随着公路交通的快速发展，我国修筑了越来越多的大跨径钢箱梁桥，钢箱梁具有强度高、重量轻、抗震及结构性能优良等诸多优点。目前钢桥面铺装结构类型主要有3种：改性沥青SMA沥青混凝土、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土。随着南京长江二桥首次使用悬浮密实型级配的环氧沥青混凝土结构作为铺装层，国内多座桥梁的沥青铺装层开始采用这种结构设计。但是，随着铺装使用多年及高温重载等恶劣的使用条件，不少正交异性板钢桥面出现了抗滑性能差以及疲劳开裂等病害[1-3]。分析原因得出：受桥梁设计荷载和铺装层厚度影响，环氧沥青混合料配合比设计时最大粒径一般为9.5mm，且所采用级配设计为悬浮密实型结构，该结构的铺装层构造深度和摩擦系数指标相对较小，抗滑性较差，特别是在桥梁纵坡大、跨径大和路面湿润时，路面抗滑性能急剧衰减。另外，施工质量控制、高温重载因素容易造成环氧沥青混凝土桥面铺装出现病害。

虎门二桥是广东省高速公路规划网中连接广州和东莞的重要东西向通道，路线全长12.891km。桥面宽度40.5m，双向八车道。项目建成初期交通量高达31953pcu/d。虎门二桥主要有两座大跨径悬索桥：坭洲水道桥(钢箱梁长度为548m＋1688m)、大沙水道桥(钢箱梁长度为1200m)。桥面纵坡2.5%，且两座大跨径悬索桥处于长大纵坡顶部区域。桥位地区年降雨量大于1813.2mm，雨量充沛，气候潮湿，项目地处夏炎冬湿地区。由于虎门二桥具有交通量大、气候条件差、纵坡大等特点，因此对钢桥面铺装层在抗滑、高温稳定、抗剪和抗疲劳等性能指标方面的要求较高。

结合虎门二桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装，通过提高部分粗集料性能指标和加工储存工艺水平，采用体积设计法(CAVF)对环氧沥青混合料的级配进行优化设计，并验证其抗滑性、高温稳定性和抗水损害性能，通过试验路的铺筑和计算验证确定精确的施工参数，大幅提高钢桥面沥青混凝土铺装质量，使钢桥面铺装层的使用寿命得到有效延长，为今后大跨径钢箱梁桥面铺装施工提供经验。

虎门二桥钢桥面行车道的桥面铺装结构组成为：防水黏结层＋30mm环氧沥青混凝土下面层(EA10细级配)＋黏结层＋35mm环氧沥青混凝土上面层(EA10粗级配)[4]。

沥青

基质沥青：针入度等级为70号的道路沥青。环氧树脂：环氧树脂主剂和固化剂按0.56∶0.44比例混合后所形成的混合物；再与基质沥青按1∶1的比例混合，在一定条件下固化成型，形成环氧沥青。

集料

考虑到钢桥面铺装的使用条件和环境要求更为严格，因此需进一步提高集料的关键指标标准。

(1)集料加工工艺与存储。

集料为中山集料加工厂生产，中山集料厂曾为港珠澳大桥桥面铺装提供专用集料，该集料厂重点研究解决了以下几个问题：

①为确保集料生产的干燥及集料除尘的可靠性，生产线、半成品原材料及成品集料的存储全部在密闭钢结构厂房内实施，并配置专用除尘设备，集料生产不受天气因素的影响，并达到无尘化生产的目标；

②钢桥面铺装技术要求将细集料的分档进一步细分，中山集料厂细集料的分级可实现0~0.075mm、0.075~0.212mm、0.212~0.6mm、0.6~2.36mm的要求；

