（交通运输工程专业论文）高速公路水泥混凝土桥面防水层材料及检测标准的研究.pdf

iylllllllllllllll711111151illii3iiiilllllllll611111151luly 17 5 3 16 5 r e s e a c ho fw a t e r p r o o fm e m b r a n e m a t e r i l a l sa n de x a m i n ec r i t e r i o n f o re x p r e s s ，a yc o n c r e t e b r i d g ed e c k s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y m a c h e n g g a n g s u p e r v i s e dbysupervisedb y p r o f e s s o r y a n gj u n s c h o o lo ft r a n s p o r t a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 成果 表或 过的 表示 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 结合工程应用实际，本文对 首先，结合江苏省高速公路 及结构设计方面进行认真研究，确保桥面铺装体系不出现夹层，很好起到防水及粘结作用。 其次，采用三维有限元分析方法，对设置防水层的桥面铺装体系进行了分析计算，计算结果表 明：防水层自身的参数对桥面铺装层间剪应力的影响很小，设计计算时可以忽略该层，但在结构及 材料选择上应重视防水层结构的层间剪切及拉拔等力学性能；同时分析了刹车、超载率和高温的影 响，计算表明：刹乍对铺装层材料的损坏特别严重，必须提高铺袈材乖斗反其层问接触面的执剪强度， 以减少或防止推挤、拥包等病害的出现；车辆轴重变化对结构剪应力的影响比坡度更加严重，需严 格控制超载现象；高温对层间抗剪更不利，对高温地区的防水粘结层材料提出了更高的要求。 最后，本文采用五种防水材料，室内进行了材料及力学性能的试验研究，分析得出了改性乳化 沥青、改性沥青及s t r a t a 沥青最佳的洒布量，根据剪切及拉拔试验的结果提出相应的力学性能检测 技术标准。在此基础上本文进行了施工工艺的研究，提出了不出同防水层相应的施工工艺，并在宿 淮高速公路宿迁段铺筑了桥面防水层试验路，现场进行了渗水性能、剪切及拉拔性能的试验检测， 根据室内外研究成果提出了不同防水层最终的试验检测技术标准。 关键词：防水粘结层；桥面铺装；层间剪应力；剪切试验；拉拔试验；施工检测 ，； a b s t r a c t a b s t r a c t c o m b i n e d 、加t hc o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n t h ew a t e r p r o o f i n gm e m b r a n ef o rc o n c r e t e b r i d g ed e c k sa n di t se x a m i n et e c h n o l o g ya r es t u d i e dc o m p l e t e l y f i r s t l y , u n d e rt h et r u ec o n d i t i o no fj i a n g s ue x p r e s s w a yb r i d g ed e c k t h ei n v e s t i g a t i o n r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec a u s e so fb r i d g ed e c kd e f e c ta r ct h r o u g h o u td e s i g n c o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c e a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt os e tw a t e r p r o o f i n gm e m b r a n et os t r e n g t h e nc o h e s i v e c a p a c i t yb e t w e e nl a y e r sa n de x t e n db r i d g el i f e i no r d e rt og u a r a n t