坑槽养护，风雨无阻——水下固化树脂及混合料研究与应用

现代化缆索支撑桥梁常采用正交异性钢桥面板，钢桥面铺装是铺设在正交异性钢桥面板上、保护钢板并满足汽车安全行驶的多功能薄层结构。钢桥面铺装是桥梁行车系的重要组成部分，它的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁耐久性及投资效益和社会效益，已成为评价桥梁工程质量的重要指标之一，也是大跨径桥梁建设与养护的关键技术难题之一。

钢桥面铺装在车辆荷载、温度变化及桥梁振动等因素的综合影响下，受力和变形复杂，各类病害频繁出现，使用寿命常低于设计寿命。苏通大桥地处长江入海口，年均降水量较大。特别是每年的雨季，雨量充沛，台风暴雨多，雨期长，钢桥面铺装容易出现大量坑槽病害。坑槽不仅严重影响行车舒适性与安全性，而且会缩短铺装的使用寿命。当雨季来临时，对于坑槽病害只能临时处理，常用的措施包括用冷补料或冷拌环氧树脂混合料临时修复，但维修的区域往往短时间内再次被破坏。因此，研究钢桥面铺装雨季养护技术，及时对坑槽病害进行应急维修，封闭雨水入侵铺装的途径，降低雨水对铺装甚至钢桥面板的侵蚀危害，是钢桥面铺装养护中迫切需要解决的问题。

本文在分析坑槽病害产生机理的基础上，创新性地提出，以水下固化树脂为核心材料的钢桥面铺装雨季高质量快修技术。

钢桥面铺装局部材料性能异常或其他病害未得到及时维修，在车辆荷载的反复冲击作用下铺装被压碎，进而由于水的侵蚀作用，铺装产生碎裂、松散、解体，称为坑槽病害。坑槽形成后，往往中间伴随有凹陷，如图1所示。坑槽病害集中于重车道，主要发生于行车轮迹带，除新出现的坑槽外，还有部分坑槽出现在以往维修区域附近。

图1 坑槽病害

坑槽病害常由细小裂缝发展成的网裂进一步形成，由于其具有数量多和容易复发的特点所以难以处置。对于不同的铺装结构以及不同的材料，其产生坑槽的机理与受力情况往往不一致，因此不能一概而论。具体原因包括：a. 局部混合料级配、油石比变异导致该处铺装性能弱化；b.碾压不足导致沥青混合料空隙率过大，铺装抗冲击和抗水损害能力不足；c.产生鼓包、裂缝后未及时维修等。

坑槽对铺装的危害较大，雨水源源不断地顺着坑槽渗入铺装内部，或蓄积在钢桥面板与铺装的界面上，长期难以排出，破坏桥面防水体系，加速了铺装的破坏和桥面钢板的腐蚀，严重影响铺装和桥面正交异性板的耐久性。凹陷的坑槽也容易引起交通安全问题。

坑槽病害的预防和养护除采取合适的材料和施工工艺进行维修外，一个很重要的方面是在坑槽病害产生的前期进行及时维修，减少侵入铺装内部和防水体系的水分，这样可以大大减缓坑槽发展的速度，延长铺装的使用寿命。早期坑槽若得不到及时有效的处理，不断扩展后会形成面积更大的破坏。

环氧树脂是含有两个及以上的环氧基团，且可以通过这些基团反应生成热固性树脂的高分子材料。当环氧树脂与固化剂混合时，在一定条件下会发生固化反应，以脂肪族、芳香族为骨架生成三维交联网络状结构物。PTA型水下固化树脂是一种钢桥面铺装修复专用的改性环氧树脂，含有A、B两组分，其中A组分为环氧树脂，B组分中主要包含水下固化剂及其他助剂。PTA为常温施工材料，即拌和、摊铺、碾压、养生过程中无须加热，是一种绿色、低碳的环保型养护新材料。PTA使用时在常温下按比例混合，经过化学反应，最终形成三维立体网络结构的聚合物。PTA内部设置了纳米级的微观弹性空穴，可有效地释放应力，增强材料韧性。聚合过程中的中间态树脂由于羟基含量高，因此具有高渗透性，可渗入周围固态基质，与其表面和内部的水分子直接发生反应，增强界面粘结性能，解决了w与已有铺装界面可能存在的脱层隐患。PTA反应原理如图2所示。

