CN111705673A - 一种高聚物钢桥面铺装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高聚物钢桥面铺装结构，采用高分子可控聚合与拓扑合成技术，通过配伍性、力学性能、路用性能、施工和易性对比最终采用单组分高分子聚合物。确定高分子聚合物的配伍设计方案及制备工艺后制备高分子聚合物混凝土。本发明开发出替代传统沥青基铺装材料的高分子聚合物混凝土桥面铺装材料，通过对新型材料铺装结构的性能验证及设计优化，最终形成预计使用寿命可达20年以上的高分子聚合物桥面铺装结构。采用本项目聚合物树脂作为胶结材料制备的路面、桥面铺装材料，施工温度范围为5℃～50℃，具有卓越的高温耐车辙性能、低温抗弯曲性能、抗疲劳性能，以及优异的耐磨性、耐水性、耐老化性等特点。

Description

一种高聚物钢桥面铺装结构

技术领域

本发明涉及道路工程材料技术领域，具体为一种路用性能优异的高分子聚合物混凝土钢桥面铺装结构。

背景技术

钢桥面铺装是大跨径钢梁桥建设的关键技术之一，钢桥面铺装技术面临的难点有：①铺装层在光滑的钢板上的粘结、防滑移和防水防腐问题；②铺装层在钢桥纵肋和横隔板上方处于不利的弯拉应变状态；③铺装层不仅要求高低温稳定性好，还要适用钢桥较大的变形。

现有技术的结构或方法主要有浇筑式沥青混凝土铺装、SMA铺装和环氧树脂沥青混凝土铺装。现有的沥青混凝土柔性结构钢桥面铺装仍存在车辙、坑槽、推移、拥包等一系列病害。SMA铺装由于局部密水性不够(局部离析),易导致透水产生桥面破坏；浇筑式沥青空隙率接近零具有优良的防水、抗老化性能、抗裂性能强、对钢板追从性好，但高温稳定性差，施工需专用设备，施工复杂，施工温度高；环氧树脂沥青铺装强度高、整体性好、高温性能好、具有很好的抗疲劳性能，但低温抗裂性能差、工艺复杂，施工难度大(施工时防水要求高)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高聚物钢桥面铺装结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高聚物钢桥面铺装结构，首先制备铺装结构中的高分子聚合物混凝土，其次将所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构；其中，高分子聚合物混凝土的制备包括以下步骤：

步骤1：制备高分子聚合物胶结料，在聚醚多元醇中添加3％的聚合物树脂及1％的多异氰酸酯；

步骤2：制备高聚物沥青混合料，混合料包括集料、填料、高分子聚合物混凝土；集料包括细集料及粗集料，所述细集料为碎石料、所述粗集料选用玄武岩；所述填料先用矿粉；所述高分子聚合物混凝土选取AC-13；制备混合料，首先要求高分子聚合物胶结料135℃的旋转粘度为1.0～3.0MPa，与细集料为碎石料具有优异的裹覆性；选用不结晶的聚醚多元醇作为软段，添加3％的聚合物树脂，进行混合料常温拌合；此外，添加1％的多异氰酸酯，合成的聚氨酯树脂具有较温和的固化速度和平缓的粘度上升曲线，树脂的凝胶时间大于4小时，且施工温度范围为5℃～50℃；

步骤3：高分子粘结剂按7.0％胶石比来确定；

步骤4：取集料、填料，高分子聚合物胶结料按照高聚物混合料级配采用AC-13级配比进行拌合，先对集料进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的高分子聚合物胶结料，在常温下进行两次90秒拌合，通过马歇尔试验方法击实成型试件，对不同成型方法及不同时间成型后养护时间分别进行劈裂试验；在进行不同成型方法试验时，控制拌合后静置时间为1.5小时，养护时间为三天，击实次数分别为25次、50次、75次；在对试件成型后不同养护时间进行劈裂强度测试时，击实次数为50次，拌合后静置时间为1.5小时，养护时间分别为1d、2d、3d、5d、7d，制备完成高分子聚合物混凝土；