e ew a t e r p r o o f i n gm e m b r a n e e x e r ti t sf u hf u n c t i o n t h ew a t e r p r o o f i n gm e m b r a n es h o u l db es t u d i e df r o mm a t e r i a l st o s t r u c t u r ed e s i g na n di n t e r l a y e rc a r ln o ta p p e a ri nt h eb r i d g es t r u c t u r es y s t e m s e c o n d l y , u s i n gt h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm e t h o d t h eb r i d g es t r u c t u r e s y s t e mw i t ht h ew a t e r p r o o f i n gm e m b r a n ei sa n a l y z e da n ds t u d i e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ei n f l u e n c eo fw a t e r p r o o fm e m b r a n e sp a r a m e t e r so ns h e a r i n gs t r e s si sl i t t l e a n dc a nb ei g n o r e d b u tt h e r ei sb i gs h e a r i n gs t r e s sb e t w e e nt h ew a t e r p r o o fm e m b r a n ea n d b r i d g ed e c k t h u st h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fs h e a r i n ga n dp u l l o f fs h o u l db ea t t a c h e d i m p o r t a n c ew h e nc h o o s i n gw a t e r p r o o f i n gm e m b r a n es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l m e a n w h i l e 。t h e e f f e c to fb r a k e ，o v e r l o a da n dh i g ht e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h e b r i d g ed e c km a t e r i a ld a m a g ec a u s e db yb r a k ei sp a r t i c u l a r l ys e r i o u s s oi no r d e rt or e d u c eo r p r e v e n ts u c hd i s e a s e sa sb r o a c h i n ga n du p h e a v a l ，t h es h e a rs t r e n g t ho fp a v e m e n tm a t e r i a l s a n dt h ec o n t a c ts u r f a c eo fl a y e r ss h o u l db ei m p r o v e d ；v e h i c l ea x l el o a dc h a n g eh a sg r e a t e r i n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r es h e a rs t r e s st h a ns l o p e w h i c hr e q u i r e ss t r i c tc o n t r o lo fo v e r l o a d i n g ； l l i g ht e m p e r a t u r eh a su n f a v o r a b l ei n f l u e n c e so nt h es h e a rb e t w e e nl a y e r s ，s 0t h em a t e r i a l so f w a t e r p r o o