（道路与铁道工程专业论文）聚酯玻纤复合材料在水泥砼桥桥面防水粘结层中的应用研究.pdf

摘要 随着我国公路交通建设的快速发展，桥梁作为公路建设的重要组成部分也随 之增多。目前，9 0 以上桥梁的沥青混凝土铺装层都不同程度地出现推移、车辙、 拥包、水损害等早期破坏现象，直接影响车辆的正常运行和桥梁外观，导致桥面 维修期大大提前。调查研究表明，桥面铺装早期破坏的主要原因是对桥面铺装防 水粘结层的材料选择与施工不当。因此，开发、研究和推广新型、性能优良的防 水粘结材料是非常有必要的。 本研究依托重庆市交通委员会项目“聚酯玻纤复合材料在沥青铺面防水阻裂 中的应用研究”。聚酯玻纤复合材料作为一种新型合成材料，具有优良的防水粘结 性能，并在桥面铺装中得到了一定的应用。首先，本文对西部地区水泥混凝土桥 沥青混凝土桥面铺装早期破坏形式进行了调研和资料收集并进行了原因分析；其 次，通过剪切、拉拔、抗渗水、抗施工损伤等室内试验，本文研究和分析了酯玻 纤复合材料、s b s 改性沥青、g s 5 型溶剂型粘结剂、a w p 2 0 0 0 f 涂料纤维、水性 沥青基防水粘结涂料的抗剪、抗拉拔、抗渗水及抗施工损伤性能；再次，本文综 合分析了各试验影响因素对性能指标的影响。研究结果表明：聚酯玻纤复合材料 在各方面性能都相当突出，尤其在防渗水、抗施工损伤方面尤为突出。此外，本 文采用了有限元力学方法，就桥面铺装构造、防水粘结材料参数等对防水粘结层 层间最大剪应力的影响进行了分析研究。 最后，在大量的试验基础上，结合实体工程试验研究，对聚酯玻纤复合材料 的施工技术进行了研究，完善了施工工艺并提出了相应的施工质量控制标准，从 而更利于聚酯玻纤复合材料的推广。 关键词：桥面铺装；防水粘结层；聚酯玻纤复合材料；有限元法 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yh i g h w a yt r a f f i c ，t h e b r i d g ea si m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h er o a di sa l s oi n c r e a s i n ga l o n gw i t hi t b u t ，m a n y b r i d g ed e c kp a v e m e n t sd i s p l a y i n gc e r t a i ne a r l yd a m a g e s ，s u c h a st r a c k ，t r a c t i o n ，c r a c k ， p o t h o l e ，d i r e c t l y i n f l u e n c e sv e h i c l e sn o r m a lo p e r a t i o na n dc a u s e s t h en o r m a l m a i n t e n a n c et i m et ob ea h e a dg r e a t l yo ft h eb r i d g ed e c k i n v e s t i g a t i n gi t sr e a s o n ，t h e g r e a tr e a s o ni st h ei m p r o p e rc h o i c ea n d i t i s v e r yn e c e s s a r y a n d u r g e n t w a t e r p r o o f - b o n d i n gl a y e r c o m b i n a t i o no fw a t e r p r o o f - b o n d i n gm a t e r i a l s o t or e s e a r c ho na n dp o p u l a r i z e t h en e w t h i sp a p e rd e p e n d so nt h ep r o j e c t s t u d yo na p p l i c a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l so f f i b e r g l a s s p o l y e s t ei na s p h a l tp a v e m e n tc r a c k i n gr e s i s t a n c e ，w h i c hi sc o o p e r a t e db y c h o n g q i n gt r a n s p o r t a t i o nc o m m i t t e e w i t he x c e l l e n tw a t e r p r o o f a d h e s i v ep e r f o r m a n c e ， c o m p o s i t em a t e r i a l so ff i b e r g l a s s p o l y e s t ew h i c hi s n e wt y p eo fs y n t h e t i cm a t e r i a li s b e i n gu s e e di nb r i d g