关于模拟嘉绍大桥紧急订车带鼓包问题的试验研究

关于嘉绍大桥紧急订车带鼓包原因的分析及验证试验

一、试验研究背景

浙江嘉绍大桥钢桥面铺装于2013年5月24 日完成铺装，7月19 日0时开始通车运营。经今年夏季罕见持续高温，8月初桥面巡查时发现在紧急停车带区域的钢桥面铺装出现有局部鼓包现象。该鼓包直径30-2500px不等，鼓包高度约25px左右。用手锤敲击鼓包表面，声音空闷，与没有鼓包的坚实路面的敲击声音有明显差别。现场钻孔发现有压力气体从鼓包中喷出，表明有压力气体发生在SMA与RA之间或RA和EBCL之间。铺装层层间出现脱空现象。详见鼓包照片和录像。

8月中旬，有关单位对全桥钢桥面铺装进行地毯式全面探查，结果是 “鼓包”均发生在横坡上游侧左路肩1m及横坡下游侧右路肩2m附近的范围以内，横坡下游侧多集中在靠边1.5m-2m范围，横坡上游侧多集中在靠边0.8m-1m范围内。见图表。

                 图1  嘉绍大桥现场鼓包图片

           鼓包位置分布图（红色点状）

表1 数量分布表                        

二、鼓包现象产生的原因分析

现场情况表明，鼓包是气体所致。分析鼓包产生的原因必定要解释气体的来源，也要解释为什么鼓包气体仅仅发生在紧急停车带等热喷锌铝合金的区域。

紧急停车带（2.0m宽）及靠近中分带路缘区域（1.0m宽）的区域的钢板表面喷砂除锈后先喷涂一层电弧锌铝合金及两道环氧封闭漆，然后再进行EBCL胶结料的涂布。而车行道部分则是喷砂除锈后直接涂布EBCL胶结料，这是两者在结构上唯一的区别。

电弧锌铝合金及环氧封闭层在车行道部分喷砂开始施工前已提前完成，等待车行道钢板喷砂施工完成后，在全断面宽度上统一刮涂EBCL胶结料。锌铝合金环氧封闭层表面在等待期间其它工序的施工对其表面有一定的油渍污染，该区域又是放置胶桶、搅拌、搬运的地点，表面相对比较“脏”，在刮涂EBCL胶结料前，喷砂施工人员常采用“天那水”对部分油污区域进行擦拭清洁。这是两块区域在施工上的唯一区别。

“天那水”又称香蕉水，是去除油污的高效溶剂，其主要成分是甲苯和二甲苯。残留于锌铝合金表面的“天那水”晾晒一定时间后便会挥发掉。但施工过程中，有些临时的擦拭清洁与EBCL胶结料刮涂施工的时间间隔并非都十分充分，未挥发的“天那水”被EBCL覆盖后相当于在EBCL胶结料中添加了一些挥发性的溶剂（天那水）。这些“溶剂”随着时间延长和温度升高会逐渐挥发变成气体，聚集在致密的RA或SMA层下。当温度升高，气压增大，气体膨胀剧烈，逐渐形成路面鼓包。而在车行道部分，钢板表面喷砂后直接刮涂EBCL胶结料，没有任何溶剂的影响，所以车行道部分未见气泡产生。这就解释了为什么仅仅在紧急停车带区域出现脱层鼓包的原因。现场发现某些鼓包发生在SMA与RA层间的现象相对较少，或可以理解为，在那块区域恰巧RA05不足够密实而SMA恰巧密不透水，因此，天那水产生的气体穿透了RA层，聚集在SMA层下，因而形成SMA鼓包。

鉴于该区域鼓包的数量较多，仅仅凭临时擦拭“天那水”的解释似乎还有些牵强，或许我们还应该更细致的考察热喷锌铝合金的结构和工艺。热喷锌铝合金表面是锌铝颗粒的聚集物，表面疏松多孔，因此表面要涂刷环氧封闭漆，以封闭锌铝合金的空隙。环氧封闭漆中的溶剂含量约占总量的70%，该溶剂的成分仍然是甲苯和二甲苯。环氧封闭漆分两层涂刷，中间时间间隔较短，施工时气温相对较低，因此，在覆盖EBCL时环氧封闭漆中的溶剂是否挥发完全值得怀疑。这些可能残留的溶剂当气温升高时是否会缓慢挥发成气体的问题也需进一步探究。