fa d h e s i v el a y e rs h o u l dm e e th i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rh i g h t e m p e r a t u r er e g i o n f i n a l l y , f i v ew a t e r p r o o f i n gm e m b r a n em a t e r i a l sa r es t u d i e di nt h el a ba n dt h eo p t i m a l b e s t r e wa m o u n t so fm o d i f i e da s p h a l te m u l s i o n ，m o d i f i e da s p h a l t ，s t r a t aa s p h a l ta r ea n a l y z e d a n dd e t e r m i n e d u s i n gt h ec o n c l u s i o no fs h e a r i n ga n dp u l l o f fe x p e r i m e n t s t h ec o r r e s p o n d i n g m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ee x a m i n et e c h n o l o g ys t a n d a r di sp u tf o r w a r d b a s i n go nt h em a t e r i a l s e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n s t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e so fd i f f e r e n tw a t e r p r o o f i n gm e m b r a n e a r es t u d i e da n db r o u g h tf o r w a r d w a t e r p r o o f i n gm e m b r a n ee x p e r i m e n t a lr o a di sb u i l ti nt h e s u q i a ns e c t i o no fs u h u a ie x p r e s s w a y , t h e nt h vi n f i l t r a t i o np e r f o r m a n c e ，s h e a r i n gp e r t b r m a n c e a n dp u l l - o f fp e r f o r m a n c ei se x a m i n e do nt h ec o n s t r u c t i o ns p o t a tl a s tt h ef i n a le x p e r i m e n t a n de x a m i n et e c h n o l o g ys t a n d a r d so fd i f f e r e n tw a t e r p r o o f i n gm e m b r a n em a t e r i a l sa r ep u t f o r w a r db yt h ee x p e r i m e n t si nt h el a ba n do u t s i d eo nt h ec o n s t r u c t i o ns p o t k e yw o r d s ：w a t e r p r o o fa d h e s i v el a y e r ；b r i d g ed e c k ；s h e a r i n gs t r e s sb e t w e e nl a y e r s ；s h e a r t e s t ；p u l l o u tt e s t ；c o n s t r u c t i o na n de x a m i n e i l 目录 目录 摘要。i j i l ；r l 认：1 r 一l l 第章绪论。一l 1 1f 司题的提出l 1 2 研究意义l 1 3 国内外研究概况2 1 3 1 国外研究现状。2 1 3 2 国内研究现状4 1 4 研究内容5 第二章桥面防水层理论分析一一7 2 1 桥面铺装破坏的类型7 2 2 桥面铺装损坏原因分析。