ed e c kp a v e m e n tm e d i u m t h r o u g hs t u d y i n ga n da n a l y s i s i n ge a r l y d 锄a g ef o n n sa n dr e a s o no fc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e n t si nw e s tc h i n a , t h r o u g h s h e a rt e s t 、p u l l o u tt e s t 、i n f i l t r a t i o nt e s t 、a n t ic o n s t r u c t i o n h u r tt e s ta n ds o0 1 1 ，t h ea u t h o r s t u d i e s t h ep e r f o r m a n c eo fs h e a r ，a n t i p u l l o u t ，i m p e r m e a b i l i t yc o n s t r u c t i o no fw a t e r a n d a n t i d a m a g eo fc o m p o s i t em a t e r i a l so ff i b e r g l a s s p o l y e s t e 、s o l v e n t b o m ea d h e s i v e 、 s b sm o d i f i e da s p h a l t 、a w p 2 0 0 0 f 、w a t e r - b a s e da s p h a l t - b a s e dc o a t i n g s ；a tt h es a m e t i m e ，t h ep a p e ra n a l y s i si n f l u e n c i n gf a c t o r st op e r f o r m a n c ei n d e x t h r o u g h i n d o o rs h e a r t e s t , v a r i o u sa s p e c t so fp e r f o r m a n c e o fc o m p o s i t em a t e r i a l so ff i b e r g l a s s 。p o l y e s t ea r e q u i t ep r o m i n e n t ，e s p e c i a l l yo ni n f i l t r a t i o na n da n t ic o n s t r u c t i o nh u r t a t t h es a m e t i m e ，i n t h ep a p e r , c o n s i d e r i n gt h ec o n s t i t u t i o no fb r i d g ef l o o r i n gs y s t e m ，p a r a m e t e r so f m a t e r i a l d e r f o m a n c e ，e t c ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm e t h o di s t a k e nt os t u d yt h ec h a n g e o f s t r e n g t ha n do b t a i n t h em o s td i s a d v a n t a g es t a t u s f u r t h e m o r e b a s e d0 1 1t h em a n yt e s t sa n dc o m b i n e dw i t ht h ef i e l de x p e r i m e n t a t i o n r e s e a r c hi nr e a lp r o j e c t ，t h ep a p e rd i s c u s s e dc o n s t r u c t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s o f f i b e r g l a s s p o l y e s t i n t r o d u c e dt h ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e sf o rr e a l t i m ec o n t r o la 1 1 d t oi n s u r et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yf o rt h e f i e l de x p e r i m e n t a t i o n ，b e i n gb e n e f i c i a l t o p o p u l a r i z ec o m p o s i t em a t e r i a l so ff i b e r g l a s s p o l y e s t e k e y w