聚氨酯混合料在正交異性鋼橋面鋪裝中的發(fā)展與應(yīng)用

橋面鋪裝是將鋪裝層直接鋪設(shè)在橋面板上，承受車輛的直接作用，分散車輛荷載，為車輛行駛提供足夠的摩擦力，并為橋面板起到保護作用的功能層[1]。橋面鋪裝可以根據(jù)橋梁形式的不同，分為鋼結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝和混凝土橋梁橋面鋪裝。其中混凝土結(jié)構(gòu)橋梁剛度較大，鋪裝層近似于鋪設(shè)在剛性基礎(chǔ)上，與普通道路鋪裝類似，目前已有充足的技術(shù)儲備和完善的工程應(yīng)用[2]。而鋼結(jié)構(gòu)橋梁則由于橋面板剛度較小，且多采用正交異性鋼橋面板，其結(jié)構(gòu)支撐復(fù)雜，在車輛作用、溫度變化、風(fēng)致振動、地震荷載等多因素作用下，橋面板的整體變形和局部變形較大，對鋪裝層的受力影響巨大，與鋪設(shè)在剛性基礎(chǔ)上的鋪裝層差異巨大。從廣東省肇慶市四會縣馬房鎮(zhèn)的北江大橋開始[3]，中國對鋼橋面鋪裝的研究正式開始，但即使經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展研究，目前也尚未得到一個十分完善、可靠且經(jīng)濟效益優(yōu)異的鋼橋面鋪裝方案和技術(shù)。而由于大跨徑橋梁多為鋼結(jié)構(gòu)，且橋面鋪裝是橋梁建設(shè)的最重要組成部分之一，因此，工程界普遍都認為，鋼橋面鋪裝技術(shù)是大跨徑橋梁建設(shè)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。

1、鋼橋面鋪裝的特點

近些年，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國的發(fā)展十分迅速，交通運輸部在2016年發(fā)布了《關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求充分發(fā)揮鋼橋性能優(yōu)勢，促進公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級，推動我國鋼橋的建設(shè)和發(fā)展。這也符合現(xiàn)階段促進環(huán)保的基本要求。但對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁不可或缺的橋面鋪裝而言，卻一直存在較大的問題。由于正交異性鋼橋面板具有良好的力學(xué)行為，因此，目前絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁都采用了正交異性鋼橋面板，鋼橋面鋪裝大多數(shù)都是鋪設(shè)在正交異性鋼橋面板上。而由于加勁肋、腹板、橫隔板等結(jié)構(gòu)的存在，使得正交異性鋼橋面板會在車輛荷載等多因素耦合作用下，產(chǎn)生較為明顯的負彎矩區(qū)和應(yīng)力集中，會對相應(yīng)的鋪裝層產(chǎn)生較為復(fù)雜的內(nèi)力，極易導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生開裂、脫層等病害。此外，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)較大，鋼結(jié)構(gòu)橋梁對溫度的敏感性較大。對于常見的鋼箱梁等閉口型鋼結(jié)構(gòu)橋梁，在夏季，長期高溫日照的作用下，箱梁內(nèi)空氣對流困難，內(nèi)部溫度極高，可達60℃～70℃，導(dǎo)致鋪裝層尤其是粘結(jié)層處在長期高溫和重載多重耦合作用的嚴峻工作環(huán)境中，對鋪裝層的高溫穩(wěn)定性和粘結(jié)層的耐久性均提出了嚴峻的考驗；在冬季，鋪裝層的工作溫度也會大大低于環(huán)境溫度，極易發(fā)生低溫開裂等病害。因此，性能優(yōu)異的鋼橋鋪裝結(jié)構(gòu)，既要有足夠的材料強度、抗變形能力，更要滿足大溫度區(qū)間下的工作穩(wěn)定性和耐久性，即高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，還要使鋪裝層和鋼板之間的粘結(jié)層有足夠的耐久性和粘結(jié)性，保持鋼板和鋪裝層的協(xié)同工作?？梢园l(fā)現(xiàn)，相對于道路鋪裝和混凝土橋梁鋪裝，鋼橋面鋪裝具有以下特點[5]：（1）大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁多建設(shè)在交通咽喉要道上，交通壓力巨大，尤其是重載車輛對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的作用影響巨大。（2）鋪裝層多鋪設(shè)在正交異性鋼橋面板上，由于支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，橋面鋪裝層的受力也極其復(fù)雜多樣。（3）此類橋梁多建設(shè)在跨江河、峽谷等地，風(fēng)場、溫度、濕度、日照等氣候條件均比普通瀝青混凝土道路鋪裝更為嚴峻，對鋪裝層的力學(xué)性能要求也更高。因此，對于正交異性鋼橋面鋪裝，必須滿足以下要求：（1）鋪裝層既要有足夠的強度，又要具有良好的變形能力，滿足車輛反復(fù)作用的同時，也要具備隨橋面板共同變形的能力。（2）鋪裝材料既要有足夠的高溫穩(wěn)定性，還應(yīng)具備良好的低溫抗裂性，滿足大溫差作用下依舊能正常工作的要求。（3）鋪裝層與鋼橋面板之間應(yīng)具有良好的粘結(jié)能力，防止在運營階段出現(xiàn)脫層等病害。2、鋼橋面鋪裝的現(xiàn)狀

