13万平方米钢桥铺装 藏着这些奥秘华工张肖宁教授团队承担桥面铺装设计与施工技术研究
[摘要]华工张肖宁教授团队承担桥面铺装设计与施工技术研究
整幅摊铺工程现场。
抗滑性能优良的桥面铺装。
南沙大桥通车
4月2日，粤港澳大湾区“超级工程”南沙大桥通车，这是《粤港澳大湾区发展规划纲要》发布后湾区首项超级工程完工开通。
南沙大桥之所以被誉为举世无双，是因同一项目中包含由两座超千米级特大跨度悬索桥构成的主桥，其中坭洲水道桥主跨达到1688米，位居钢箱梁悬索桥世界第一。
钢箱梁桥面铺装，成为制约南沙大桥开通的瓶颈工程———这是国内单体热拌环氧铺装面积（铺装面积13万平方米）最大、施工难度最复杂、最具有挑战性的工程项目。
华南理工大学张肖宁教授团队参与钢桥铺装难题的技术攻关，承担桥面铺装设计与施工技术研究工作，桥面铺装耐久性和使用性能显著提高。张肖宁是我国知名的路面工程专家，在钢箱梁桥面铺装工程中多有建树。
如何抗滑密水又耐久？
国内外首次使用热拌式环氧沥青+FAC钢桥面铺装方式
“桥是（交通的）关键节点，耐久性和抗滑性非常重要。”张肖宁说，南沙大桥地处湿热高温地区，钢箱梁桥面铺装必须具有足够的耐久性，也必须保证铺装具有足够的抗滑性能，以确保未来巨大交通流量下的交通安全。
多雨地区的广州全年180天在降雨，提高南沙大桥的耐久性和抗滑性是张肖宁团队的核心技术工作。
华南理工大学道路工程研究所在铺装设计阶段通过深入研究和反复比选，提出采用热拌式环氧沥青铺装体系的建议，并协助设计单位完成了施工图设计。借鉴以往同类工程病害多、运营期维修量大且表面滑溜等经验教训，采用了富沥青含量沥青混凝土（FullAsphaltContent，FAC）设计方法进行混合料级配设计。
自此，南沙大桥成为国内外首次大面积使用热拌式环氧沥青FAC型钢桥面铺装的大桥。团队为南沙大桥桥面铺装设计了耐久、防水、表面抗滑等综合性能优良的铺装结构与材料组成。
富沥青含量沥青混凝土（FAC）设计方法由张肖宁首创，20年间共有6名博士研究生相继进行深入研究，形成了完善的设计体系，曾在广佛高速等国内多项工程中应用。
由于是国内外首次大面积使用热拌式环氧沥青+FAC钢桥面铺装，且铺筑数量巨大，合理选择原材料确定FAC配合比难度较大。张肖宁团队历时一年多，经过数十种材料比选与试验评价，最终形成以粗集料为骨架、细集料与沥青胶浆填充骨架孔隙的技术方案，既保证骨架充分嵌挤，又使孔隙率得到有效控制。该设计既保证铺装下层具有良好的钢板追随性和抗疲劳性能，又克服了铺装下层因孔隙率极低易形成鼓包的难题，同时，其又具备良好的密水性和优良的上层抗滑能力。
团队还采用自主研发的路面抗滑纹理测试仪评价钢桥抗滑性能。这一方法可以更为科学地评价桥面抗滑的实际能力，找到导致抗滑性能下降的材料组成原因和施工质量问题，确保抗滑性能具有足够的均匀性。
据介绍，已完成环氧沥青铺筑的钢桥面，其耐久性、高温稳定性、低温稳定性、水稳定性、密水性及抗滑性能等均满足设计要求，克服了环氧铺装的质量通病，达到了预期目标。
如何铺装碾轧？
以秒计算，采用并机梯队全幅摊铺工艺
钢箱梁铺装工程进度，直接影响南沙大桥的整体施工进度和开放交通时间，钢桥面铺装作为建桥的最后环节，往往会面临工期不够的问题。
为了保证南沙大桥钢箱梁桥面铺装的质量和工期，在张肖宁教授主持下，华南理工大学道路工程研究所与肖宁道路工程技术研究事务所共同承担了钢桥面铺装的质量技术与质量控制的研究工作。经过4个月的努力，攻克了钢桥环氧沥青混合料施工配合比设计、钢桥铺装环氧体系施工组织、钢桥环氧铺装碾轧工艺与时机控制等技术难题。