o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t s ；w a t e r p r o o f - b o n d i n gl a y e r ；c o m p o s i t em a t e r i a l s o ff i b e r g l a s s p o l y e s t e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 柳芡日期：净垆月多日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：辨茭 e ta ：州年阳be t j ， 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国正处于大规模基础设施建设的高峰时期，桥梁作为公路的重要组成部分， 其结构的安全性、耐久性及桥面使用性能越来越受到重视。截止到2 0 0 6 年底，我 国高速公路通车里程已经超过了4 5 万公里。根据我国政府通过的“7 9 1 8 高速公 路网 发展规划，2 0 1 0 年之前，中东部省份的所有村庄以及西部省份的所有乡镇 要建成全天候的公路并与公路网连接；2 0 2 0 年前，西部所有省份的村庄要建成全 天候的公路并与公路网连接，从而为公平发展建立一个平衡的公路网络。与国家 “西部大开发 战略相适应，我国西部地区的高等级公路交通网络建设正大规模 进行，西部地区多山的地理特征使桥梁成为高等级公路的重要组成部分，一批大 跨径公路桥梁相继开工，并陆续建成通车。桥梁结构不断创新，桥梁施工技术不 断提高，这促进了我国桥梁建设水平的快速提高。据有关部门统计，我国最近1 5 年共修建了1 5 万座公路桥梁，总长3 8 万多公里，平均每年修l 万座大桥，速度 和长度均居世界前列。 桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，它一方面可分散荷载，参与桥 面板的受力：另一方面起联结各主梁共同受力的作用，既是桥面保护层又是桥面结 构的共同受力层。铺装层质量的好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒 适性、桥梁的耐久性及投资效益，对桥梁的使用性能影响很大。桥面铺装层直接 暴露在环境下，承受行车荷载、梁体变形和环境因素等的作用，因此，它必须具 有足够的强度和良好的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨等性能。 对于钢筋混凝土来说，裂缝几乎是不可避免的。除了设计不当、施工质量低 劣、荷载过大使钢筋混凝土产生非正常裂缝外，由于水泥混凝土材料本身的原因， 温度变化、干燥收缩、碱集料反应、硫酸盐作用、冻融作用都可能使桥梁梁板产 生各种各样的裂缝。由于这些裂缝的存在，雨水很容易侵入混凝土中问，从而腐 蚀其中钢筋，作用时间长后减小了钢筋截面积，相应地减少了梁板的含筋率，最 终造成桥梁的结构性损坏。雨水进入水泥混凝土中问还会加重混凝土的冻融损 坏，特别是对于北方地区冬季撒盐化雪，盐水对钢筋的腐蚀更为致命。例如北京 市北窑桥西引桥北侧边梁梁底主筋腐蚀十分明显，多处翼缘混凝土因锈水渗出形 成锈斑，主要原因为桥梁表面原来存在裂缝，梁板翼缘受雨水侵蚀最为严重，混 凝土表面既有裂缝成为渗水通道，加速了钢筋的腐蚀。 沥青混合料铺装层的物理与力学性能同桥梁结构相比有着明显的差异，即一 柔一刚。这一特性导致二者在温度变化及荷载作用下应力与位移不连续性，尤其 2 第一章绪论 是水平剪应力往往主要由铺装层承担。如果桥面与铺装层( 刚柔界面) 之间的粘 结不够牢固，或者铺装层( 层间) 抗剪强度不足，极易在铺装层中产生剪切破坏， 表现为推移、车辙、拥包、撕裂，形成人们通常所讲的“搓皮现象，也就是刚 柔两部分变形不一致。由此可见，对于桥面铺装层而言，水泥混凝土铺装层与沥 青铺装层之间的粘结至为重要。 为了方便施工工艺，减少层间接触面，不少国家取消了专门的防水层，或将 防水层和粘结层并为一层，称作防水粘结层。为了减少桥面铺装的破坏，进行桥 面铺装防水粘结层的分析与研究是极为必要。本文将对新型防水粘结材料一聚酯 玻纤复合材料的应用进行研究。 1 2 国内外研究与应用状况 桥面防水层属于桥面铺装结构的组成部分之一，防水层与铺装结构的关系是 部分与整体的关系。因此，研究防水层必须结合对铺装结构的研究进行，下面先 简述国内外桥面铺装结构的设计与应用状况，然后综述国内外对桥面防水粘结层 的研究状况。 1 2 1 国外的研究状况 桥面防水体系的修筑是提高桥梁使用寿命的重要保证，不容忽视，它与面层 的设计与施工是有机的整体，许多国家重视防水粘结层的应用。 二十世纪二十年代，丹麦和美国堪萨斯州开始在混凝土桥面采用较为原始的 防水层，。四、五十年代，伴随发达国家大规模的公路建设，防水层逐步得到应用。 防水系统的概念在六十年代出现，由于认识到防水系统对保证桥梁耐久性的重要 意义，英国于1 9 6 5 年开始强制在混凝土桥面设置防水系统，从1 9 7 1 年起j 防水 材料和防水系统须满足1 9 7 0 年颁布的道路和桥梁工作规范( d t t m b e 2 7 ) 自1 9 7 5 年，起为了获得b b a r b 使用资格认证，材料必须接受一系列检侧，至1 9 8 6 年， 须满足专门的公路工作规范乜1 。