國外對于鋼橋面鋪裝的研究起步較早，發(fā)展并推廣了一系列適用于本國的橋面鋪裝技術(shù)。如以英國和德國為代表的澆筑式瀝青混凝土（GA）鋪裝結(jié)構(gòu)，以美國為代表的環(huán)氧瀝青混凝土（EA）結(jié)構(gòu)和以德國為代表的改性瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）結(jié)構(gòu)。相關(guān)的橋面鋪裝體系在西方國家應(yīng)用效果較好，但直接引入國內(nèi)后，使用和運營效果卻差強人意。這主要是由于中國氣候環(huán)境差異巨大，交通環(huán)境嚴峻，尤其是超載過載車輛眾多，對正交異性鋼橋面板的疲勞和橋面鋪裝都會造成巨大的不良影響。例如江陰長江公路大橋是直接引進并采用了英國的澆筑式瀝青全套技術(shù)，但通車不久后就出現(xiàn)了嚴重的病害[6]。此外，早期國內(nèi)的施工技術(shù)水平也與西方有較大的差距，鋪裝層的施工質(zhì)量參差不齊，也直接影響了相關(guān)鋪裝體系在國內(nèi)的發(fā)展的和應(yīng)用。例如，在1997年中國首次引進了美國的環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝技術(shù)，隨后用于南京長江二橋、潤揚大橋、南京長江三橋等大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁中。雖然相比于其他鋼橋面鋪裝體系，環(huán)氧瀝青鋪裝的使用狀況要更好一些，但環(huán)氧瀝青混凝土對施工技術(shù)的要求極高，在中國現(xiàn)有的施工條件下，難以保證鋪裝結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生缺陷，因此，幾座典型的采用環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的橋梁在運營幾年后，依舊出現(xiàn)了脫層、裂縫、推移、坑槽等病害。此外，環(huán)氧瀝青混凝土的維修養(yǎng)護成本較大，使用成本較高，雖然近些年陸續(xù)開發(fā)出了一些國產(chǎn)的環(huán)氧瀝青鋪裝材料，并應(yīng)用于武漢天興洲大橋等橋梁，但與歐美等發(fā)達國家相比，仍存在一定差距。為了更好地說明不同鋼橋面鋪裝體系的應(yīng)用及病害情況，筆者匯總了部分典型的國內(nèi)外橋梁的鋪裝結(jié)構(gòu)和使用狀況，見表1。雖然目前國內(nèi)難以找出一種能適用全國，且運營效果優(yōu)異的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，但是多年的技術(shù)研究和發(fā)展，也使得我國鋼橋面鋪裝技術(shù)取得了明顯的進步。遵循“新材料”“新結(jié)構(gòu)”的方針原則，相關(guān)科研技術(shù)人員開發(fā)出了一系列有針對性的鋼橋面鋪裝體系。鋪裝材料上，除了傳統(tǒng)的澆筑式瀝青、環(huán)氧瀝青和瀝青瑪蹄脂碎石外，還推出了高模量瀝青混凝土、聚合物改性瀝青混合料、聚合物混合料等性能優(yōu)異的材料[7-8]。在鋪裝結(jié)構(gòu)上，也不僅僅局限于單層和雙層鋪裝，開發(fā)出了樹脂混凝土+瀝青混凝土（ERS）體系[9]，剪力釘+鋼筋網(wǎng)+UHPC+SMA體系等組合鋪裝技術(shù)[10]，且都在一定范圍內(nèi)取得了不錯的應(yīng)用成果。3、聚氨酯混合料的特點