图2 PTA型水下固化树脂反应原理示意图

针对传统坑槽修复技术存在的材料柔韧性能一般、养护施工中常规密级配树脂混合料难以碾压密实、新旧铺装之间接缝容易产生二次开裂、雨天无法施工等技术难题，提出一种新型钢桥面铺装坑槽养护结构方案。该方案为双层铺装结构，下层为1.5~2.0cm厚灌注式树脂混合料铺装，上层为3.0~4.0cm厚浇注式树脂混合料铺装，表面嵌入抗滑碎石，上、下两层铺装均使用PTA型水下固化树脂作为结合料，如图3所示。

图3 “灌注式+浇注式”双层铺装修补结构

 “灌注式+浇注式”双层铺装修补结构的主要修补工艺与操作规程如图4所示，部分施工照片见图5~图8。

图4 “灌注式+浇注式”维修坑槽工序

图5 铺设灌入式混合料的碎石

图6 灌注树脂

图7 浇注式混合料压实

图8 表面撒布碎石

常温施工。传统的坑槽修复常采用热拌沥青混合料，拌和时沥青和集料都需加热到较高的温度，消耗大量能源且污染环境。而水下固化树脂混合料为常温拌和施工，不需任何加热设备，大大减少了有害气体及废料的产生，具有优异的环保效果。

雨天可用。传统的修复材料（例如环氧沥青和环氧树脂）均不能在潮湿的环境下完成固化，而水下固化树脂不受气候条件限制，在潮湿环境下也能完成固化过程，并能够快速达到足够的强度，因此在梅雨季节连续降水或者其他状况造成的潮湿环境下也能在第一时间对钢桥面铺装进行修复，防止水透过裂缝进入钢桥面板并造成面板腐蚀，对桥面造成更大的损伤。

施工简便。目前坑槽修复基本采用挖除重填的方法，但由于工程量小，通常不会配备大型压实设备，而小型压实设备压实功率不高，导致常规级配混合料难以密实。本文提出的坑槽修复结构的下层灌注式树脂混合料无须压实，上层浇注式树脂混合料具有自流平特性，只需小型振动夯板简单整平即可，在现场施工中不用大型压实机械，因此施工更为简便快捷，施工和易性好。

快速养生。传统的钢桥面铺装坑槽修复材料需要较长的养生时间以完成固化，如热拌环氧沥青通常需要4d以上，冷拌环氧树脂需要3d以上，给交通任务繁重的大跨径桥梁带来巨大的交通压力。而水下固化树脂材料固化时间快，可在1d内完成养生，能够为抢修争取时间，从而更快地开放交通。 

灌注式树脂混合料路用性能：灌注式树脂混合料动稳定度为21550次/mm，远高于规范要求的6000次/mm；低温小梁极限弯曲应变5041με，变形能力比环氧沥青混合料或环氧树脂混合料有较大提高，也显著高于规范要求的3000με；低温断裂韧度达到2.19 ；冻融劈裂强度比为83.3%。因此，灌注式PTA树脂混合料具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

浇注式树脂混合料路用性能：浇注式树脂混合料动稳定度为17200次/mm，低温断裂韧度达到3.41 ，冻融劈裂强度比为93.5%。因此，浇注式树脂混合料也具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。由于作为上面层材料，其抗裂性和水稳定性比灌注式PTA树脂混合料有了进一步提高。

界面粘结性能：在钢桥面铺装坑槽维修时，需要在坑槽四周侧壁上涂抹一层水下固化树脂，以增强坑槽维修材料与原铺装的粘结，避免接缝开裂。为了检测水下固化树脂能否在潮湿的环境条件下与原铺装结构形成良好的粘结和足够的强度，通过拉拔试验进行检验。试验结果表明，PTA型水下固化树脂与潮湿铺装界面拉拔强度23℃为4.3MPa，60℃为1.6 MPa，具有良好的粘结性能。

图9 水下固化树脂与潮湿铺装 拉拔试验

为进一步验证树脂混合料在潮湿环境中与周围原铺装的黏结性能，检测新旧铺装之间的粘结强度，制作了树脂混合料与桥面潮湿铺装的复合小梁，并进行了三点弯曲试验。

图10 树脂混合料 与原铺装复合小梁

试验结果表明，与原铺装材料相比，两种水下树脂混合料复合梁的低温弯曲性能较原结构下降幅度不大。因此，潮湿环境下水下固化树脂的修复能力优秀，能够胜任在雨天潮湿环境下的修复工作。

实桥跟踪观测：在梅雨季节对苏通大桥采用水下固化树脂方案修复的坑槽（见图11），经过一年的持续观测，可以发现状况良好，未出现混合料二次开裂、接缝处开裂等现象，路用性能表现优异，大幅提升了坑槽维修后的使用寿命。

图11 通车一年后坑槽修复效果图