在这期间，欧美等国相继制定类似政策，并对防水 系统进行了大量的研究，掀起了桥面防水研究和应用的高潮。 为完善和提高桥面铺装的使用性能，许多国家展开新一轮的桥面铺装特别是 对防水粘结层及其体系的研究和应用。如英国t r r l 于上世纪8 0 年代末9 0 年代 初开展了一项庞大的、系统的研究计划口1 ；美国s h r p 对防水系统的使用性能和无 破损检测技术进行了研究；美国的n c h r p 也于1 9 9 5 年对混凝土桥梁的防水情况 进行了大规模的调查和研究，并重申了桥面防水系统在新建、改建和维修工程中 的重要性。欧美国家一直对混凝土桥面铺装进行深入和系统的研究，如1 9 9 6 年， 英国的t h o e g e r s e n 专门对桥面防水层的气泡问题进行研究h 1 ；在1 9 9 8 年， 第一章绪论 j o h n s o n 针对防水层的破坏特征进行了大量的野外观测和研究，为修订阿拉斯加州 防水施工规范提供依据啼1 ；新英格兰的h u s t o n ，d r 于1 9 9 9 年对防水材料及检验等 进行深入研究1 ；同年，瑞士的k o i c h i 和m a n f r e d 研究了不同因素对沥青混凝土铺 装层与水泥混凝土铺装层粘结力的影响，采用了一些新的性能试验方法用于判断 防水薄膜与桥面混凝土粘结力口，。至今，许多发达国家仍在进行研究，这一阶段研 究工作的特点是与工程实际紧密结合，目标明确，内容细化且深入。 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还是以 经验法为主，偏重于应用，侧重防水粘结层材料的筛选和大规模室内外现场试验 的应用研究，计算理论涉及的很少。 1 2 2 国内的研究状况 与国外的研究状况相比，我国混凝土桥面防水粘结层的研究要晚得多。目前， 桥面渗水的问题在我国日益严重，但对于桥面的排水、防水粘结层的研究，还非 常欠缺。国内最早是从2 0 世纪8 0 年代认识到桥梁防水粘结的重要性，开始在北 京、天津等地铺设柔性防水粘结层，但是当时未对此做系统研究。1 9 9 4 年，北京 市政设计总院针对北京城市立交的桥面渗漏问题做了一些初步的研究，主要对比 以下的四种防水粘结材料：阳离子胶乳沥青涂料、盘锦禹王防水卷材、北京奥克 兰防水卷材和h j 型聚氨酯防水涂料。使用效果表明：卷材类防水粘结材料具有铺 装速度快、施工工艺简单等特点，被广泛应用于屋面、地下、水库等，但是，在 桥面铺装的应用中受到限制；膜类材料与桥面找平层粘结紧密，桥面边角等特殊 部位涂刷较之卷材类效果好，但是铺装工艺较之卷材类复杂。1 9 9 6 年，上海内环 线工程建设处对内线高架道路桥面防水涂层技术进行了研究，研制了以沥青为基 料的j w p - 1 和5 w p - 2 型防水涂料，取得了一定效果。2 0 0 0 年3 月，长安大学公路 工程学院在1 0 7 国道郑州市跨机场高速公路高架桥，对北京禹王f y t 等四种国内 外防水材料进行了桥面防水实验，为水泥混凝土的桥面防水粘结系统工程的设计、 施工提供了一定的依据。2 0 0 2 年，由重庆交通科研设计院承担的交通部西部交通 建设科技项目“桥面铺装材料与技术研究 中，根据我国桥面铺装的具体情况从 桥面铺装病害调查、受力分析、室内试验、到实体工程进行了较为系统的研究并 取得不少有应用价值的研究成果陋1 。 目前一般高速公路桥面防水粘结层防护主要分为物理防护和化学防护两种方 式。物理防护有防水涂料、胶体、卷材等，靠防水涂料、胶体、卷材等本身形成 防水层的物理作用来隔断水份，但是防水层的局部破损和老化都会影响防水效果， 同时存在和沥青混凝土的相容问题，如果粘结性能不好，易形成软弱夹层，影响 整个结构层性能。化学防护就是靠防水材料的结晶渗透作用，堵塞混凝土毛细管， 形成自密性混凝土防水层，来达到防水的效果，但是如果混凝土出现裂缝，该防 4 第一章绪论 水层一般没有延性，裂缝处的渗水无法解决，并且对减缓裂缝的产生，效果也不 佳。 总之，目前对于水泥混凝土桥梁铺装层的结构层尤其是防水粘结层的研究设 计还没有形成完整体系。所以需要参照已有的方法，借鉴其合理方面，改进其不 足，将力学计算和试验结合起来，相互验证，从而得到行之有效的研究方法。 1 3 本文主要研究内容 重庆近年来修建的多条高速公路上已建的多座大中型桥梁及少数特大跨径桥 梁的混凝土桥面沥青铺装层在使用1 2 年的时间里出现面积不等程度不同的损 坏，病害类型主要有横裂、纵裂、斜裂、网裂等多种裂缝以及车辙，拥包，坑洞， 麻面，脱空，松散剥落等病害。目前，重庆高速公路一般混凝土桥面沥青铺装层 通常与同主线路面的上面层和中面层相同( 特大桥、跨江、跨海大桥除外) ，中面 层与桥面板之间设置防水层和混凝土调平层。由于对混凝土桥面上沥青铺装层采 用了同主线路面上中面层基本相同的技术指标要求，难以单独设计和要求，同时 桥梁的下部结构设计不可改变。因此提高桥面与沥青铺装层之间的防水粘结层性 能，保证桥面铺装结构的整体性，防止反射裂缝和水破坏的影响，可以减少桥面 铺装的早期破坏。 目前公路桥梁桥面铺装防水粘结层单独使用卷材和涂膜类效果不佳，所以本 文将重点研究集卷材和涂膜效果于一体的新型防水粘结材料一聚酯玻纤复合材 料。