9 2 2 1 铺装层和防水层的结构与材料设计9 2 2 2 铺装层和防水层的施工9 2 2 3 铺装层和防水层的养护l o 2 3 设置柔性防水层的桥面铺装层力学分析1 0 2 3 1 有限元分析方法。1 0 2 3 2 建立计算模型1 0 2 3 3 荷载条件及荷位布置1 2 2 3 4 桥面铺装体系最不利荷位力学分析1 3 2 3 5 计算参数的确定及其对剪应力的影响。1 5 2 。4 车辆及高温对桥面铺装层抗剪稳定性的影响1 8 2 4 1 动载与静载分析对比1 8 2 4 2 刹车对铺装层抗剪稳定性的影响。2 l 2 4 3 超载率的影响2 2 2 4 4 高温的影响2 3 2 5 本章小结。2 4 第三章防水层材料室内性能试验一。一2 6 3 1 概述：! t ； 3 1 1 防水粘结材料基本要求，2 6 3 1 2 防水粘结材料分类述评2 7 3 1 3 本文选用材料说明2 7 3 2 防水层材料试验2 8 3 3 剪切试验3 0 3 3 1 材料准备3 l 3 3 2 室内剪切试验。3 3 3 3 3 不同温度对防水粘结层抗剪切性能的影响3 3 3 3 4 洒布量对防水粘结层抗剪切性能的影响3 5 3 3 5 不同结构防水层剪功强度比较3 3 3 4 拉拔试验3 8 3 4 1 不同温度对防水粘结层抗拉拔性能的影响。4 0 3 4 2 不同洒布量对防水粘结层抗拉拔性能的影响4 l 3 4 3 不同结构防水层抗拉拔性能比较4 3 3 5 本章小结4 4 第四章桥面防水层现场施工及检测。一。拍 4 1 防水粘结材料施工技术4 6 4 1 1f y t 试验路4 6 h l 目录 4 1 2 防水卷材试验路4 7 4 1 3s b s 改性沥青桥面防水层试验路4 9 4 1 4 乳化s b s 改性沥青防水粘结层5 l 4 2 现场施t 质量控制一5 2 4 3 防水层施上质鼙检测5 3 4 3 1f y t 防水层厚度检测5 3 4 3 2 渗水性能检测一5 3 4 3 3 抗剪切性能检测5 4 4 3 4 拉拔试验检测5 6 4 4 防水粘结层力学标准推荐。5 8 4 5 本章小结5 9 第五章研究结论 6 l 5 1 研究结论。6 l 5 2 进一步研究的问题6 2 致谢。配 参考文献。64 攻读硕士学位期间发表的论文。一“ i v 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 国民经济的快速发展，以及工程新材料、新结构的广泛应用，使得我国桥梁建设得以迅 速发展。大量立交桥、人型和特大型的跨河桥梁及穿越城区的高架桥等，多以水泥混凝士桥 为主。高等级公路对行车舒适性要求的进一步提高，对桥梁结构的路用性能和耐久性能提出 了更高的要求。 在我国，为数众多的水泥混凝十桥梁在远未达到设计寿命时，就出现了桥面破损、钢筋 锈蚀、混凝十松散、结构强度f 降等现象，对桥梁的稳定性和安全性均构成了影响，不仅使 桥梁的运营效益有所下降，而且也对车辆的安全造成严重威胁i m j 。通过现场的调查分析发 现i j 。j ，产生损坏的原因主要有两个方面：一是铺装层和桥面之间的粘结力不足。在行车荷 载作用下，铺装层除了承受竖向行车荷载的作用，还承受水平荷载的作用，铺装层和桥面之 间的粘结力不足，使得二者在荷载的作用下产生相对滑移，致使铺装层出现坑洞、裂缝的表 面病害：二是桥面防水功能较差。外界水分渗入桥面混凝十内对钢筋产生水分侵蚀，在水泥 水化生成的强碱介质内钢筋发生锈蚀而导致膨胀，在钢筋强度下降的同时，混凝土也因为内 部钢筋的膨胀而出现松散、剥落，从而更加速了钢筋的腐蚀。 为了解决这类问题常用的办法是在桥面板与沥青铺装层之间加铺柔性防水层，用以阻 挡水分进入主梁混凝士内，并通过其自身的或外加涂层的粘结功能，与上下层形成整体，以 承受外界的荷载和变形。与涂环氧涂层、刚性防水、电化学保护等其它的防水措施相比，这 是一种较为经济、合理的方法，效果良好，在世界各地都有成功应用的范例1 6 4 1 。 然而，我国在这方面的研究进行得很少，在桥梁和高架桥上设置防水层的历史也还很短， 缺乏足够的实践经验，导致在实施防水层的过程中出现了许多问题亟待解决。例如：防水材 料技术性能参差不齐、没有统一的评价标准；施上队伍技术水平较低；施工设备不完善；缺 乏快捷准确的检测方法及相关的技术标准等等，使得防水层很难达到防水效果，更有甚者， 防水层与铺装材料、桥面混凝土层间粘结效果不好，导致桥面板与沥青铺装层粘结力不足， 对于交通量大、重载车所占比例高的高速公路，更加速了桥面铺装层的破坏。水泥混凝十桥 面的沥青混凝士铺装层在外荷载作用下，其受力状态复杂。已有的关于桥面沥青混凝土铺装 的力学分析普遍采用的是静态荷载，然而桥面铺装是作用在动态荷载之下的。