③由于粗、细集料的岩性不同，需设置独立、并且可联机运转的生产线，以确保集料生产的灵活性；

④集料加工采用干法布袋式除尘设备除尘，通过配置立轴冲击式破碎机、空气筛和多电机振动概率筛等专用设备的生产线生产，并袋装出库；

⑤基于存储卡的信息化技术，将集料产品的母材信息、半成品信息、成品信息、库存信息、质量信息等存储在存储卡内。

(2)集料的技术指标要求。

所用石料原材选用河源芙蓉石场辉绿岩碎石，碎石由中山集料工厂二次精加工，机械化称量及装袋。集料分为0~3mm机制砂、3~5mm和5~10mm碎石，填料为石灰岩矿粉，材料的各项指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。原材料的主要指标检测结果见表1。

体积设计法的主要步骤如下：(1)通过实测主骨架集料的空隙率得出其空隙体积；(2)通过Ｖ细集料体积＋Ｖ沥青体积＋Ｖ矿料体积＋Ｖ混合料最终设计空隙体积＝Ｖ主骨架的空隙体积，得出细集料与沥青用量[5]；(3)填充主骨架空隙的沥青胶浆由沥青和细集料组成，控制细集料颗粒的尺寸不能太大及相对连续级配用量，可避免集料的干涉。按这种思路设计出沥青混合料，既可使骨料充分嵌挤，又可使沥青胶浆充分填充主骨架间隙，使粗骨料的嵌挤作用和沥青胶浆的耐疲劳性能得到充分发挥，从而全面提高沥青混合料的性能[5，6]。

粗集料级配与空隙率(VCA)确定

根据各档集料在沥青混合料中发挥的作用不同，划分为粗集料和细集料，按照体积法的规定：细集料界定尺寸为粗集料最大粒径的1/6，因此确定2.36mm为环氧沥青混合料的粗细集料的筛孔分界尺寸。

(1)实测粗集料的紧装密度。

固定盖筒和马歇尔试模，Ф101.6mm，高63.5mm，将马歇尔试模作为紧装密度检测桶，使用马歇尔击实仪，击实100次，测定其紧装密度ρj。经测定ρj＝1.70g/cm3。

(2)测定并计算集料的表观密度。

通过试验测得环氧沥青上面层混合料的各表观密度：5~10mm碎石为2.939 g/cm3 ，3~5mm碎石为2.937 g/cm3 ，0~3mm机制砂为2.921 g/cm3 。各集料的表观密度为：矿粉为2.720 g/cm3 ，粗集料为2.938 g/cm3 ，机制砂为2.921 g/cm3 ，环氧沥青为1.046 g/cm3 。

(3)按式(1)计算主骨架空隙率VCA。

确定矿粉用量、沥青用量及目标空隙率

根据经验初步选定沥青用量为6.0%，矿粉用量为9.5%。为了提高混合料的抗渗性能和抗疲劳性能，在以往的环氧沥青混合料配合比设计中，一般采用空隙率小于3%的密级配类型，但这很容易降低铺装层的抗滑性能[7，8]。在以往环氧沥青混合料设计空隙率小于3%的基础上，考虑一定的构造深度，将设计空隙率(VV)定为1.0%，可充分发挥粗集料的骨架嵌挤作用和沥青胶浆的抗疲劳性能。通过式(2)可计算出粗集料和细集料用量：

按式(2)进行计算，得出粗、细集料用量分别为68.59%，21.91%。结合经验及上述计算结果，得出粗细集料不同规格的用量。采用数解法进行计算，根据不同规格集料的筛分级配数据确定占主要优势含量的粒级，忽略其他集料在此粒径范围内的含量，通过计算该粒径的分计筛余量，然后计算出该集料在混合料中的用量，并进行试配[9]。本合成级配在设计级配范围内，故不需要调整。混合料级配见表2。

确定最佳油石比

最佳沥青用量根据马歇尔试验确定。在保持粉胶比和粗细集料比例不变的情况下，按照标准马歇尔试验分别对沥青用量为5.9%，6.2%，6.5%，6.8%，7.1%的混合料进行试验。采用表干法分别对表3中5种配合比混合料进行马歇尔试验，测得沥青饱和度、空隙率、流值等指标，然后根据马歇尔稳定度指标确定最佳沥青用量。