重庆市交通委员会委托重庆交通大学开展了聚酯玻纤复合材料在沥青铺面 防水阻裂中的应用研究项目，本项目围绕其工作目标，制定了如下研究内容： 总结国内外关于水泥混凝土桥面铺装概况( 第一章) ； 桥面铺装病害调查及原因分析研究( 第二章) ； 提出合理的桥面铺装层结构、优选几种防水粘结层，并对原材料进行技术 性能分析( 第三章) ； 水泥混凝土桥面防水粘结层性能研究( 第四章) ； 水泥混凝土桥面防水粘结层力学分析( 第五章) ； 聚酯玻纤布防水粘结层施工技术研究( 第六章) 。 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 近年来我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新，大跨桥梁已很普遍， 但桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面 铺装层一般不作专门的计算分析。随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装出现了 一系列的病害。这不仅妨碍了正常交通，影响了桥面的美观，更易造成交通事故，也 给维修工作带来了很大困难。桥面铺装的早期损坏已成为影响高速公路使用功能 的发挥和诱发交通事故的关键问题。 2 1 国内外混凝土桥面铺装层的使用现状 公路混凝土桥梁桥面铺装，经常产生很多裂缝，有的桥面铺装层会出现混凝 土部分剥落和铺装层凹陷。为此，各国公路管理部门针对混凝土桥面铺装进行了 大量的研究。 2 1 1 国外混凝土桥面铺装层使用现状 西德 1 9 7 9 年西德下撒克州道路工程管理部门对1 0 6 6 座钢筋混凝土及预应力混凝土 桥梁进行调查，其中4 4 5 的行车道铺装出现损坏呻1 。 英国 在英国，桥面铺装分整体式桥面和双层式桥面。英国工程师a j 蒙多塔多在 “运输研究报告6 5 1 号 中，对在同一时期( 1 9 6 0 1 9 6 4 年) ，用同一产地骨料和 混凝土修建的7 3 座公路桥梁的混凝土桥面所作调查结果表明：整体式混凝土桥面 与用环氧树脂粘贴的双层式混凝土桥面相比，前者更容易发生表面破损。一种复 合的环氧类粘结剂，在合理实用的情况下，具有比水泥灰浆更为稳固的粘结性能 n 们。两种桥面使用情况见表2 1 。 表2 1 整体式桥面与双层式桥面的调查 桥面类型 使用性能桥面数 面积( m 2 ) 面积百分率( ) 整 重铺面层或需要重建 2 62 9 6 1 06 6 7 体 尚好 1 38 5 7 4 1 9 3 式 桥 面 优良 96 2 3 2 1 4 o 合计 4 84 4 4 1 61 0 0 0 6 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 重铺面层或需要重建 21 9 1 6 4 1 双 层 尚好 32 6 5 69 9 式 桥优良 2 04 0 6 0 18 6 o 面 合计 2 54 7 1 7 3 1 0 0 0 桥面铺装损伤情况如下： 分布钢筋少时，沿主筋方向发生单向裂纹。 垂直相交两个方向发生裂纹。 形成格子状或龟裂状的裂纹网。 裂纹桥面局部脱落，保护层混凝土剥落。 桥面铺装出现空洞和桥面陷落。 裂纹的存在，导致桥面经受各种侵蚀，例如：雨污水流入、遭受冻融循环、冬 季撒布的氯盐等腐蚀。这些都会导致结构承载力的下降。 2 1 2 国内混凝土桥面铺装层使用现状 重庆及其周边地区桥梁桥面铺装的破损程度也是相当严重的。见表2 2 。 最典型的是南京长江大桥，在各方面大力支持下，投资2 0 0 0 多万元对公路桥 进行的桥面整修工程于1 9 9 6 年8 月底竣工，但由于铺装时质量不高，结果不到半 年时间，桥面已破坏严重，不得不投资重修和补修。 表2 2 重庆及周边地区部分桥梁桥面铺装病害情况 厚度 序号 桥梁名称竣蜥桥面罐洲破眯睛况 ( 神 1 内环高家花园大桥 1 9 9 8 钢筋混凝土 1 0角裂多处、横缝、纵缝，程度：严重 2 内环红槽坊大桥 1 9 9 9 钢筋混凝土 1 0 角裂多处、龟裂，程度：严重 角裂多处、横缝、纵缝、龟裂，程度： 3 环上界段凤中主线桥 1 9 9 9钢筋混凝土1 0 严重 龟裂、角裂多处、横缝、纵缝，程度：较 4 铜梁珠宝大桥2 0 0 0钢筋混凝土 1 0 严重 5 忠县白石桥2 0 0 3 钢筋混凝土 1 0 全部碎裂，程度：较严重 6 黔江区冯家坝大桥 2 0 0 l 钢筋混凝土 1 0龟裂、角裂多处，程度：一般 7 石柱县龚家岩桥1 9 9 6钢筋混凝土 1 0龟裂、角裂多处，程度：一般 8 石柱县李胜坝桥1 9 9 6钢筋混凝士1 0龟裂、角裂多处，程度：一般 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 7 角裂多处、横缝、纵缝、龟裂，程度： 9忠县民星桥1 9 5 6 钢筋混凝土 1 0 严重 1 0石柱县塔水桥1 9 9 6 钢筋混凝土 1 0横缝、纵缝，程度：严重 1 1忠县踏泥桥 6 0 年代钢筋混凝土 1 0龟裂、横缝、纵缝，程度：较严重 1 2石柱县张家沟1 9 9 7 钢筋混凝土 1 0横缝、纵缝多处，程度：一般 2 0 0 7 年云南省调查了城市桥梁、高速公路桥梁及其他桥梁共8 4 座，存在的病 害统计如下( 见表2 3 ) 1 ： 表2 3 沥青混凝土桥面铺装调查总计表 病害现象调查桥梁总数( 座) 出现数( 处、 出现比例( ) 桥面铺装层脱落2 33 5 9 推移、车辙、拥包3 14 8 4 松散、坑洞 1 82 8 1 6 4 裂缝 3 35 1 6 泄水孔堵塞 1 11 7 2 主梁受损 91 4 1 从表2 3 中可以看出看，云南省桥梁存在着严重的破坏问题，应该引起相当 的关注。 