所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装具体步骤为：第一步，桥面铺装现状调研；第二步，基于病害的调研的结构层设计技术指标要求；第三步，对步骤4中高分子聚合物混凝土研发及试验；第四步，防水粘结层及铺装层技术要求；第五步，性能验证及材料优化设计；第六步，进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明开发出替代传统沥青基铺装材料的高分子聚合物混凝土桥面铺装材料，通过对新型材料铺装结构的性能验证及设计优化，最终形成预计使用寿命可达20年以上的高分子聚合物桥面铺装结构。采用本项目聚合物树脂作为胶结材料制备的路面、桥面铺装材料，施工温度范围为5℃～50℃，具有卓越的高温耐车辙性能、低温抗弯曲性能、抗疲劳性能，以及优异的耐磨性、耐水性、耐老化性等特点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中AC-13型混合料合成级配曲线图。

图2是本发明实施例中养护时间对强度的影响示意图。

图3是本发明高聚物钢桥面铺装结构铺装步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种路用性能优异的高分子聚合物混凝土钢桥面铺装结构：首先制备铺装结构中的高分子聚合物混凝土，其次将所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构；其中，高分子聚合物混凝土的制备包括以下步骤：

采用高分子可控聚合与拓扑合成技术，通过配伍性、力学性能、路用性能、施工和易性对比最终采用单组分高分子聚合物。确定高分子聚合物的配伍设计方案及制备工艺后制备高分子聚合物混凝土。对此高聚物钢桥面铺装结构进行一系列性能验证，包含高、低温性能、水稳定性、疲劳性能。

步骤1：制备高分子聚合物胶结料；在聚醚多元醇中添加3％的聚合物树脂及1％的多异氰酸酯。钢桥面铺装高分子聚合物胶结料技术要求见表1：

表1高分子聚合物胶结料技术要求

步骤2：制备高聚物沥青混合料；混合料包括集料、填料、高分子聚合物混凝土；集料包括细集料及粗集料，所述细集料为碎石料、所述粗集料选用玄武岩；所述填料先用矿粉；所述高分子聚合物混凝土选取AC-13；制备混合料，首先要求高分子聚合物胶结料135℃的旋转粘度为1.0～3.0MPa，与细集料为碎石料具有优异的裹覆性；选用不结晶的聚醚多元醇作为软段，添加3％的聚合物树脂，进行混合料常温拌合；此外，添加1％的多异氰酸酯，合成的聚氨酯树脂具有较温和的固化速度和平缓的粘度上升曲线，树脂的凝胶时间大于4小时，且施工温度范围为5℃～50℃；

步骤201：集料在混合料中起到整体骨架和填充作用，不同颗粒大小的集料在混合料中的作用不同，所以相应的技术要求也不同。集料技术要求为：细集料技术要求应满足表2；本发明粗集料选用玄武岩，技术要求应满足表3；矿粉做为填料技术要求应满足表4；

表2细集料试验结果汇总表

技术指标	单位	试验结果	技术要求	试验方法
					表观相对密度	-	2.713	≥2.50	T 0328
砂当量	％	65.3	≥60	T 0334
					棱角性	S	34.2	≥30	T 0345

表3粗集料试验结果汇总表

表4矿粉试验结果汇总表

步骤202：高分子聚合物混凝土级配

本发明选取AC-13作为高分子聚合物混凝土级配，空隙率小，密实性好，可以有效的防止水的渗透，具有较好的水稳定性。AC-13型沥青混合料是属于悬浮密实型沥青混合料，本发明根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求,AC-13矿料级配组成见表5和附图1。

表5 AC-13矿料筛分及合成级配

根据上表所示的高分子聚合物混凝土技术要求，最佳胶石比的确定采用基于高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和疲劳性能的性能平衡设计方法。

步骤3：高分子粘结剂按7.0％胶石比来确定；

高分子粘结的用量不能使用传统的马歇尔试样方法来确定，本发明采用基于高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和疲劳性能的性能平衡设计方法见表6。

表6 AC-13级配不同高分子粘结剂用量下的路用性能

通过上述数据可知，随着混合料胶石比的提高，路用性能显著提高，但是当加入胶的比例达到过高时，击实成型后表面泛胶，显然，当加入超量的胶时，高分子聚合物混凝土结构内部的空隙已经被粘合料填充满，在设计级配的条件下，7.0％胶石比已有较好的施工和易性，且孔隙率较小，混合料足够密实，因此最终确定最佳胶石比为7.0％。