由表3可知：(1)空隙率中值所对应的沥青用量为6.5%；(2)最大毛体积密度对应的沥青用量为5.9%；(3)固化后最大稳定度对应的沥青用量为5.9%；(4)饱和度中值对应的沥青用量为6.5%。则上面层初始油石比为ＯＡＣ1＝((1)＋(2)＋(3)＋4))/4＝6.20%。

水稳定性与高温稳定性检测

采用油石比为6.2%的配合比制备马歇尔试件与车辙试件，按《公路工程及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行了EA-10沥青混合料浸水马歇尔试验与车辙试验，测得残留稳定度为97.5%，测得动稳定度为147000次/mm，均能较好地满足设计要求，见表4。

密水性检测

由表4可知，应用体积设计法进行配合比设计后，混合料的空隙率为0.65%，与1.0%目标空隙率较为接近，渗水试验结果为0ml/min，证明采用体积设计法优化设计对环氧沥青混合料的防水性能和抗渗性能有较大提高。为了进一步验证采用体积设计法的环氧沥青混合料的抗滑性能，在常温条件下分别进行构造深度和摩擦系数检测，见图1，测得构造深度为1.06mm，干燥状态下的摩擦系数为86，湿润状态下的摩擦系数为75。试验结果表明，体积设计法对环氧沥青混凝土的抗滑性能有明显提高。

2018年11月在K2＋755.6~K2＋906混凝土引桥段进行试验路铺装，试验段长度150m，宽度18.75m，采用2~3台摊铺机并机联铺的方式摊铺模拟实际主桥施工环境，铺装结构方案与主桥相同。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，在试验段实施过程中，进行了生产配合比设计，最终确定生产配合比设计的最佳油石比为6.2%。在沥青的油石比调整为6.2%以后，在保证油石比不变的前提下，适当调整沥青混合料的配合比，其他集料用量进行微调，矿粉用量为10%。调整后的环氧沥青上面层混合料生产配合比为：6~11mm碎石∶3~6mm碎石∶0~3mm机制砂∶矿粉∶油石比＝49∶20∶21∶10∶6.2。

试验段需要准备8块钢板，尺寸为0.3m×0.3m，厚度16mm，按主桥钢箱梁顶板的相同要求进行防腐层涂装和防水黏结层处理，并埋置于试验段桥面均布位置。试验段铺筑完成后取芯获得钢板和沥青铺装层的复合结构，通过对复合结构检测铺装材料与结构的黏结性能、压实度等关键性能指标。检测结果发现，试验段复合结构芯样的平均空隙率为0.3%，空隙率的均方差为0.52，可见铺装的试验路具有良好的密水性能。从芯样的横切面也可以看出，上下面层间的黏结良好。

通过计算确定施工工艺参数：拌和楼的产量确定为288t/h；根据拌和楼的产量和桥面宽度厚度等数据，确定沥青施工摊铺速度为2.5m/min，压路机碾压速度为2.5km/h。

(1)采用体积设计法(CAVF)后，环氧沥青混合料空隙率为0.65%，满足钢桥面铺装空隙率小于3%的防水性能要求。常温条件下构造深度为1.06mm，混合料在干燥状态和湿润状态的摩擦系数分别为86和75，说明CAVF体积设计法对环氧沥青混合料的防水抗渗性能和抗滑性能有显著提高。

(2)采用体积设计法(CAVF)设计的环氧沥青混合料在水稳定性和高温稳定性方面均能较好地满足设计要求。

(3)对来自中山集料厂精加工的集料进行环氧沥青混合料设计，确定的最佳油石比为6.2%，其沥青用量比常规方法设计的环氧沥青混合料的最佳油石比6.7%有所降低，节约了造价。

(4)提高环氧沥青混合料粗集料的技术指标，通过集料工厂的建成投产，完善国内高端集料加工生产的设备配套，实现了集料分级标准的细化，对集料的质量控制提供了更高的检验标准。

(5)通过试验段铺筑和计算验证确定了适宜于钢桥面环氧沥青混合料铺装施工的工艺参数，保证了钢桥面环氧沥青混合料铺装施工的质量安全和稳定性，可控可操作性强。