2 2 桥面铺装常见病害形式 目前我国高速公路沥青混凝土桥面铺装破坏的最大特点是早期破坏且较为普 遍和严重。因此，水泥混凝土桥桥面损坏状况调查的主要目的是了解桥面铺装易 于出现的典型病害类型，分析桥面铺装损坏的原因，为铺装结构和材料技术的研 究提供技术基础。鉴于国内桥面防水层使用中存在的主要问题，桥面沥青混凝土 铺装层的早期破坏形式主要有以下四类。 2 2 1 桥面铺装层脱落 第= 水泥混凝土桥面铺装璃害调查及原目分析 臣譬 一 第= 章m 泥混凝桥面铺装病害调查厦厚w 分析 田23 桥面推移后形成车辅、拥包 f i 9 23 t h e f o m l a t i o n o f t r a c ka n du p h e a v a l b y t h e b r i d g ep a v e m e n tp r o c e s s 图22 、图23 是典型的桥面铺装层间推移现象，桥面铺装的沥青混和料在汽 车的作用下被推起、挤揉堆积成一堆。产生这类病害的外因是气温过高、超载车 辆严重以及山区公路纵坡较大等。温度越高，沥青混和料的劲度模量越低，抗变 形能力就越差，这是沥青路面出现车辙的原因，在桥面铺装层上也表现为车辙、 推移。另外桥面铺装大量车辙、推移现象发生在大纵坡、弯坡桥面上，我国许多 载重车辆超载严重，上坡能力差，车速较低，使车辙迅速产生。下坡段，超重车 辆均要踩着刹车，使铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形 形成推移、拥包等病害。内因是铺装层沥青混和料的抗变形能力差，当荷载应力 超过沥青混和料的稳定度极限，沥青混和料出现流动性变形，形成推移。 2 23 桥面铺装水损害 潮湿多雨地区的桥面铺装层容易出现严重的水损害现象，导致铺装层材料松 散，车辆带走松散脱落的矿料，从而形成坑洞，如图24 。 图24 桥面坑洞 f i g24p a v e m e n tk e t d e h o l e 桥面铺装层出现松散、坑洞等水损害现象的原因是由铺装层的密实及防水性 萨 一淘翟函 l o 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 不足与沥青混和料的抗水损害能力较差而引起的。一旦桥面铺装出现水破坏，如 果再没有完善的桥面防水设置，将引起桥梁结构的破坏。桥面混凝土厚度小，和 空气的接触面积大，产生塑性开裂的机率很大。在以后的使用过程中，早期产生 的裂缝会随着车辆反复荷载的冲击下逐渐扩展。如果没有完善的防水系统，带有 腐蚀性物质的水就会渗入到混凝土中或从裂缝中流入到混凝土中去，酸碱性物质 对混凝土有腐蚀作用，在水泥砂浆与石子的界面处生成白色凝胶物质，这种物质 在潮湿环境中吸水膨胀，从而造成混凝土结构从内部开始的涨裂，甚至破坏。 2 2 4 裂缝 桥面铺装层产生裂缝在病害现象中比较普遍，裂缝形式多种多样，有横向裂 缝、纵向的裂缝、龟裂、网裂，病害原因极为复杂( 裂缝形式见图2 5 ) 。 横向裂缝( 见图a ) 桥面铺装横向开裂的主要原因是：( 1 ) 温度收缩应力导致铺装层横桥向开裂； ( 2 ) 当水泥混凝土桥面板薄弱且没有足够的纵向钢筋承受冲击荷载时，横向裂缝 必然要发生，在车辆荷载重复作用下横向裂缝发展成为横向开裂。 纵向裂缝( 见图b ) 纵缝是桥面普遍和典型存在的，也是处于继续加剧与恶化的主要病害形式， 几乎发生在每座桥的上下行和每幅桥面，且其横向分布和表现形态一致。病害程 度较轻的桥跨，纵缝一般发生在行车道和汽车轮迹线附近2 - - 3 块空心板间的横向 企口缝上方的桥面附近，病害程度严重的桥跨，桥面空心板横向企口缝上方附近 普遍发生纵缝，尤其是在行车道的汽车轮迹线附近纵缝更为严重，已经造成桥面 沥青混凝土铺装层的纵向沟槽，其原因主要是铺装层沥青混和料的抗疲劳强度偏 低，在车轮荷载的反复作用下产生较大的重复拉应力，导致疲劳开裂。 龟裂、网裂( 见图c 、图d ) 龟裂、网裂则是因为铺装各结构层以及桥面板之间的粘接力不足，各层的材 料的热膨胀系数也不尽相同，粘接强度不足以抵抗层间的相对变形要求，各层也 满足不了变形的随从性，铺装层产生裂缝n 别。或由于荷载的作用使处于负弯矩区 的桥面铺装层受到拉力的作用而产生负弯矩区裂缝；桥梁墩台沉降拉裂铺装层； 高等级公路大跨桥梁的横向越来越宽，在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析， 对桥梁横向刚度重视不足，横向构造措施不利使桥面铺装分担了过多的次内力导 致铺装层开裂。 第= 章水泥凝桥面铺装自害调厦原因分析 _。