钢桥面铺装的碾轧工艺十分关键。张肖宁说，如果压得慢时间长，材料容易松散破坏，压不了了。“你压得过了，好不容易设计的表面粗糙程度，由于油反渗上来导致路面就变光了。”
碾轧工艺对时间要求极其严格，摊铺机的速度使用仪器测量后以秒为时间单位控制其行驶速度。同时钢桥面铺装需要避开雨天，团队成员在现场直接通过仪器观测天气，以判断是否施工。
传统工艺采用半幅摊铺、单车道摊铺等施工摊铺工艺，不仅进度缓慢，同时也会产生不可愈合的纵向施工接缝，成为铺装层的薄弱环节，在高温、荷载及雨水等反复作用下逐步产生开裂。
经研究论证，工程最终采用并机梯队全幅摊铺工艺，由两台摊铺机将总摊铺宽度调整至钢桥行车道设计宽度，不仅消除了纵向施工接缝，同时提高了施工效率。
为了确保成效，团队与钢桥铺装参建单位先后在场区、匝道、主桥进行了9次桥面铺装首件工程，通过控制出料温度，初压、复压、终压的压实温度，摊铺机摊铺速度，压路机数量、种类与压实速度，确保压路机“紧跟慢压”的压实状态，来减少由于压实问题导致铺装层的质量缺陷。
采用该方案，2019年1月30日完成了全部的钢箱梁桥面铺装，为保证4月2日通车提供了重要支撑。张肖宁说，南沙大桥的抗滑优势、施工质量控制的方法和结果都处于世界领先地位。
记者获悉，张肖宁刚刚完成港珠澳大桥钢箱梁桥面浇注式沥青混凝土铺装工程研究后，即组织团队投身于南沙大桥钢箱梁桥面热拌环氧沥青铺装的研究工作中。
谈及高校产学研，张肖宁感慨道，很多高校的理论研究运用至工程后不能承受，工程的造价、工期、施工、设备质量、管理的方法都是高校实验过程中需要考虑的因素。他认为，将实验室里再好的东西用到工程上，都必须以质量为本，必须保证工期。“将其作为一个绝对优先的一个条件，保证不了工期，再好的东西都没有用。”
如何保证钢桥施工厚度与均匀性？
采用国际最先进的三维探地雷达法，自主开发的红外成像技术
桥面铺装是否均匀？厚度是否一致？这里也有技术加持。
为了保证南沙大桥环氧沥青钢箱梁桥面铺装的工程质量，在施工全过程中，张肖宁团队采用国际上最为先进的三维探地雷达法控制钢桥施工厚度与均匀性，通过对铺装层进行全断面厚度检测，以大数据的方式获得钢桥铺装层的实际厚度分布，为厚度控制与改善提供数据支撑。
铺装过程如何防止水泡鼓包和脱层？由于铺装下层环氧沥青混凝土后，残留水分在高温条件下逐渐汽化，难以从致密的结构层挥发出去，液气相态转变的高压将铺装层顶起形成鼓包。油脂的存在则降低黏结层粘结效果导致脱层病害的产生。
张肖宁认为，铺装层鼓包及脱层是导致钢桥面铺装早期病害产生的重要因素，他说：“这鼓包过去是靠人工来看，拿小锤子去敲像是鼓包的地方，所以遗漏的非常多。”
张肖宁团队采用自主开发的红外成像技术进行铺装下层鼓包脱层排查，确定其位置与面积大小，确保所有鼓包及脱层得以确认和修复，有效降低发生同类工程经常产生的早期病害的风险。
他说：“凡是鼓包，凡是脱层的地方，它里面空气在下午的时候温度要比别的地方要高。我们用远红外成像技术来判定温度，温度高的地方肯定有鼓包。”他表示鼓包的问题基本得到了改善。
如此，团队彻底解决了环氧沥青混凝土由于容留时间长、温度高，整体固化程度高导致难以压实，最后形成强度不足、铺装层松散等问题。同时，也避免了悬浮密实级配的环氧沥青混凝土由于压实离析产生局部区域细集料上浮、泛油的现象，细料上浮造成抗滑性不足的问题。
采写：南都记者贺蓓实习生周宇
通讯员卢庆雷许颖
图片：受访者提供
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