当一辆汽车从 梁跨的一端行驶剑另一端时，施加在桥面铺装层上的荷载不是静态的，而是一个随时间变化 的动态荷载。因此需要对动静载对桥面铺装体系的影响进行分析，并分析刹车、车辆超载率 和高温对桥面铺装体系受力的影响。同时，有必要对水泥混凝土桥面防水层的材料设计、试 验标准、施工技术等方面开展研究，从而指导水泥混凝土桥面防水层的设计和施工，提高桥 面铺装的路用性能，延长其使用寿命。 防水层的功能能否得以实现，首先取决于防水材料的技术性能。桥面防水材料与建筑防 水材料有一定的区别，其特殊的布设位置要求前者不仅要具备防水材料的常规性能，而且还 应满足桥面的特殊要求。比如，桥面防水材料要具有适应桥面板的灵活性，抵抗行车荷载冲 击和旅工车辆碾压、推挤的能力，以及抵抗桥面变形和裂缝的能力。 另外，旌t 过程的质量控制是决定防水层功能的另一重要因素1 9 j 。由于防水层在我国使 用还处于初级阶段，很多施工队伍都不具备这方面的经验，而且对于防水层施j 【：的特殊要求 都没有引起足够的认识，必要的施上设备不齐全，使得防水层施工的质量良莠不齐。桥面防 水层作为隐蔽工程，一旦出现缺陷就不容易再修补。为了避免这种既费时又耗力的事后弥补， 应制定出一套实时的质量控制体系，在体系中提出一套完整的材料技术性能标准，针对施工 过程中每个工序的技术要求及细节处理提出详细的标准，以及相应的评价指标。 1 2 研究意义 江苏省是我国湖泊、河流分布较多的省份，省内桥梁数量众多，保证桥梁在设计期限内 的正常运营是省内运输网通畅运行的重要保障。江苏省平均年降雨量较大，尤其是梅雨季：符， 降雨可持续数月之久。在此期间，大量的降雨对桥面铺装层和桥梁主梁钢筋造成很大的威胁。 东南大学硕t 学位论文 我省的高速公路建设课题当中，桥面防水层的结构设计、防水材料的选择技术标准、桥面防 水层的检测技术标准以及桥面防水层的施工工艺一直是困扰。i ：程建设者的一项难题，至今我 省尚未对桥面防水层进行过系统研究。鉴于此，开展桥面防水层的应用研究具有重要意义。 本文的研究思路是以现有的防水材料为基础，针对不同的防水层结构，结合较为成熟的 施工工艺，通过对防水材料技术性能的室内试验研究，确定防水材料技术标准；选定几种适 当的防水层材料，铺筑不同结构类犁的防水层试验路，通过室外性能试验检测，提出相关的 试验检测标准，并结合实际1 ：程的应用总结出一套合理的施t 工艺和现场检测方法。 通过本文的研究可以提高公路桥梁的使用寿命和服务质量，为高速公路建设和维修节约 大量资金，提高公路：【程建设质量。同时，可延长桥面铺装层的使用寿命，有效保护桥面板 及桥梁结构的构件，减小或避免钢构件锈蚀给桥梁结构带来的危害，降低桥梁维护及加同费 用，具有巨大的社会及经济效益。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究现状 在欧美，自2 0 世纪7 0 年代以来，防水层在桥面铺装中广泛应用。然而，随着交通量的 增加，桥面铺装产生了一些新的问题，如面层的早期破损、开裂、坑槽、防水粘结层与面层 及桥面粘结强度不足而产生推移破坏等病害。因此，欧美一些国家相继对水泥混凝士桥面防 水粘结层进行了深入的研究。 美国n c h r p 在1 9 9 5 年发出的一份桥面防水报告指出：美国最早是六十年代认识到桥 面腐蚀的严重性。当时研究后认为水分和防冻盐是桥面混凝土冻融破坏和钢筋腐蚀的主要原 因，这就促使开始提高和改进公路下程中混凝土的质龟，增厚钢筋混凝十中钢筋的保护层， 甚至要求对桥面板采取其它的专门的保护措施。于是，防水膜( 柔性防水材料敷设于桥面板 形成不透水层统称为防水膜) 开始广泛应用于桥面铺装。据美国联邦政府调查，各州新建桥 梁和桥梁维修中使用防水层的情况见表1 1 l l q 。 表1 1 美国各州在新建和维修中使用防水层情况调查情况( ) 新建维修 项目 1 9 7 41 9 7 7t 9 8 61 9 s 1 41 9 7 71 9 8 91 9 9 4 使用防水层 7 46 95 32 55 85 14 6 作为标准 4 03 84 64 7 试验性 2 91 51 24 没有反映 4 2 4 8 4 5 4 84 84 7 4 8 注：表中数字代表使用防水层的桥梁t 程比率。 n c h r p 发表的一份桥面防水报告中介绍了防水薄膜性能的室内研究方法1 1 1 j ，研究包括 了北美大多数防水系统，提出材料性能筛选试验( 确定极限抗拉强度和断裂时的延伸率、硬 度、吸水性、玻璃化温度、薄膜铺设时间、弹性和增塑剂离析等) 、路用性能试验( 抗渗性、 抵抗桥面变形、抵抗高温破坏能力、抵抗施工机具损伤、抵抗骨料刺破等) 。试验的目的是 筛选出高质量的材料，同时为进一步提高产品质鼍提供实践依据。