- 幻桥面铺装横向裂缝q 桥面铺装纵向裂缝 c ) 桥面铺装厨裂、龟裂d ) 桥面铺装纵向沟槽 图25 桥面的裂缝形式 f i g 25 c r a c k s o f b r i d g e d e c k p a v e m e n t 23 沥青混凝土桥面铺装病害原因分析 影响桥面铺装破坏的因素很复杂，从广义上可概括为，所选择的铺装材料与 桥面表层的受力状况不相适应。造成这种不一致又有几方面的原因：有铺装层结构 设计方面的原因，又有施工方面的原因：包括沥青混凝土本身的内部因素( 如材料、 级配选择的不舍适等) 和外部因素( 如超载、水损坏) 等“”。 231 桥面铺装层结构设计理论不足” 合理的控制指标是进行结掏设计的重要依据，然而目前关于桥面铺装的研究 还很不成熟，并且现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面，而关于理论分 析和结构计算的研究很少。在对高速公路进行交通组织管理中，由于车道功能的不 同，人为强制地使桥梁结构运营始终处于偏载状态，使主车道的铺装承担了 比超车道高得多( 量值可达三至四倍) 的运营应力水平，因此加快了主车道铺 装层的疲劳。特别是随着私营运输业的发展，货运业主为追求短期经济利益，通过 改变车厢结构如加长车厢和加高车轴弹簧等使汽车的载重、轴重及轮载成倍增加。 这些车辆对铺装层具有严重的毁坏作用，并使桥梁结构局部超载，加快了主车道铺 j羹纂_一 一一斌 橥 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 装层的病害发展。桥面铺装受桥梁结构的约束，受荷后其边界条件与一般路面相差 甚大，加之梁体的挠度、扭曲等形变的耦合作用，给铺装层的工作性能造成不利影 响。桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击，桥面铺装部分或全部参与了主梁结构的 变形，因此桥面铺装是一个受力复杂的动力体系，各种形式的主梁及铺装本身的构 造均影响其应力的分布。 然而现行规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方面作 了指导性的说明，关于具体的设计理论与方法还是空白，铺装层的设计无章可循。 这就造成了在实际设计中，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，设计者对其甚 少花费精力，从而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患。因此，应加快对沥青混凝土 桥面铺装的进一步研究，在分析铺装层破坏形式的基础上，确定关键因素，提出控 制指标，明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数，并建立相应的 破坏准则，为设计提供依据，保证设计模型的准确性，从根本上解决桥面铺装早期 损坏问题。 2 3 2 防水粘结层的设置不合理 桥面铺装的早期破坏与防水材料的选择、防水层的厚度、结构设计及施工技 术和质量密切相关。在影响桥面铺装质量的原因中，水的深入是造成冻融破坏、 钢筋腐蚀、碱集料反映、混凝土碳化等的最直接最主要的原因之一。因此，在桥 面铺装中需设置防水层，应从根本上切断水的来源，防止面层渗入的水进入桥面 而破坏桥面板和腐蚀主梁钢筋，从而有效保证混凝土桥梁免遭破坏，延长桥梁的 使用寿命，提高桥梁上部结构的耐久性。 由于柔性防水层的强度与桥面板和铺装层的强度有差异，它的存在使上部结 构形成刚一柔一刚的板体受力体系。中间柔性夹层会增大桥面板中部的板底拉应力， 处于防水层上的铺装层二经开裂，在车轮的动载作用下，彼此间的缝隙越来越大， 直到松散脱落。防水层的使用使铺装层发生剪切破坏的机率大大提高。沥青面层 内和层间抗剪强度不足常造成面层的推移、拥包、两层皮等病害。因此大幅提高 层间抗剪强度( 粘结力) 和防水性能是保证结构质量的关键措施。 桥面防水层在行车荷载的多次反复作用下引起铺装层同上下层混凝土产生滑 移，造成桥面铺装层间的疲劳剪切破坏，桥面防水层在行车作用下，一方面承受 循环水平剪切应力，另一方面，桥面铺装层在荷载的反复作用下底面产生拉应变 造成开裂，会对其产生力的撕裂作用，加速了层间的剪切破坏。特别是箱梁，桥 面板的变形使纵向肋、横隔梁等刚性大的部位与桥面板连接处成为高应力区，并 在这些位置处的铺装层内产生较大的负弯矩，此处成为应力集中区，在高频率的 弯拉应力作用下，防水材料不断地反复拉伸变形，再随桥面混凝土协同变形，其 与混凝土的粘结力不断衰减，随着循环应力的增加，此区域有不断扩大的趋势， 第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 1 3 铺装层会出现疲劳破坏。 因此，应确定粘层和防水层的合理用量，在设计中，以粘结层的疲劳剪切破 坏作为桥面层间设计标准将桥面铺装层与桥面板层间的最大剪应力作为设计指 标，设计中控制层间的最大剪应力不超过粘结层材料相应的容许抗剪强度。即： 【f 】尺 式( 2 1 ) 式中：7 一一理论计算得到的桥面铺装层与桥面板层间的最大剪应力； r j r 一粘结层材料或防水层的容许抗剪强度。 2 3 3 施工原因 提高桥面铺装层的施工技术水平也是提高桥面使用性能的重要方面。