查阅化工资料可知，1摩尔甲苯的质量为92.14克，甲苯的相对密度为0.87，1摩尔甲苯液体的体积为92.14/0.87=105.9毫升。在标准状况下（ 0℃、1个大气压），1摩尔甲苯的气体体积约为22.4升。即甲苯由液体变成气体时体积膨胀约22.4/0.1059=211.5倍。嘉绍钢桥面8月的实测温度曾高达74℃，比标准状况0℃要高出许多，蒸汽压更大，气体膨胀效应更加明显。

基本概念：1mol任何物质所含的粒子数与0.012g碳12的粒子数相同。1mol甲苯质量=92g，比重0.87,  故105.7ml/mol，1mol水的质量=18g,水的比重为1.0，故水的摩尔体积为18ml/mol。又已知，在理想状态下（0℃/一个大气压），任何气体的mol体积都是22.4升，故水由液态变成气态时体积膨胀约22.4/0.018=1244倍，甲苯则膨胀22.4/0.1057=212倍。在70℃高温时，气体膨胀效应更加明显，膨胀的蒸汽压也更高。

理论上说，这种分析和解释应该可以通过实验进行验证。验证的方法是，收集鼓包中的气体进行成分分析，检查是否含有甲苯和二甲苯的成分，若气体中含有苯类成分，则上述分析应确凿无疑。但气体取样应该小心，因为甲苯的主要成分是C7H8，如果取样过程中混入了氧气，苯分子是否会发生氧化反应，生成CO或CO2和水，则需要格外仔细。

图2  EBCL刮涂前曾采用“天那水”擦拭污染的锌铝合金表面

图3  EBCL覆盖后（约3天）在上游半幅紧急停车带区域曾出现不明原因的小气泡，当时曾怀疑是夜间露水所致。现在看，有可能是“天那水”之过。

造成铺装层产生汽包的原因还有混合料层间积水的说法。认为积水没有完全蒸发便施工RA层或SMA层。当气温升高，层间积水气化，形成鼓包。积水鼓包说用于解释道路横坡低端紧急停车带区域的鼓包或许还能成立，但积水鼓包说不能解释为什么靠近中央分隔带几乎完全不可能积水的地方也出现鼓包，也不能解释为什么车行道区域没有或极少鼓包的现象。此说在逻辑上有一定缺陷。

另一种鼓包原因解释的说法是，未碾压的混合料中存在空气，因RA05混合料的胶泥含量很高，在摊铺时胶泥封堵了混合料的表面使空气不能及时释放，在压路机的推挤作用下，散布的气体聚集在一起形成鼓包。支持这种说法的依据是，RA混合料摊铺碾压施工时确实曾见到许多小鼓包，但施工时，施工单位曾专门安排人将这种鼓包刺破，放掉气体，避免形成鼓包。若因混合料中的气体产生鼓包，这种鼓包则应该是在铺装全断面宽度上随机分布的，不可能300多个鼓包只发生在紧急停车带（2.0m宽）和靠近中分带的路缘带区域（1.0m宽）的范围内，而车行道部位一个类似的鼓包也没有。从逻辑上说，鼓包集中在紧急停车带区域必定与下层的锌铝合金及相关的施工有关。

还有一种观点认为，EBCL的胶结料可能有问题，导致鼓包现象有可能是材料本身存在缺陷引起的。但这种观点在逻辑上也有明显的缺陷。因为车行道铺装面积占了全部铺装面积的16/19，EBCL和RA05层的施工是在全幅宽范围内一次施工完成的，如果是EBCL胶结材料本身的问题，不可能鼓包集中出现在边缘地带而车行道部分基本没有。若假定车行道部分也肯定有鼓包，是因为车行道位置有车辆行驶，将车行道的鼓包气体挤压到边缘地带鼓起来了。如果这样则要求，车行道位置的EBCL和RA05层间必须自由联通，气体方可自由地在层间移动（否则在车行道部位就鼓起来了），而且在边缘地带EBCL和RA05间又必须恰巧不连通了，阻挡了气体继续在层间横向移动并排出，气体在该部位形成气压才能鼓起包来。这有点过于牵强了。

三、验证性试验

为证实对产生鼓包原因的上述分析，有必要进行模拟的试验验证。如果造成鼓包的直接原因确实是“天那水”，则在模拟试验中通过添加“天那水”可以“复制”类似的鼓包。

试验1、检测EBCL和RA胶结料是否产生气体。

3.1.1 试验目的

 考察树脂沥青胶结料及添加了溶剂的胶结料经高温后的质量损失情况，以便排除胶结料自身产生气泡的因素。

3.1.2 试验步骤

试验选用EBCL和RA两种胶结料进行涂膜试验。同时对比添加了溶剂的EBCL和RA的涂膜试验结果。溶剂采用甲苯，添加量按5%的含量添加。试验温度选用80℃和120℃，烘烤时间为48小时。为保证试验精度，称量采用0.001g的精密天平。