但是报告也指出只有在严 格的试验条件f ，试验才能够模拟现场情况并对防水薄膜的性能进行区分，即使同样产晶， 如果试验方法不同，也会得出不同的结果。其采用的试验方法如表1 2 。 美国的p m a r t i n e l l i 曾对桥面防水层破坏形式、气温和沥青混凝十施工温度、桥面准备 状况对防水层与桥面的粘结力的影响等进行研究，并认为：当沥青混凝土层厚度大于1 2 c m 时，由行车荷载引起的剪应力将不会造成防水层的破坏i lz - 。 2 表1 2 美国n c h r p 室内试验方法 测试指标试验方法 & 定量，从混凝十板上揭起防水膜： 粘结力 b 测剪力和拉力，用粘结剂将防水膜粘贴于试件表面 透水性 电阻法 冲击破坏 加热，重复将圆锥从高处下落冲击防水膜 防水薄膜上铺沥青混合料并加热，向集料施加压力，并用电阻法测试破 徐( 蠕) 变破坏 坏程度和相应的力施加次数 室温下加挠曲荷载，加载速率为0 2 5 m m m i n ，至产生2 5 m m 裂缝，然 后加载速率为1 3 n u r d m i n ，至产生6 4 m m 宽的裂缝，观察防水薄膜的 抗桥面裂缝能力 变形 老化性能 6 0 ，3 0 天后测其重量、抗拉强度、延伸率、强度等指标的变化程度 疲劳性能 1 8 ，循环张拉 抗冻融破坏能力 1 8 - - - 6 0 ，1 0 个循环，测其抗拉强度、伸长率、硬度变化值 美国的l c a n 和b v a l l e r g a 就水泥混凝十桥桥面防水系统的特性、使用要求和室内试 验、野外检测等进行系统的研究后认为，防水层与面层和桥面之间的粘结力一般能满足行车 的需要。但是，几乎所有防水层的不透水性能在面层施工后会下降或达不到防水目的。因此， 防水层应设置合适的保护层，并在试验室内对防水材料用电阻法测试其不透水性和进行抗冲 击试验i 1 3 i 。 对于防水体系的野外评估，n c h r p 认为大多数防水层容易在面层铺筑过程中受到损伤， 难以用铺筑面层前的检测来真实评价防水层的实际性能，而通过检测不透水性能来衡量系统 的性能则具有较合理的根据，可采用的方法也有很多种，包括目测、电子方法、埋置仪器、 物理取样等：另外，通过超声波检测、雷达检测、红外线检测等无破损检测来评价防水层的 性能从理论上也是可行的，但是由于这些试验费用较昂贵，精度要求过高，暂时还不适合推 广 在英国，从1 9 6 5 年起防水层就已经出现在汽车专用公路桥梁上，但是在防水层的使用 过程中暴露出了很多问题，包括材料渗漏、粘结强度不足、低温脆断和易破损等，严重影响 了防水效果。为了调查清楚这些问题，英国运输和道路研究所( n 汛l ) 从1 9 8 9 年开始对桥 面防水进行了一次系统的研究。研究的内容包括防水材料在高温沥青混合料碾压作用下的变 化，层间粘结强度的影响因素等。考虑剑现场试验并不能模拟防水材料所面临的全部状况， t r r l 在此基础上义补充了一部分室内试验，这样就可囊括外界环境的所有变化情况。室内 试验主要观察了当环境温度、摊铺温度变化时，薄膜的性能、长期的吸水性、抵抗氯化物的 穿透能力、系统的粘附性和耐久性等的变化规律。 t r r l 针对防水层施工后的渗漏、层间粘结力差及耐高温性能不足等病害，对英国所有 通过质量认证的防水材料进行了系统的测试和研究，认为除一些质鼍根本不合格产品外，一 般防水材料在热沥青混合料的高温和压路机的碾压作用下，极易产生损坏。因此，建议防水 层应设置保护层，同时，卷材类防水层的厚度不宜小于2 5 m m ，且宜有较高的软化点；涂膜 类的防水层的厚度不宜小于2 0 m m ；合适的粘层油可以增强防水层与面层和桥面的粘结力； 环境温度和碾压温度对防水层的路用性能有一定的影响f l 川们。 进入9 0 年代后许多国家都逐渐制定了相应的桥面防水标准，包括美国a s t m 在此期间 对旧的防水材料试验规程的总结和完善。为了统一欧洲各国关于桥面防水材料的试验规程， 欧洲标准委员会( c e n ) 针对柔性桥面防水材料的试件成犁过程( ( p r e n l 3 3 7 5 ) 、防水层层 间剪切强度( p r e n l 3 6 5 3 ) 、粘结强度( p r e n i 3 5 9 6 ) 、抵抗梁体开裂性能( p r e n l 4 2 2 4 ) 、防 3 东南人学硕 学位论文 水材料吸水性( p r e n l 4 2 2 3 ) 的试验方法提出了统一的标准。 日本在桥面防水层方面也做了一定的研究，他们将防水层材料分为卷材系列和涂膜系 列，并规定在防水层与桥面之间要涂刷粘结材料。表1 3 和表1 4 列出了混凝土桥面防水层 所用粘结材料的质量标准。 