施工工 艺对桥面铺装层的影响主要体现在三个方面：桥面不平整，在摊铺沥青混凝土之 前凹凸不平，甚至有钢筋头露出，施工中不进行处理直接摊铺面层后，在行车和 温度荷载的作用下，这些地方铺装层内产生局部应力集中，首先出现结构性的点 损坏，然后逐渐向四周扩散，从而造成相应病害：梁顶清理不利，造成铺装层与 主梁结合欠佳：由于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法十分 准确地预测，或由于施工工艺控制欠佳，施工中主梁顶面标高与设计值相符是比 较困难的，一般在测量主梁顶面标高后对其进行调整以保证桥面铺装的厚度。如 果调整不好，就会造成铺装层平整度达不到规范要求，厚度不均，有的地方厚度 偏小：施工过程中出现离析、压实不足等现象。 2 3 4 交通荷载及其它原因所引起的损害n 钉 随着私营运输业的发展，货运业主为追求短期经济利益，通过改变车厢结构 如加长车厢和加高车轴弹簧等使汽车的载重、轴重及轮载成倍增加。车辆超载造 成桥面铺装层结构应力增大，加剧结构的损坏。目前车辆超载严重，轴载高达2 0 3 0 t ，而路面设计标准轴载为1 0 t ，力学分析与实践证明，超载是桥面严重损坏的 一个重要方面n 副。 此外，在对高速公路进行交通组织管理中，由于车道功能的不同，人为强制 地使桥梁结构运营始终处于偏载状态，使主车道的铺装承担了比超车道高得多( 量 值可达三至四倍) 的运营应力水平，因此加快了主车道铺装层的疲劳。 桥面铺装的损坏一般是上述某几种因素综合作用下而产生的，因而找原因时， 要从各个方面来进行综合分析。 2 4 桥面铺装层破坏机理 实际的桥面铺装层都要参与桥梁主体结构受力、与桥梁主体结构协调变形、 直接承受车辆的轮载。由于桥面板与铺装层材料不同，且施工时间有先后，这样 1 4 第二章水泥混凝士桥面铺装病害调查及原因分析 在两者之间必然存在着界面，而界面连接的好坏将直接影响两者的共同受力和协 调变形；铺装层的厚度与设计方式存在一定的随意性和认识上的不足，很多桥面 铺装层的破坏起源于界面的缺陷以及铺装层的薄弱的设计构造。 本文采用a n s y s 有限元分析软件进行力学分析，建立了有限元模型，分析了 铺装层内部应力分布状况和病害产生的原因，找出目前桥面铺装层主要破坏类型 的力学机理。 是沥青铺装层结构在设计寿命内发生开裂破坏力学机理； 沥青铺装层由于荷载及温度等其他因素作用而产生开裂破坏，考虑沥青混合 料一定的松弛效应后沥青铺装层内的最大主应力0 。应不大于沥青混合料的容许拉 应力0 。，容许拉应力0 。按下式计算： 0r = 二里 式( 2 2 ) k 盯 式中：0 。i - 沥青混合料的容许拉应力( m p a ) ； o 广沥青混合料的劈裂强度( m p a ) ，由试验确定； k 。，一与温度疲劳、沥青混合料级配类型相关的沥青混合料抗拉结构系 数。 0 。根据拟定的沥青铺装层厚度和防水粘结层形式，通过有限元分析计 算得到。 二是沥青铺装层不能够与桥面板牢固粘结，发生推移、拥包、剥离等剪切 和粘结破坏力学机理。 在荷载的作用下，由于防水粘结层不具备足够的抗剪强度和粘结强度，防水 粘结层容易产生推移、拥包、剥离等剪切和粘结破坏。也就是说，防水粘结层与 桥面板及沥青铺装层间的最大可能出现的剪应力t 大于防水粘结层的容许剪应力 t 。，即t t 。；防水粘结层与桥面板及沥青铺装层间的最大可能出现的拉拔应力 0 大于防水粘结层的容许剪应力0 。，即0 。0 。 第三章原材料技术性能分析 第三章原材料技术性能分析 我国目前还没有统一的有关桥面防水粘结层的设计、试验、施工方面的规范， 在选择、使用防水粘结材料时盲目性大，无法根据不同实际情况来操作，导致桥 面防水粘结层效果不佳、质量控制无章可循。为此，需要来对桥面防水粘结材料 进行试验研究，希望能够提出反应桥面防水粘结实际性能的试验方法与合适的评 价指标。 3 1 概述 防水粘结层的设计与施工是整个桥面铺装结构的重要部分，同时其性能的好 坏对桥面铺装的使用寿命有直接影响。如果面层中的水透过防水粘结层渗入桥面 板，铺装层和桥面板之间粘结力下降，甚至产生脱层现象，将导致桥面铺装迅速 恶化。概括来说，防水粘结层的作用主要分为以下几个方面： 防止水分下渗接触桥面板，腐蚀钢筋，威胁主梁安全： 将沥青混凝土铺装层与桥面板粘结成一个整体，充分发挥铺装层与桥面板 的复合作用，改善桥面板与铺装层的受力情况。 用作应变吸收层。防水粘结层一般多用变形能力大的弹性材料。当桥面板 在温度变化或行车荷载作用下发生水平向变形时，防水粘结层可以吸收铺装层和 桥面板之间部分相对位移，从而减小铺装层内的应力。 3 1 1 防水粘结材料基本要求 防水粘结层的整体性能、作用与其所选用材料的性能要求是密不可分的，选 择防水粘结材料时必须注重如下一些要求： 要求桥面防水粘结层具有良好抗渗性能 桥面防水粘结层不仅要抵抗雨水的渗透，阻隔雨水渗入桥面板。还要防止孔 隙中的水份在车辆荷载的挤压作用下，产生很大的脉冲动态水压作用而产生的渗 透。因此要求桥面防水粘结层具有良好抗渗性能，抵抗在动水压力下的渗透作用， 保护桥面板。 要求桥面防水粘结层具有稳定的力学性能 防水粘结层分离面层( 作用交通荷载) 和桥梁结构，因此，防水粘结材料还 须具有良好的力学性能能够适应结构的各种变化，且在面层传来的各种荷载应力 下( 包括垂直应力和水平剪力) 或在急弯、陡坡区域不会使面层和主梁脱离u 引。 在桥面可能遇到的所有温度状况下保证力学性能