聚氨酯樹脂，全稱聚氨基甲酸酯，是指在大分子主鏈中含有氨基甲酸酯的聚合物，簡稱PU，是一種工業(yè)中十分常見的高分子化合物，最早出現(xiàn)于20世紀30年代。根據(jù)聚合物類型的不同，聚氨酯樹脂主要可以分為軟質(zhì)聚氨酯、硬質(zhì)聚氨酯塑料和聚氨酯彈性體，其材料性能多樣，適用范圍廣泛，數(shù)十年來，被廣泛地應(yīng)用在家居家電、建筑材料、日用品、交通車輛等領(lǐng)域。由于聚氨酯彈性體中含有強極性基團，其大分子中還含有聚醚或聚酯柔性鏈段，使得聚氨酯材料具有較高的機械強度和抗氧化性能，還兼具了很好的低溫柔曲性，良好的耐磨耗、耐油性、耐化學(xué)腐蝕、耐光照，軟硬度可按需定制等優(yōu)異性能，所以可以將其認為是一種介于塑料和橡膠之間的高分子彈性體材料。此外，水性聚氨酯還具有很好的防水性能，并且對砂石、金屬、混凝土等材料都具有很強的黏附能力，完全可以滿足粘結(jié)層的功能?；谝陨戏N種優(yōu)異性能和材料特點，將其擴展應(yīng)用到橋面鋪裝領(lǐng)域，配置出材料性能合適、使用性能穩(wěn)定可靠的聚氨酯樹脂，并與一定級配的礦料在常溫下攪拌均勻，可得到適用于正交異性鋼橋面板鋪裝的聚氨酯混合料[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抗壓強度聚氨酯混合料的抗壓強度可作為配合比設(shè)計的依據(jù)之一。與普通瀝青混凝土的抗壓強度測試一樣，將聚氨酯混合料制作成直徑（100±2）mm，高（100±2）mm的圓柱體試件，再在萬能材料試驗機上，依據(jù)JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[12]中的T0713—2000的方法，進行抗壓強度試驗。通過Jiang等[13]的研究可以發(fā)現(xiàn)聚氨酯混合料的抗壓強度要遠高于SMA（10MPa），并且根據(jù)配合比的不同，抗壓強度可以在29～73MPa進行調(diào)節(jié)，與環(huán)氧改性瀝青混凝土的相當(dāng)（56.6MPa）[14]，完全可以滿足橋面鋪裝工程的需求。此外，在抗壓試驗中還發(fā)現(xiàn)，由于聚氨酯樹脂具有韌性大，表現(xiàn)出“強而韌”的特點，使得聚氨酯混合料具備了如橡膠瀝青混凝土一樣保持結(jié)構(gòu)整體性和抵抗開裂后產(chǎn)生剝離的能力。

4.1.2抗彎拉強度正交異性鋼橋面板的鋪裝層在車輛荷載、風(fēng)荷載等外界因素的作用下，會隨鋼橋面板產(chǎn)生協(xié)同變形，尤其是在重載車輛作用下，肋板處的鋪裝層極易產(chǎn)生較大的局部拉應(yīng)力，一旦超過了鋪裝層的抗彎拉強度，就會導(dǎo)致開裂，進而產(chǎn)生很多次生病害。因此，良好的鋪裝結(jié)構(gòu)不僅需要較高抗拉強度，也應(yīng)該具有良好的協(xié)同變形能力。聚氨酯混合料的抗彎拉強度測試，一般采用三點彎曲試驗，滿足相關(guān)的試驗規(guī)程即可。同樣參考Jiang等的研究可以發(fā)現(xiàn)，在15℃和10℃下，聚氨酯混合料的抗彎強度分別達到了23.2MPa和24.3MPa，要遠高于SBS改性瀝青的6.39MPa和國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的15.32MPa。破壞時的應(yīng)變也分別達到了7140和7020個微應(yīng)變，試驗結(jié)果表明，聚氨酯混合料具有較高的抗彎強度和延性，相比于其他鋪裝材料，更能滿足正交異性鋼橋面板對于鋪裝材料的抗彎拉性能要求。

4.2聚氨酯混合料的路用性能4.2.1馬歇爾穩(wěn)定度聚氨酯混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和抗壓強度類似，都是反映聚氨酯樹脂和石料之間粘結(jié)強度的指標之一，通過穩(wěn)定度和流值這兩個參數(shù)來進行定量表示。馬歇爾穩(wěn)定度越高，表明混合料的質(zhì)量黏度越高。聚氨酯混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與膠石比直接相關(guān)，一般而言，聚氨酯樹脂的含量越高，聚氨酯混合料穩(wěn)定度越高，但通過提高膠石比來提高混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是有限的。因此，馬歇爾穩(wěn)定度也被廣泛地用于最佳膠石比的選取和驗證。通過何建彬的試驗研究可得到，當(dāng)膠石比從6.0%上升至7.5%時，聚氨酯混合料的馬歇爾穩(wěn)定度從47.5kN上升至58.6kN，流值則從2.2mm上升至3.2mm，遠高于密級配瀝青混合料的標準（8kN），反映出聚氨酯混合料優(yōu)異強度的力學(xué)特性；當(dāng)膠石比繼續(xù)增大至8.0%時，穩(wěn)定度和流值均表現(xiàn)出輕微的下降，分別為58.3kN和3.1mm。說明對于聚氨酯混合料而言，聚氨酯樹脂的含量不能一直增加，存在一個較為合理的區(qū)間，并通過其他性能試驗，來綜合選取合適的膠石比。