步骤4：拌合方法与养护龄期：取集料、填料，高分子聚合物胶结料按照高聚物混合料级配采用AC-13级配比进行拌合。先对集料进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的高分子聚合物胶结料，在常温下进行两次90秒拌合，通过马歇尔试验方法击实成型试件，对不同成型方法及不同时间成型后养护时间分别进行劈裂试验。在进行不同成型方法试验时，控制拌合后静置时间为1.5小时，养护时间为三天，击实次数分别为25次、50次、75次；在对试件成型后不同养护时间进行劈裂强度测试时，击实次数为50次，拌合后静置时间为1.5小时，养护时间分别为1d、2d、3d、5d、7d，制备完成高分子聚合物混凝土。击实次数对劈裂强度的影响试验结果见表7，养护时间对强度的影响见附图2。

表7击实次数对劈裂强度的影响

击实次数	单位	实测值(KN)
			25	次	18.6
50	次	22.5
			75	次	23.7

综上所述，采用以上配伍设计方案及制备工艺进行高分子聚合物混凝土的制备。

高分子聚合物铺装材料可在常温下拌合、摊铺和碾压，与沥青基铺装材料相比，不仅工艺性优，而且还节能环保。碎石料为铺装材料的主要组成部分，因此，制备混合料，首先要求聚合物树脂胶结材料135℃的旋转粘度为1.0～3.0MPa，与石料具有优异的裹覆性。选用不结晶的聚醚多元醇作为软段，添加3％的聚合物树脂，进行混合料常温拌合。此外，添加1％的多异氰酸酯，合成的聚氨酯树脂具有较温和的固化速度和平缓的粘度上升曲线，树脂的凝胶时间大于4小时，且材料中的-NCO基团与水反应产生的气泡较少，且施工温度范围为5℃～50℃，可操作时间长，可摊铺性强，且碾压时机易于把握，因此，完全能够满足路面、桥面摊铺和碾压的工艺需求。

聚合物树脂胶结材料中的—NCO基团在固化后形成的氨酯甲酸酯键、脲基甲酸酯键等硬段单元，不仅具有优异的粘结力，还可以保证固化后材料的硬度和强度。通过对多官能度单体的科学选择与合理搭配，能够实现对材料交联密度的调控，从而提高材料的液体阻隔性、抗形变能力等性能。综上所述，采用本项目聚合物树脂作为胶结材料制备的路面、桥面铺装材料，且施工温度范围为5℃～50℃，具有卓越的高温耐车辙性能、低温抗弯曲性能、抗疲劳性能，以及优异的耐磨性、耐水性、耐老化性等特点。

本发明中所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装具体步骤为：第一步，桥面铺装现状调研；第二步，基于病害的调研的结构层设计技术指标要求；第三步，对步骤4中高分子聚合物混凝土研发及试验；第四步，防水粘结层及铺装层技术要求；第五步，性能验证及材料优化设计；第六步，进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构。

进行铺装的第二步中，基于病害的调研的结构层设计技术指标要求：

根据现有桥面铺装结构体系及其病害情况(包括层间位移、铺装上层拉裂等)的广泛调研，通过力学计算分析确定本发明结构层技术要求的过程如下：通过计算得出，铺装层厚度为5.5cm时，为防止发生层间位移病害，铺装层与防水层层间剪应力不小于0.43MPa；当铺装层厚度为3cm时，其层间剪应力不应小于0.69Mpa，。考虑到钢桥在耦合应力作用(特别是车辆超载)受力状态较复杂，参考国内外相关研究经验，取安全系数为1.6，我们可以得到铺装厚度5.5cm时容许最大剪应力为0.688MPa，铺装层厚度为3cm时，其层间抗剪强度不应小于1.2Mpa。即双层铺装与防水层的抗剪强度应不小于0.69MPa，单层铺装与防水层的抗剪强度不小于1.2Mpa。

由力学分析计算得到不同层位的最大允许弯拉应力为0.913Mpa，而当单层铺装时其最大允许弯拉应力为1.192Mpa。同样考虑到钢桥在耦合应力作用(特别是车辆超载)受力状态较复杂，参考国内外相关研究经验，取安全系数为1.3。

综上，根据桥面铺装的受力分析并综合考虑上部结构自重以及工程结构造价等多方面的影响因素，钢桥面铺装应采用薄型铺装，建议铺装层厚度取30-60mm。当选用双层铺装时，铺装与防水层的抗剪强度应不小于0.69MPa，弯拉强度不小于1.187MPa，当选用单层铺装时，铺装与防水层的抗剪强度不小于1.2Mpa，弯拉强度不小于1.550Mpa。

