CN103114525A - 一种钢桥面铺装结构及其铺装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钢桥面铺装结构及其铺装方法，钢桥面铺装结构包括：铺设在桥面钢板上的由钢质网格形成的网格片和填充钢质网格内部空隙的柔性填料。钢质网格的上表面与柔性填料的上表面共同承受行车荷载作用。铺装方法包括：在桥面钢板上焊接固定所述钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上；洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石；喷洒乳化沥青；碾压。本发明能提高铺装层抵抗高温变形能力和抗疲劳开裂性能；并实现铺装层冬季自主破冰功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种道路工程结构及其施工方法，特别是一种铺筑在钢桥面上的铺装结构及其铺装方法。
背景技术
现有钢桥面上的沥青混合料类柔性铺装层，不仅易产生高温变形类病害，包括推移、车辙、拥包等；而且由于桥面钢板薄，铺装体系整体刚度小，铺装层抗弯能力弱，易产生疲劳裂缝，严重影响了铺装层的使用性能，缩短了铺装层的使用寿命。另外，在冬季钢桥面铺装层容易结冰，威胁行车安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢桥面铺装结构及其施工方法，提高铺装层抵抗高温变形能力和抗疲劳开裂性能；并实现铺装层冬季自主破冰功能，本发明的具体技术方案如下。
一种钢桥面铺装结构，其包括：铺设在桥面钢板上的由钢质网格形成的网格片和填充钢质网格内部空隙的柔性填料。
进一步改进的，所述钢质网格为正四边形或正六边形。
进一步改进的，所述钢质网格的边长为30 mm ~100mm；网格的壁厚为1mm~10mm；网格的高度为10mm~25mm。
进一步改进的，所述钢质网格采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材制成。
进一步改进的，柔性填料的上表面与钢质网格的上表面齐平。
进一步改进的，柔性填料采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料，其中，沥青采用道路石油沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青或掺配天然沥青的道路石油沥青，其中沥青类材料的厚度为网格的高度的0.1~0.2倍；所述碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
上述钢桥面铺装结构的铺装方法，其包括如下步骤：
第一步，加工成片的所述钢质网格；
第二步，在桥面钢板上焊接固定所述钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上；焊缝强度高于母材标准；对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，环氧底漆干膜厚度为0.05mm~0.07mm；
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。
第四步，喷洒乳化沥青，乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青；乳化沥青洒布量为0.3kg/m2~0.6 kg/m2。
第五步，碾压。
进一步改进的，第三步中，沥青类材料的洒布温度为160℃~190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1~0.2倍；沥青类材料与碎石的洒布时间间隔不超过2min；所述碎石撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
进一步改进的，第五步所述碾压采用总质量为25t~30t的轮胎压路机，在碎石表面碾压2~4遍。
进一步改进的，第五步所述碾压后扫除表面松散的碎石，待沥青类材料表面温度降低到60℃以下时，即可开放交通。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）现有钢桥面上的沥青混合料类铺装层，易产生高温变形类病害，包括推移、车辙、拥包等。本发明钢质网格与柔性填料共同承受行车荷载作用，提高了铺装层的整体刚度，且钢质网格对铺装层中柔性填料的变形起到限制作用，提高了铺装层在重载和高温下的抗变形能力；
（2）现有钢桥面上的沥青混合料类铺装层，由于桥面钢板薄，铺装体系整体刚度小，铺装层抗弯能力弱，易产生疲劳裂缝，严重影响了铺装层的使用性能，缩短了铺装层的使用寿命。本发明钢质网格增加了铺装体系的整体刚度，提高了铺装层的抗弯性能，从而增强了铺装层的抵抗疲劳开裂能力，显著延长了铺装层的使用寿命；
（3）冬季在行车荷载作用下，柔性填料的压缩变形明显大于钢质网格，使得附着在铺装层表面的冰被碾碎，从而具有自主破冰功能。
附图说明
图1为正四边形网格组成的铺装结构的立体示意图。
图2为正四边形网格组成的铺装结构的俯视图。
图3为实施方式中车辙试验用铺装结构俯视图（单位：mm）。
图4为实施方式中疲劳试验用小梁试件铺装结构俯视图（单位：mm）。
图5为实施方式疲劳试验用小梁试件及其加载方式侧视图（单位：mm）。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
实施例1 在正四边形钢质网格中洒布道路石油沥青和碎石
（1）铺装结构与材料
在某高速公路钢桥面上实现了本发明铺装结构。在桥面钢板3上铺设了钢质网格1形成的网格片，并在钢质网格1内部空隙中填充了柔性填料2。钢质网格1的上表面与柔性填料的上表面共同承受行车荷载作用，如图1所示。