表1 3 混凝土桥面防水层的指标标准试验 试验项目 试验温度指标值试验方法 防水性试验 2 0 水分减少量在0 5 m l 以下 低温柔度试验1 0 防水材料不发生折断 1 0 8 0 k g f c m 2 ( o 8 m p a ) 以上 强度 2 0 1 5 k g f c m 2 ( o 1 5 m p a ) 以上 剪切试验 公路桥钢筋混凝土 1 0 0 5 以上 桥面板防水层设计 拉伸 施 资料的防水层 2 0 1 o 以上 试验方法 1 0 1 2 k g f c m 2 ( 1 2 m p a ) 以上 拉伸强度强度 2 0 6 0 k g f c m 2 ( o 6 m p a ) 以上 浸水7 天后 的拉伸试验 强度 2 0 浸水前的5 0 0 , 4 以上 表1 4 涂膜系列防水材料( 沥青系列) 的标准指标 项目 沥青值试验方法 针入度( 2 5 c ) ( 1 1 0 m m ) 2 0 - 5 0 水泥混凝十铺装要纲 软化点( ) 8 0 以上 j i sl ( 2 2 0 7 拉伸强度( 2 0 。c ) ( m p a )3 5 ( 0 3 5 ) 以上 j i s a 6 0 2 1 最大荷重时的拉伸率( ) 3 0 0 以上 j i s a 6 0 伽 在饱和c a ( o h h 溶液中浸1 5 天， 耐碱性( 2 0 c ) j i s k5 用d o 无异常 耐盐水性( 2 0 1 2 ) 在3 食盐溶液中浸1 5 天无异常 j i sk5 4 0 0 总的说来，国外对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的研究只局限丁二防粘材料 的筛选和大规模室外现场试验的应用研究，计算理论涉及甚少。 1 3 2 国内研究现状 在国内，最早是在2 0 世纪年代初开始认识剑钢筋腐蚀的严重性和桥面防水的迫切性， 陆续在北京、天津、广东、山西等地铺设柔性防水层，但当时并未对此做系统研究，只是参 照屋面防水技术规范和防水材料厂商推荐产品的简单说明材料执行，所使用的产品也大 都为屋面防水材料。经过调杏发现，在我国采用防水层的省市当中，桥面防水市场依然十分 混乱，没有相关的公路水泥混凝土桥面防水层材料、施工及检测的规范，对桥面防水缺乏系 统的认识。 4 第一章绪论 现阶段我国桥面防水材料中大都以沥青为基质材料。主要包括卷材类和涂膜类。其中卷 材类防水材料是指i ：厂预制生产成型的材料，使h j 时被粘贴到水泥混凝十桥面铺装层上形成 连续的防水膜，按材料的成分不同可分为沥青防水卷材、改性沥青防水卷材和合成高分子防 水卷材；按施r 方式可分为热铺卷材和自枯式卷材等。涂膜类防水材料是指常温下呈无定型 液态防水材料的总称，使用时涂刷到桥面上，崮化后形成具有相当厚度的防水膜，按涂膜的 液态类璎，可分为溶剂型、水乳型和反应型；按成膜物质的主要成分可分为：沥青类、改性 沥青类和合成高分子类。为提高涂膜的拉伸强度和整体性，常在涂膜中加铺胎体增强材料， 如聚酯无纺布等。 由丁国内还没有制定出关于桥面防水材料的试验方法，因而公路建设部门在设计防水层 时只能按照建筑防水材料的试验方法和指标来筛选材料。众所周知，桥面防水材料使用环境 与建筑防水有较大的差别，在评价桥面防水材料的技术性能时，只参考建筑防水的试验方法 和指标是很片面的，有时会使质量不合格的产品被选中。在施工方面，由丁防水层的施t 在 我国还处于初期阶段，施上经验不足、缺乏正规的施工队伍、施下机械不完善是目前桥面防 水层施_ - i ：面临的主要问题。由于防水层属于隐蔽t 程，其t 程质鼍的优劣无法从表面上观察 到，如果能够将= 程质量量化为儿项指标，那么控制质鼍的好坏就不再困难。但是我国在这 方面的研究儿乎为零，现场的检测大都通过人员粗略地检验，没有检测的专用仪器，也缺乏 检测的关键性指标，致使防水层工程质量一时无法控制和检验。 北京市1 9 8 8 年以前修筑立交桥大多数是在柔性防水层上铺筑水泥混凝土桥面( 即白色 桥面) 。由于水泥混凝士铺装层较薄( 8 c m l o c m ) ，防水层一般采用沥青油毡、沥青玻璃纤 维油毡或沥青涂料夹玻璃丝布等材料，整体枯结性不好，抗裂性能较差，虽然采取了一些相 应措施，比如在混凝十里掺配一定数量钢纤维或在底部设置土- t 布等，但桥面开裂问题仍相 当严重，加上首都城市环境的特殊需要，夏季大量洒水冲洗，冬季洒盐水化冰雪防滑，使大 量水或盐水由桥面裂缝处和防水层破损处渗入桥梁结构内部，造成面层破碎、剥落，桥梁结 构内部钢筋锈蚀和桥上雨水桥下流的状况，给城市交通安全和桥梁外观带来不利的影响。 1 9 8 9 年和1 9 9 0 年对二环路、三环路上约1 5 座立交桥渗水情况的调查结果表明：水泥混凝 十桥面铺装层的开裂率为1 0 0 ，桥下渗水局部多、面积大。