进行铺装的第四步中，对于防水粘结层及铺装聚合物混凝土层技术要求，防水粘结层技术要求如表8所示，铺装聚合物混凝土层技术要求如表9所示：

表8高分子聚合物防水粘结层材料技术指标

根据力学分析的计算结果，当大跨径钢桥面铺装设计为单层时，粘结层的抗剪强度应大于等于1.2MPa。

表9桥面铺装聚合物混凝土技术要求

综上所示，本专利在材料研发的基础上，通过结构设计技术指标来确定铺装层形式和厚度，之后进行材料组成，根据混合料各指标的平衡设计确定级配和最佳胶石比，形成铺装结构层；防水粘结层材料性能和力学性能需满足上述指标要求，最终形成高聚物桥面铺装结构。

进行铺装的第5步中，本发明开发的高分子聚合物混凝土各项路用性能均优于环氧沥青混合料、改性沥青混合料相比，其动稳定度达58764次、最大弯拉应变(-10℃)达到16670με，冻融剩余劈裂强度为0.8Mpa，疲劳寿命(20摄氏度,1200με)达到119万次，且跟随变形性及抗老化性能优异。

本发明路用性能对比分析：

通过70℃、0.7MPa下的车辙试验来评价其高温稳定性，通过-10℃的低温小梁弯曲试验来检验其低温抗裂性能，通过15℃、1200με条件下的疲劳试验来检验其疲劳寿命。在高分子聚合物混凝土的开发过程中，多次试验结果表明，高分子聚合物混凝土的冻融劈裂强度比(TSR)约在40％左右，但试验组(经过一次或多次冻融循环的试件)的劈裂强度仍高于普通沥青混合料的劈裂强度，因此本发明采用冻融循环剩余劈裂强度来评价其水稳定性。选择最终的配合比设计结果，根据沥青混合料的试验方法制作试件进行试验，试验结果如表10示，高分子聚合物混合料性能与目前大跨径钢桥面铺装常用材料路用性能对比见表11。

表10高分子聚合物混凝土路用性能检测

表11聚合物混凝土与沥青类混凝土性能对比

沥青混合料中，高温稳定性较好的为环氧沥青混合料，其动稳定度一般在7000次/mm～10000次/mm，低温抗裂性能较好的为浇筑式沥青混合料，其最大低温弯拉应变为4500με～6000με，而由于新型高分子聚合物混凝土为热固性材料，温度敏感性低，高温几乎无车辙，动稳定度达到58764次、最大弯拉应变达到16670με，高温稳定性提升6倍左右，低温抗裂性提升近3倍；在抗疲劳性能方面，大微应变(1200με)条件下，疲劳寿命较高的环氧沥青混合料一般为12万次左右，新型高分子聚合物混凝土韧性较好，疲劳寿命达到了119万次，为环氧沥青混合料疲劳寿命的10倍左右；在水稳定性能方面，本发明针对新型高分子聚合物混凝土提出了新的评价指标—冻融循环剩余劈裂强度，新型高分子聚合物混凝土经过冻融循环后剩余劈裂强度仍能达到0.8MPa，这与目前水稳定性较好的环氧沥青混合料不经过冻融循环时的强度类似，完全满足路面使用要求；在弯拉强度方面，聚合物混凝土弯拉强度达到了6.7MPa，远远高于通过力学分析得到的标准1.55MPa。

本发明跟随变形性能对比分析：

铺装层混凝土和钢桥面板都有热胀冷缩的特性，线胀系数是平均收缩或膨胀应变与温差的比值，是表征材料随温度变化而产生形变大小的指标，线胀系数越大则材料的热胀冷缩效应越强。如果铺装层和钢桥面板的线膨胀系数差距较大，层间的温度应力就比较大，这样铺装层就容易出现脱层、开裂等病害。开发新型的铺装材料时需要考虑其线胀系数与钢材线胀系数的关系，环氧沥青混凝土的线胀系数较接近钢材的线胀系数，因此选择环氧沥青混凝土对聚合物混凝土的线胀系数进行对比分析。

试验方法选择JTG E20-2011的T0720试验。将混凝土板切割为200mm×20mm×20mm的长方体试件，按照5℃/h的降温速率和10℃～-20℃的降温区间对试件进行降温，每隔10℃测定试件的长度，得到试件在不同温度区间内的线胀系数，最后求出平均线胀系数。试验结果如表12所示：

