直接相关，一般而言，聚氨酯树脂的含量越高，聚氨酯混合料稳定度越高，但通过提高胶石比来提高混合料的马歇尔稳定度是有限的。因此，马歇尔稳定度也被广泛地用于最佳胶石比的选取和验证。通过何建彬的试验研究可得到，当胶石比从6.0%上升至7.5%时，聚氨酯混合料的马歇尔稳定度从47.5kN上升至58.6kN，流值则从2.2mm上升至3.2mm，远高于密级配沥青混合料的标准（8kN），反映出聚氨酯混合料优异强度的力学特性；当胶石比继续增大至8.0%时，稳定度和流值均表现出轻微的下降，分别为58.3kN和3.1mm。说明对于聚氨酯混合料而言，聚氨酯树脂的含量不能一直增加，存在一个较为合理的区间，并通过其他性能试验，来综合选取合适的胶石比。

4.2.2高温稳定性高温稳定性是铺装材料最重要的路用性能指标之一，采用动稳定度来直接衡量，它直接反映了聚氨酯混合料在运营过程中的抗车辙能力。试验中，需按照《规程》中的方法制作聚氨酯混合料的车辙板试件，再进行养护，冷却后，在车辙试验仪中进行车辙试验。通过相关研究人员的众多试验结果表明，聚氨酯混合料的动稳定要远高于改性沥青玛蹄脂碎石（SMA）、浇筑式沥青混凝土（GA）、环氧沥青混凝土（EA）以及ERS体系中的树脂沥青混凝土（RA）等。选取部分试验结果，将不同铺装材料的动稳定度汇总，如图1所示。由图1可知，聚氨酯混合料的动稳定度要远高于传统的沥青混凝土材料，甚至较目前较为先进的树脂沥青混凝土还要高出近一倍。这主要是因为针对桥面铺装而配置的聚氨酯树脂具有热固定性，与传统的沥青在高温下会发生软化不同，聚氨酯混合料固化后不会随着温度的升高而发生塑性变形，因此，聚氨酯混合料表现出了极佳的高温稳定性能，几乎可以避免目前铺装结构常出现的车辙等病害。

4.2.3低温抗裂性低温抗裂性能也是钢桥面铺装重要的路用性能之一，它直接反映了钢桥面铺装结构抵抗低温收缩裂缝的能力。通常按照JTGE20—2011采用低温三点弯曲试验进行测量和评估。汇总了相关的技术要求可以发现，对于SMA、GA、EA铺装体系来说，弯拉应变的技术指标均为不小于2000με，对于RA铺装体系的要求较高，需要不小于2800με，但通过何建彬[15]的研究可以发现，即使在胶石比较低的情况下（6.0%），最大弯拉应变也有3337με，当胶石比增大，最大弯拉应变也有着明显的提高，甚至在文献[13]中，通过试验得到的最大弯拉应变可以达到7000με，抗弯强度也远高于其他铺装材料。充分反映出了聚氨酯混合料在低温环境下依旧具备良好的抗弯强度和弯曲应变能力，可以很好地满足在寒冷地区的运营要求，减少低温收缩裂缝的产生，从而降低了其他次生病害的产生。

4.2.4抗疲劳性能在铺装结构服役过程中，车辆荷载、气候环境都会让结构处于一个应力应变反复变化的状态，从而导致材料强度发生退化，进而引起疲劳裂缝的产生，破坏铺装结构的整体性和对桥面板的保护作用。尤其是对于钢桥面铺装而言，正交异性钢桥面板刚度较小，在铺装层产生的应力应变更大，铺装层的疲劳问题尤显突出。聚氨酯树脂虽然是热固性材料，但其仍具有粘弹性材料的特性，具备“强而韧”的特点。疲劳性能试验可以选用三点弯曲疲劳试验或者四点弯曲疲劳试验，前者成本较低，后者则更接近铺装层在车辆荷载作用下的受力情况。可以根据实际情况合理选择。目前对聚氨酯混合料的抗疲劳性能的研究较少，祁冰[16]、李彩霞[17]针对聚氨酯改性沥青混凝土的抗疲劳性能做了研究，并指出，聚氨酯改性沥青混凝土的抗疲劳性能要略低于环氧沥青混凝土，但均远高于SBS改性沥青混凝土，表现出了良好的疲劳寿命。

4.2.5其他路用性能分析聚氨酯混合料属于聚合物铺装材料之一，目前，除了聚氨酯外，被应用在桥面铺装体系中的还有环氧树脂、丙烯酸类树脂等[18]。因此，除对聚氨酯混合料做以上路用性能参数对比外，还结合了上海市政规划设计研究院、中交三公局等单位的研究[19-20]，将采用三种聚合物材料得到的铺装结构体系的部分路用性能做了定性分析汇总，见表2。通过表2的对比分析可以发现，在铺装材料的使用效果中，聚氨酯树脂表现出了更为优异的综合性