1）取八块15*375px镀锌铁皮，用干抹布擦拭干净后用电子秤称（精确到0.001g）其质量并记录M1；

2） 在锌铁皮上分别涂布EBCL、RA胶结料以及混有溶剂的EBCL和RA胶结料，分别称量锌铁皮+胶结料的质量M2， 每种样品分别称两份，取平均值。

3）试件表干后再次称量，计量为M3

4）计算实际涂布的胶结料质量M4=M2-M1;

5） 将固化后的样品置于80℃和120℃烘箱内烘烤48小时，然后取出，冷却至常温后再次称量样品的质量，记为M5；

6）计算胶结料质量损失M6=（M2-M5）和损失百分比M6/M4，

整理试验数据，汇总试验报告。

3.1.3试验检测结果

表2  80℃高温48h后试验检测数据

表3  120℃高温48h后试验检测数据

试验照片：未见胶膜出现异常。

3.1.4试验结论

1）EBCL材料和RA材料在80℃高温后外观未见异常，重量损失很少，说明EBCL和RA胶结料自身具有高温不变质特性。当有溶剂混入胶结料时, 经80℃高温后质量损失明显增加，说明有溶剂在挥发成气体，与上述紧急停车带部位出现鼓包的原因分析契合。

2）经120℃48小时高温后，EBCL胶结料略有质量损失，RA的损失有所增加，这与沥青材料在持续加热后略有损失的情况类似。嘉绍桥的EBCL和RA没有120℃48小时的工况，证明紧急停车带区域出现局部鼓包的气体来源并非是EBCL或RA胶结料。

3） 经120℃高温48小时后，添加的溶剂几乎完全挥发（见120℃时损失的百分比M6）。对比80℃的加热结果可知，在80℃/48h情况下，仍有一部分溶剂没有完全挥发掉（见80℃损失百分比M6），或需要更长的时间溶剂才能缓慢的挥发完。这与嘉绍桥完成铺装几个月后才发现较多鼓包的情况相互印证。

试验2、模拟复制鼓包

3.2.1 试验目的

模拟嘉绍桥施工中可能出现的状况，验证上述嘉绍大桥紧急停车带出现鼓包原因的分析。

3.2.2 试验步骤：

1）准备钢板一块，面积为1.5X2.4=3.6㎡，钢板厚度为12mm。钢板表面采用打磨机打磨，模拟抛丸机的界面处置，试验在打磨好的钢板表面进行；

2）将钢板等分成三块区域，按三种不同的工况进行试验：

A. 钢板抛丸除锈+EBCL+RA涂层+RA05混合料铺装 ，与嘉绍大桥车行道区域的设计与施工状态完全保持一致。

B. 钢板抛丸除锈+环氧富锌漆+两道环氧封闭漆+涂抹天那水+EBCL+RA05 胶结料涂层+RA05混合料铺装，与嘉绍桥边缘热喷锌铝合金防腐区域的施工尽可能保持一致。

  C. 钢板抛丸除锈+环氧富锌漆+两道环氧封闭漆+EBCL+淋少量水+RA胶结料涂层+RA05混合料；当EBCL固化后在其表面上淋少量水，然后再进行RA05混合料的施工，验证如果EBCL界面积水可能产生的影响。

   A                   B                        C

3）施工及养生时间应尽可能模拟嘉绍大桥当时的施工状态。当试件完成后，拟用保温罩和煤炭火+石棉垫的方式将试件加热至70-80℃保持数日，（如不能实现鼓包验证，则加热至120℃并保持数日），观察对比三块不同的铺装层区域是否出现类似于嘉绍大桥紧急停车带区域的鼓包情况（或试件边缘放气）。

3.2.3模拟试验大事记和结论

（1）钢板表面处理和环氧富锌漆

9月12日，对钢板进行了打磨处理，对区域B和区域C刷涂了环氧富锌漆，用漆量为0.261kg，面积1.46*1.53=2.2338㎡，计算涂布量为0.11kg/㎡。天气：晴 ，气温 29℃。

（2）涂刷环氧封闭漆

9月14日，对试验钢板B、C区域（如图）进行第一层环氧封闭漆涂刷。环氧封闭漆中溶剂（天那水）的含量为70%（类似于嘉绍大桥的环氧封闭漆）。施工时间为下午15:32  气温29℃。