4.2.2高溫穩(wěn)定性高溫穩(wěn)定性是鋪裝材料最重要的路用性能指標之一，采用動穩(wěn)定度來直接衡量，它直接反映了聚氨酯混合料在運營過程中的抗車轍能力。試驗中，需按照《規(guī)程》中的方法制作聚氨酯混合料的車轍板試件，再進行養(yǎng)護，冷卻后，在車轍試驗儀中進行車轍試驗。通過相關(guān)研究人員的眾多試驗結(jié)果表明，聚氨酯混合料的動穩(wěn)定要遠高于改性瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）、澆筑式瀝青混凝土（GA）、環(huán)氧瀝青混凝土（EA）以及ERS體系中的樹脂瀝青混凝土（RA）等。選取部分試驗結(jié)果，將不同鋪裝材料的動穩(wěn)定度匯總，如圖1所示。由圖1可知，聚氨酯混合料的動穩(wěn)定度要遠高于傳統(tǒng)的瀝青混凝土材料，甚至較目前較為先進的樹脂瀝青混凝土還要高出近一倍。這主要是因為針對橋面鋪裝而配置的聚氨酯樹脂具有熱固定性，與傳統(tǒng)的瀝青在高溫下會發(fā)生軟化不同，聚氨酯混合料固化后不會隨著溫度的升高而發(fā)生塑性變形，因此，聚氨酯混合料表現(xiàn)出了極佳的高溫穩(wěn)定性能，幾乎可以避免目前鋪裝結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)的車轍等病害。

4.2.3低溫抗裂性低溫抗裂性能也是鋼橋面鋪裝重要的路用性能之一，它直接反映了鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)抵抗低溫收縮裂縫的能力。通常按照JTGE20—2011采用低溫三點彎曲試驗進行測量和評估。匯總了相關(guān)的技術(shù)要求可以發(fā)現(xiàn)，對于SMA、GA、EA鋪裝體系來說，彎拉應(yīng)變的技術(shù)指標均為不小于2000με，對于RA鋪裝體系的要求較高，需要不小于2800με，但通過何建彬[15]的研究可以發(fā)現(xiàn)，即使在膠石比較低的情況下（6.0%），最大彎拉應(yīng)變也有3337με，當(dāng)膠石比增大，最大彎拉應(yīng)變也有著明顯的提高，甚至在文獻[13]中，通過試驗得到的最大彎拉應(yīng)變可以達到7000με，抗彎強度也遠高于其他鋪裝材料。充分反映出了聚氨酯混合料在低溫環(huán)境下依舊具備良好的抗彎強度和彎曲應(yīng)變能力，可以很好地滿足在寒冷地區(qū)的運營要求，減少低溫收縮裂縫的產(chǎn)生，從而降低了其他次生病害的產(chǎn)生。

4.2.4抗疲勞性能在鋪裝結(jié)構(gòu)服役過程中，車輛荷載、氣候環(huán)境都會讓結(jié)構(gòu)處于一個應(yīng)力應(yīng)變反復(fù)變化的狀態(tài)，從而導(dǎo)致材料強度發(fā)生退化，進而引起疲勞裂縫的產(chǎn)生，破壞鋪裝結(jié)構(gòu)的整體性和對橋面板的保護作用。尤其是對于鋼橋面鋪裝而言，正交異性鋼橋面板剛度較小，在鋪裝層產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變更大，鋪裝層的疲勞問題尤顯突出。聚氨酯樹脂雖然是熱固性材料，但其仍具有粘彈性材料的特性，具備“強而韌”的特點。疲勞性能試驗可以選用三點彎曲疲勞試驗或者四點彎曲疲勞試驗，前者成本較低，后者則更接近鋪裝層在車輛荷載作用下的受力情況?？梢愿鶕?jù)實際情況合理選擇。目前對聚氨酯混合料的抗疲勞性能的研究較少，祁冰[16]、李彩霞[17]針對聚氨酯改性瀝青混凝土的抗疲勞性能做了研究，并指出，聚氨酯改性瀝青混凝土的抗疲勞性能要略低于環(huán)氧瀝青混凝土，但均遠高于SBS改性瀝青混凝土，表現(xiàn)出了良好的疲勞壽命。

4.2.5其他路用性能分析聚氨酯混合料屬于聚合物鋪裝材料之一，目前，除了聚氨酯外，被應(yīng)用在橋面鋪裝體系中的還有環(huán)氧樹脂、丙烯酸類樹脂等[18]。因此，除對聚氨酯混合料做以上路用性能參數(shù)對比外，還結(jié)合了上海市政規(guī)劃設(shè)計研究院、中交三公局等單位的研究[19-20]，將采用三種聚合物材料得到的鋪裝結(jié)構(gòu)體系的部分路用性能做了定性分析匯總，見表2。通過表2的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在鋪裝材料的使用效果中，聚氨酯樹脂表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的綜合性