如图2所示，钢质网格1为正四边形。网格1的边长为30 mm；网格1的壁厚为1mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为10mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的70号道路石油沥青。沥青的厚度为铺装层厚度的0.1倍。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
（2）施工方法
第一步，工厂加工成片的钢质网格。
第二步，在桥面钢板上焊接固定钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度高于母材标准即可。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.05mm。
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。
沥青类材料的洒布温度为160℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为1min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
第四步，喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.3kg/m2。
第五步，碾压。采用总质量为25t的轮胎压路机，在碎石表面碾压2遍。
最后，扫除表面松散的碎石。20min后，经测定，沥青表面的温度已降低到50℃，即开放交通。
实施例2 在正六边形钢质网格中洒布SBS改性沥青和碎石
（1）铺装结构与材料
在某高速公路钢桥面上实现了本发明铺装结构。在桥面钢板3上铺设了钢质网格1形成的网格片，并在钢质网格1内部空隙中填充了柔性填料2。钢质网格1的上表面与柔性填料的上表面共同承受行车荷载作用。
其中，钢质网格1为正六边形。网格1的边长为100mm；网格1的壁厚为10mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为25mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的I-D型SBS改性沥青。沥青的厚度为铺装层厚度的0.2倍。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
（2）施工方法
第一步，工厂加工成片的钢质网格。
第二步，在桥面钢板上焊接固定钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度高于母材标准。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.07mm。
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。
沥青类材料的洒布温度为190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.2倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为2min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
第四步，喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.6 kg/m2。
第五步，碾压。采用总质量为30t的轮胎压路机，在碎石表面碾压4遍。
最后，扫除表面松散的碎石。30min后，经测定，沥青表面的温度已降低到40℃，即开放交通。
实施例3 在正四边形钢质网格中洒布橡胶改性沥青和碎石
（1）铺装结构与材料
在某高速公路钢桥面上实现了本发明铺装结构。在桥面钢板3上铺设了钢质网格1形成的网格片，并在钢质网格1内部空隙中填充了柔性填料2。钢质网格1的上表面与柔性填料的上表面共同承受行车荷载作用。
其中，钢质网格1为正四边形。网格1的边长为30 mm；网格1的壁厚为1mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为10mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用橡胶改性沥青。沥青的厚度为铺装层厚度的0.1倍。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
（2）施工方法
第一步，工厂加工成片的钢质网格。
第二步，在桥面钢板上焊接固定钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度应高于母材标准。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.05mm。
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。
沥青类材料的洒布温度为190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为2min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
第四步，喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.3kg/m2。
第五步，碾压。采用总质量为25t的轮胎压路机，在碎石表面碾压2遍。
最后，扫除表面松散的碎石。10min后，经测定，沥青表面的温度已降低到50℃，即开放交通。
实施例4 在正六边形钢质网格中洒布掺配天然沥青的道路石油沥青和碎石
（1）铺装结构与材料
在某高速公路钢桥面上实现了本发明铺装结构。在桥面钢板3上铺设了钢质网格1形成的网格片，并在钢质网格1内部空隙中填充了柔性填料2。钢质网格1的上表面与柔性填料的上表面共同承受行车荷载作用。