涂刷环氧封闭漆的面积为：1.06*1.18=1.2508㎡，封闭漆的用量为：0.085kg，计算第一层涂布量为0.07kg/㎡。

    A                     B                   C

（3）涂布环氧封闭漆第二层

9月15日对B、C区域进行了第二层封闭层施工，时间为上午8:32  大气温度29℃。涂布面积：1.06*1.18=1.2508㎡，涂布数量：0.078kg，计算第二层涂布量为：0.06kg/㎡。

    A                     B                   C

（4）涂刷溶剂“天那水”和EBCL胶结料

9月16日进行EBCL刮涂施工，在施工之前在B区位置刷涂天那水（见图红色域）。

A                          B                 C

施工气温29℃，施工时间：16:30时。天那水涂布面积：0.4*0.5=0.2㎡，天那水涂布量为12.55g，计算天那水涂布量为0.06kg/㎡。当天那水涂刷后约10分钟开始涂布EBCL胶结料，涂布钢板面积为1.5*2.4=3.6㎡，EBCL胶料用量为3.71kg，

碎石撒布用量为9.82kg，计算EBCL胶料涂布量为1.03kg/㎡， 碎石撒布量为2.72kg/㎡。与嘉绍大桥的施工基本一致。

（5）拉拔强度检测

9月20日，对所施工的EBCL界面进行拉拔强度检测。结果见表4。

表4   钢板现场实测拉拔强度

试验结果表明，EBCL层下有天那水或封闭漆的区域，拉拔强度有所降低，说明溶剂进入EBCL胶结料或环氧封闭漆界面对拉拔强度（粘结能力）有所影响。

（6）涂布RA胶结料和RA05混合料施工

9月20日 进行RA05混合料施工。在RA05混合料施工前在C区涂洒少量水于EBCL表面（如图示），然后在全钢板面积上涂布RA胶结料，随即开始RA05混合料的摊铺施工。气温29℃，时间为15：30时。

A                     B                  C

RA05混合料采用拌和机拌合，油石比为10%。水涂布面积：0.4*0.5=0.2㎡，水涂布质量：17.5g，水涂布量：0.08kg/㎡，RA胶结料涂布面积：1.5*2.4=3.6㎡，

RA胶料涂布量：1.86kg，计算RA胶料涂布量：0.52kg/㎡。

RA05混合料采用人工摊平，采用小型光轮压路机配合手工震动夯进行碾压，直到RA05表面出现光感，表明RA05已碾压密实。

（7）模拟高温加热

9月24日，RA05层固化已超过三天，开始对成型的试件钢板进行加热。采用类似北方的土炕方式进行加热。钢板被角钢焊制的铁架罩盖，钢板放置在约1250px高的砖砌的垛墙上，铁架周边用石棉布围挡，铁架顶面覆盖胶合板防止热量失散。加热的热源采用燃烧木炭对铁架内的空间进行烘烤，钢板下垫石棉垫防止局部过热。封闭空间内设置有多种温度传感器，测量环境温度及钢板温度。试验现场见照片。

因缺少类似的加热经验，未能将80℃的温度控制稳定，试验仅进行了约2小时，钢板温度升至约100℃，B、C区域已出现明显鼓包。见试验记录和照片。

表5 加温情况及观察结果

日期：    9.24               天气：    晴  34℃                

注：上午11:30分开始加热。B、C区域鼓包呈联通状，直径2350px，最大高度接近100px。

表6加热后的钻芯拉拔记录

四、试验结论

1）类似嘉绍大桥紧急停车带的鼓包现象被复制再现，说明上述的原因分析是正确的。即，鼓包由不当的溶剂在高温下气化引起。尽管加热温度没有精确控制住，但应不影响试验的结论。如果控制住温度但延长时间，让气体释放充分，应可获得同样的试验效果。

2）加热后，A区域（即车行道路面结构）未见异常，与嘉绍大桥车行道未见鼓包的情况类似。钻芯拉拔检测表明界面依然粘结牢固，铁锤敲击表面声音较实，说明未出现脱层现象。

3）有天那水的B区及有水的C区出现鼓包现象，鼓包的直径约2350px，最大高度约为100px，说明B区和C区已经连通，中间的间隔失效，说明天那水溶剂、EBCL界面积水以及EBCL层下的环氧封闭漆（含溶剂）均有可能是产生气体造成鼓包的直接原因。B、C区铁锤敲击声音沉闷，与嘉绍大桥紧急停车带的状况类似，钻芯证实界面完全脱空。

至此，嘉绍大桥紧急停车带产生鼓包的主要原因得到了试验证实。