表12线胀系数试验结果(10^-5)

在-20℃～-10℃区间内环氧沥青混凝土以及聚合物混凝土的线胀系数都非常接近钢材的线胀系数，随着温度的升高两种类型混凝土的线胀系数均有所升高，超过了钢材的线胀系数，相比之下，AC-13型聚合物混凝土的平均线膨胀系数＜AC-10型聚合物混凝土的平均线胀系数＜环氧沥青混凝土的平均线胀系数，聚合物混凝土的线胀系数更接近于钢材，与钢桥面板之间的温度应力更小。这是由于聚合物混凝土中不含沥青，对温度的敏感性相对较小，因此线胀系数随温度区间的变化幅度较小。

桥面铺装作为桥梁行车体系的组成部分，起到联结桥梁结构、分散交通荷载、减缓行车对桥面板的冲击和保护钢桥面板的重要作用。铺装层质量的好坏不仅影响着行车的安全和舒适性，同时还关乎桥梁体系的耐久和投资效益。

聚氨酯类高分子聚合物弹性范围广，柔韧性好，适用于长期动态挠曲受力环境，耐磨、抗冲击性高，防腐蚀能力强，并可与木材、金属、无机材料和大部分塑料材料紧密粘结、温度敏感性低、对水的敏感性较低；研发的基于聚氨酯类聚合物的桥面铺装材料具有卓越的高温耐车辙性能、低温抗弯曲性能、抗疲劳性能，以及优异的耐磨性、耐水性、耐老化性等特点。

本发明开发出替代传统沥青基铺装材料的高分子聚合物混凝土桥面铺装材料，通过对新型材料铺装结构的性能验证及设计优化，最终形成预计使用寿命可达20年以上的高分子聚合物桥面铺装结构。采用本项目聚合物树脂作为胶结材料制备的路面、桥面铺装材料，施工温度范围为5℃～50℃，具有卓越的高温耐车辙性能、低温抗弯曲性能、抗疲劳性能，以及优异的耐磨性、耐水性、耐老化性等特点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高聚物钢桥面铺装结构，其特征在于，首先制备铺装结构中的高分子聚合物混凝土，其次将所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构；其中，高分子聚合物混凝土的制备包括以下步骤：

步骤1：制备高分子聚合物胶结料，在聚醚多元醇中添加3％的聚合物树脂及1％的多异氰酸酯；

步骤2：制备高聚物沥青混合料，混合料包括集料、填料、高分子聚合物混凝土；集料包括细集料及粗集料，所述细集料为碎石料、所述粗集料选用玄武岩；所述填料先用矿粉；所述高分子聚合物混凝土选取AC-13；制备混合料，首先要求高分子聚合物胶结料135℃的旋转粘度为1.0～3.0MPa，与细集料为碎石料具有优异的裹覆性；选用不结晶的聚醚多元醇作为软段，添加3％的聚合物树脂，进行混合料常温拌合；此外，添加1％的多异氰酸酯，合成的聚氨酯树脂具有较温和的固化速度和平缓的粘度上升曲线，树脂的凝胶时间大于4小时，且施工温度范围为5℃～50℃；

步骤3：高分子粘结剂按7.0％胶石比来确定；

步骤4：取集料、填料，高分子聚合物胶结料按照高聚物混合料级配采用AC-13级配比进行拌合，先对集料进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的高分子聚合物胶结料，在常温下进行两次90秒拌合，通过马歇尔试验方法击实成型试件，对不同成型方法及不同时间成型后养护时间分别进行劈裂试验；在进行不同成型方法试验时，控制拌合后静置时间为1.5小时，养护时间为三天，击实次数分别为25次、50次、75次；在对试件成型后不同养护时间进行劈裂强度测试时，击实次数为50次，拌合后静置时间为1.5小时，养护时间分别为1d、2d、3d、5d、7d，制备完成高分子聚合物混凝土；

所述高分子聚合物混凝土按一定方法和技术要求进行铺装具体步骤为：第一步，桥面铺装现状调研；第二步，基于病害的调研的结构层设计技术指标要求；第三步，对步骤4中高分子聚合物混凝土研发及试验；第四步，防水粘结层及铺装层技术要求；第五步，性能验证及材料优化设计；第六步，进行铺装，形成高聚物钢桥面铺装结构。

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