桥面渗漏后局部结构剥离，钢 筋锈蚀厚度达0 8 m m 1 o m m ，严重影响了桥梁使用寿命。沥青混凝十桥面( 防水层采用六 涂二布) 其开裂率为5 8 ，这说明桥面防水的设置能有效地降低水分对桥梁结构的损害，但 要从根本上解决这一问题必须制定出一套完整的材料评定试验方法和检测技术体系，对防水 材料的技术性能提出统一评价标准，以便根据工程性质选择恰当的材料，对施工过程采取实 时控制，确保施l ：质量。 1 9 9 9 年3 月底，交通部公路司在北京主持召开了“桥面铺装结构专题研讨会”，会议指 出桥面铺装原则上宜设置防水层，并建议对防水层材料，技术指标等进行深入研究。 交通部公路司于2 0 0 0 年立项“水泥混凝十桥面防水系统设计与施工技术研究”，由长安 大学公路学院主持，河南省公路管理局等单位参加，首次对混凝土桥面防水进行全面系统的 研究。课题主要就防水材料技术性能指标与试验方法、新产品研制、防水系统设计方法、施 工技术、检测指标与方法、经济效益分析等方面进行了系统的研究。 从国内目前所做的工作来看，桥面防水的研究t 作比较多，但成熟的经验较少，没有形 成系统的材料标准、旌工工艺及方法，我国公路沥青路面施工技术规范及公路沥青路 面设计规范中均要求要做好桥面防水层下作，但由于缺乏相关的研究工作，没有提出完善 的材料选择指标、试验检测方法和标准、施工工艺等。 1 4 研究内容 本文主要针对江苏高速公路防水层使用现状，进行桥面防水层理论分析、材料试验及施 工工艺的研究；并在室内试验研究的基础上，在宿淮高速公路宿迁段铺筑相关的桥面防水层 试验段，通过现场防水层性能的试验检测，确定最优的防水层结构；同时提出一套适用于目 前施上状况的防水层现场检测技术，用于指导施上作业。 本文的主要研究内容如下： 1 总结桥面铺装的破坏原因与影响因素 ( 1 ) 对江苏地区高速公路桥面铺装进行广泛调研，总结最主要病害类型； 5 东南大学硕上学位论文 ( 2 ) 分析各种病害产生的原因，为理论分析及试验分析提供背景。 2 进行防水层的理论力学分析 ( 1 ) 选定具有代表性的桥梁建立有限元力学模型； ( 2 ) 分析得f i 特定桥的纵横向最不利位置； ( 3 ) 分析防水粘结层材料自身参数变化以及铺装层厚度变化对桥面铺装层受力的影响： ( 4 ) 具体分析刹车、超载及高温对桥面铺装受力的影响。 3 防水层材料的室内性能试验 ( 1 ) 分析确定防水粘结层材料的要求； ( 2 ) 分别在室内进行选定防水粘结层材料的剪切及拉拔试验。 4 防水层的现场路用性能检测方法与检测结果 ( 1 ) 总结防水粘结层的施r 技术； ( 2 ) 铺筑防水粘结层，确保施工质量： ( 3 ) 对防水粘结层材料进行现场试验检测； ( 4 ) 推荐不同防水粘结层材料的的力学指标及检测标准。 6 第二章桥面防水层理论分析 第二章桥面防水层理论分析 随着我国公路交通事业的发展，桥梁结构不断创新，桥面铺装作为桥梁行车体系的重要 组成部分也日益受剑研究者的重视。国内外的研究表明，与一般沥青路面相比，由丁桥面铺 装体系在行车荷载、梁体变形、环境等因素的复合作用下，受力及使h j 条件更加复杂1 1 7 以引。 其应力应变特征与主梁及桥面板结构犁式密切相关。铺装层既是桥面保护层又是桥面结构的 共同受力层，桥面板的变形、大跨度桥梁本身的变形、位移、振动等都将直接影响铺装层的 工作状态。 在荷载作用下，由丁纵向和横向加劲部件对桥面板加劲作用，在桥面铺装内产生明显的 局部应力集中现象，用梁板理论较难准确分析铺装层内部的力学特性。所以，本文将桥面板、 横隔板、直腹板和沥青混合料铺装层作为统一的力学分析模型，采用三维有限元法j 对桥面 铺装的铺装层内部拉应力、层间剪应力以及其表面的最大竖向位移进行计算，分析桥面铺装 体系的力学特性和应力变化规律，为桥面铺装层进一步设计和选材提供理论依据，达到改善 铺装层受力、提高铺装层性能和延长铺装层使用寿命的目的。 水泥混凝十桥的沥青混凝十桥面铺装层在外荷载作用下，其受力状态既不同于一般道路 路面，也不同于钢桥桥面铺装层的t 作状态。这种差异是由混凝土桥铺装层的t 作状态、受 力模式等因素所决定的。所以，有必要对特定桥桥面系各加劲部件对桥面铺装受力状态的影 响，找出对桥铺装层受力最不利的荷位。 本章首先对水泥混凝士桥面沥青铺装层破坏原因进行调查，并分析总结，在此基础上， 结合宿淮高速公路桥面结构对设置柔性防水层的沥青混凝土铺装层进行力学分析，为防水层 材料选择及检测标准提供理论依据。 2 1 桥面铺装破坏的类型 从调查的情况米看，桥面铺装的损坏类型的主要类犁有以下几种1 2 0 j ： ( 1 ) 开裂：结构缝施工处理不当的薄弱处出现的反射裂缝和桥面系加劲部件项部铺装 层出现的横向和