其中，钢质网格1为正六边形。网格1的边长为100mm；网格1的壁厚为10mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为25mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用掺配天然沥青的道路石油沥青。天然沥青采用特立尼达湖沥青，其与道路石油沥青的质量百分比为3:7。沥青类材料的厚度为铺装层厚度的0.2倍。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
（2）施工方法
第一步，工厂加工成片的钢质网格。
第二步，在桥面钢板上焊接固定钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度应高于母材标准。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.07mm。
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。
沥青类材料的洒布温度为190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.2倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为1min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
第四步，喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.6 kg/m2。
第五步，碾压。采用总质量为30t的轮胎压路机，在碎石表面碾压4遍。
最后，扫除表面松散的碎石。20min后，经测定，沥青表面的温度已降低到50℃，即开放交通。
实施例5试验与效果分析
（1）60℃下的板块状试件的车辙试验
试验材料：
如图3所示，采用长300mm、宽300mm、厚39mm的板块状试件进行车辙试验。其中，钢质网格1为正四边形。网格1的边长为100mm；网格1的壁厚为10mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为25mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。桥面钢板3厚度为14mm，采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的I-D型SBS改性沥青。沥青的厚度为铺装层厚度的0.1倍，即2.5mm。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
试件制作方法：
将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度应高于母材标准。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.05mm。
洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。沥青类材料的洒布温度为190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为2min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.3kg/m2。
参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011“沥青混合料试件制作方法（轮碾法）”，采用轮碾成型机在试件表面碾压12个往返。
对比试验用试件材料和制作方法：
采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材制作长300mm、宽300mm、厚14mm的钢板。在钢板上洒布I-D型SBS改性沥青用作粘结层，厚度为1.0mm。洒布温度为190℃。然后，在钢板侧边安装模板，铺设热拌改性沥青混合料。参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011“沥青混合料试件制作方法（轮碾法）”，采用轮碾成型机在混合料表面碾压12个往返。成型后铺装层改性沥青混合料的厚度为25mm。待试件温度降低到室温后，拆除侧边模板，用于后续车辙试验。
车辙试验方法和结果：
参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0719-2011“沥青混合料车辙试验”方法。试验温度为60℃，轮压为0.7MPa。车辙试验机的试验轮碾压60min后，读取试件表面的最大变形，见表1所示。
表1 车辙试验结果
试验结果表明，在相同的桥面钢板、铺装厚度、试验温度、荷载作用时间等条件下，本发明铺装结构试件表面最大变形平均值为对比铺装结构的19%。说明本发明钢质网格与柔性填料共同承受行车荷载作用，提高了铺装层的整体刚度，且钢质网格对铺装层中柔性填料的变形起到限制作用，提高了铺装层在重载和高温下的抗变形能力。
（2）15℃下小梁试件的疲劳试验
试验材料：
如图4、图5所示，采用长300mm、宽30mm、厚39mm的小梁状试件进行疲劳试验。其中，钢质网格1为正四边形。网格1的边长为100mm；网格1的壁厚为10mm；网格1的高度即铺装层的厚度，为25mm；钢质网格的原材料采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。桥面钢板3厚度为14mm，采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材。图4中，4为疲劳试验加载时支撑用钢板，与桥面钢板3的厚度和材质相同。
柔性填料2的上表面与钢质网格的上表面齐平。柔性填料2采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料。其中，沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的I-D型SBS改性沥青。沥青的厚度为铺装层厚度的0.1倍，即2.5mm。
碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
试件制作方法：
将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上。焊缝强度应高于母材标准。对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，干膜厚度为0.05mm。
洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石。沥青类材料的洒布温度为190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1倍。沥青类材料与碎石的洒布时间间隔为2min。碎石粒径撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
喷洒乳化沥青。乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青。乳化沥青洒布量为0.3kg/m2。
参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011“沥青混合料试件制作方法（轮碾法）”，采用轮碾成型机在试件表面碾压12个往返。
对比试验用试件材料和制作方法：
采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材制作长300mm、宽30mm、厚14mm的钢板。在钢板上洒布I-D型SBS改性沥青用作粘结层，厚度为1.0mm。洒布温度为190℃。然后，在钢板侧边安装模板，铺设热拌改性沥青混合料。参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0703-2011“沥青混合料试件制作方法（轮碾法）”，采用轮碾成型机在混合料表面碾压12个往返。成型后铺装层混合料的厚度为25mm。待试件温度降低到室温后，拆除侧边模板，用于后续疲劳试验。
疲劳试验方法和试验结果：
参考《润扬长江公路大桥建设》第五册《钢桥面铺装》（黄卫主编，人民交通出版社，2006年）第六章复合梁疲劳试验方法。采用图5所示的中点加载疲劳试验模式。在桥面钢板3表面中点5处施加荷载，下方分别支撑在小梁端部的4块钢板4上。采用MTS810材料试验机加载。荷载变化波形采用无间歇的正弦波，荷载最大值为50kN，最小值为200N；加载频率为10Hz。试验温度为20℃。疲劳破坏的判断标准为：铺装层中的柔性填料（或沥青混合料）表面开始出现开裂；或铺装层中的柔性填料（或沥青混合料）与桥面钢板结合面开始出现分层现象。表2给出了疲劳试验结果。
表2 疲劳试验结果
试验结果表明，在相同的桥面钢板、铺装厚度、试验温度、作用荷载等条件下，本发明铺装结构最大加载次数为对比铺装结构的21.7倍。疲劳试验结果说明：现有钢桥面上的沥青混合料类铺装层，由于桥面钢板薄，铺装体系整体刚度小，铺装层抗弯能力弱，易产生疲劳裂缝。本发明钢质网格增加了铺装体系的整体刚度，提高了铺装层的抗弯性能，从而增强了铺装层的抵抗疲劳开裂能力，显著延长了铺装层的使用寿命。
Claims (10)
1.一种钢桥面铺装结构，其特征在于包括：铺设在桥面钢板（3）上的由钢质网格（1）形成的网格片和填充钢质网格（1）内部空隙的柔性填料（2）。
2.根据权利要求1所述的一种钢桥面铺装结构，其特征在于所述钢质网格为正四边形或正六边形。
3.根据权利要求1所述的一种钢桥面铺装结构，其特征在于所述钢质网格的边长为30 mm ~100mm；网格的壁厚为1mm~10mm；网格的高度为10mm~25mm。
4.根据权利要求1所述的一种钢桥面铺装结构，其特征在于所述钢质网格采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的Q345qC等级的钢材制成。
5.根据权利要求1所述的一种钢桥面铺装结构，其特征在于柔性填料的上表面与钢质网格的上表面齐平。
6.根据权利要求1所述的一种钢桥面铺装结构，其特征在于柔性填料采用表面撒布碎石的热熔沥青类材料，其中，沥青采用道路石油沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青或掺配天然沥青的道路石油沥青，其中沥青类材料的厚度为网格的高度的0.1~0.2倍；所述碎石采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中表7.8.3规定的S12规格的粗集料。
7.权利要求1~6任一项所述钢桥面铺装结构的铺装方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，加工成片的所述钢质网格；
第二步，在桥面钢板上焊接固定所述钢质网格，将钢质网格的底边全部焊接在钢桥面上；焊缝强度高于母材标准；对桥面钢板和钢质网格采用喷丸处理，表面除锈等级为Sa3.0级；并喷涂环氧底漆，环氧底漆干膜厚度为0.05mm~0.07mm；
第三步，洒布沥青类柔性填料，然后撒布碎石；
第四步，喷洒乳化沥青，乳化沥青采用《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的PCR型改性乳化沥青；乳化沥青洒布量为0.3kg/m2~0.6 kg/m2；
第五步，碾压。
8.根据权利要求7所述的铺装方法，其特征在于第三步中，沥青类材料的洒布温度为160℃~190℃；洒布厚度为铺装层厚度的0.1~0.2倍；沥青类材料与碎石的洒布时间间隔不超过2min；所述碎石撒布量的控制方法为：碾压完毕，碎石表面与网格表面齐平。
9.根据权利要求7所述的铺装方法，其特征在于第五步所述碾压采用总质量为25t~30t的轮胎压路机，在碎石表面碾压2~4遍。
10.根据权利要求7所述的铺装方法，其特征在于第五步所述碾压后扫除表面松散的碎石，待沥青类材料表面温度降低到60℃以下时，即可开放交通。
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