（道路与铁道工程专业论文）桥面高粘沥青粘结防水材料性能与应用研究.pdf

摘要 粘结防水层是桥面铺装的重要组成部分，沥青混凝土桥面的病害，尤其是早 期病害表明，铺装结构中粘结防水层的设置至关重要。我国现有粘结防水层的理 论研究和实践研究尚不完善，导致大量桥面铺装由于粘结防水层的选材和设计不 当而过早破坏，因此从材料试验和力学分析的角度深入研究桥面铺装体系的粘结 防水层具有重要的理论意义和实用价值。 本文以桥面高粘沥青粘结防水层为研究对象，从粘结材料的粘结强度构成机 理入手，对粘结层的粘结强度材料和界面两大影响因素进行了分析。采用大型通 用有限元分析软件，以有限单元理论为基础对清连高速公路中的杜步3 号桥实体 工程进行数值模拟计算，通过计算得到粘结体系最大拉应力和最大剪应力，并以 此作为室内材料性能试验研究的控制性指标；同时改变粘结层计算参数以求得各 应力分布变化规律。对高粘四种沥青、s b s 改性沥青和环氧沥青进行了一系列基本 性能对比试验，试验结果表明高粘沥青具有较好的材料性能，尤其是高粘3 # 和4 并 沥青，它们的高温稳定性、低温柔韧性等性能均明显优于s b s 改性沥青和环氧沥 青。随后对高粘3 # 和4 # 沥青进行了界面结合稳定性试验研究，以研究高粘沥青在 实际工程中的使用性能，试验包括直接剪切、斜面剪切和直接拉拔三类试验，试 验得出了高粘沥青的极限抗剪切和极限抗拉拔强度，同时通过改变试验温度、界 面状况等试验条件而得到高粘沥青强度变化规律，并将试验结果同数值计算结果 进行比较，通过对比分析表明高粘沥青应用于水泥混凝土桥面上是完全可靠的。 本文以杜步3 号桥实体工程为背景，对高粘沥青粘结防水材料的施工过程进 行了研究，为保证高粘沥青粘结防水材料施工质量提出了相应的措施。 关键词：粘结防水层；高粘改性沥青；粘结强度；水泥混凝土桥面 a b s t r a c t t h ew a t e r p r o o fa n da d h e s i v el a y e ri sa ni m p o r t a n tp a r to f b r i d g ed e c kp a v e m e n t t h eb r i d g ed e c kd i s e a s e so fa s p h a l tc o n c r e t ee s p e c i a l l yt h ee a r l yd a m a g e si n d i c a t ea f a c tt h a ti ti si m p o r t a n tt os e tt h ew a t e r p r o o fa n da d h e s i v el a y e ri np a v e m e n ts t r u c t u r e n o w a d a y si nc h i n a ，l i t t l es t u d i e so nt h i st o p i ci sm a d e ，m a n yb r i d g ed e c k sh a v e d i s e a s e dc a u s e db yt h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e r p r o o fa n da d h e s i v el a y e r s o i tg r e a t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la f f e c t i o nt os t u d ya n da n a l y z et h el a y e ri nv i e w so fm a t e r l a 1 a n de x p e r i m e n t t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i s p a p e ri s ah i g hv i s c o s i t ya s p h a l tw a t e r p r o o fa n d a d h e s i v el a y e rw h i c hi su s e do nt h eb r i d g ed e c k t h r o u g ht h ec o m p o s i t i o nm e c h a n i s m o ft h eb o n ds t r e n g t ho ft h eb o n d i n gm a t e r i a l ，w ea n a l y z et h et w om a j o ri n f l u e n c i n g f a c t o r s m m a t e r i a l sa n di n t e r f a c e so fa d h e s i v el a y e r , w h i c hw i l li n f l u e n c et h eb o n d s t r e n g t h b a s eo nt h el a r g eg e n e r a l p u r p o s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tt h e o r yt os i m u l a t ed u b u3 r db r i d g eo fq i n g l i a n s p e e d w a yb yt h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n b yt h i sc a l c u l a t i o nw ec a na c q u i r et h eg r e a t e s tt e n s i l es t r e s sa n d m a x i m u ms h e a rs t r e s st h eb o n d i n gs y s t e m ，w h i c hc a nb ea sac o n t r o l l e dp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sf o ri n d o o re x p e r i m e n ts t u d yo fm a t e r i a l s ，a tt h es a m et i m e ，t o c h a n g et h e p a r a m e t e r st h eb o n d i n gl a y e ri no r d e rt oa c h i e v ec h a n g ed i s c i p l i n a r i a no ft h es t r e s s d i s t r i b u t i o n c a r r y i n go u tas e r i e so ff u n d a m e n t a lp r o p e r t i e sc o m p a r i s o nt e s t sw i t h f o u rk i n d so ft h eh i g hv i s c o s i t ys p h a l t ，s bsm o d i f i e db i t u m e na n de p o x y a s p h a l t t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h e h i g hv i s c o s i t ya s p h a l tm a t e r i a l sh a sb e t t e r p e r f o r m a n c e ， e s p e c i a l l yt h eh i g hv i s c o s i t yo f3 群a n d4 群a s p h a l t ，t h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y & l o wt e m p e r a t u r ep l i a b l ew e r es i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h es b sm o d i f i e da s p h a l ta n d e p o x ya s p h a l t t h e n3 a n d4 ；a s p h a l tc o n d u c tr e s e a r c ho ft h es t a b i l i t yo fi n t e r f a c i a l b o n d i n g ，i no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo fa c t u a le n g i n e e r i n go ft h e h i g hv i s c o s i t ya s p h a l t t h ee x p e r i m e n ti n c l u d e st h r e et y p et e s t s - - d i r e c ts h e a rt e s t ， s l o p es h e a rt e s ta n dd i r e c tp u l l o u tt e s t ，t e s t sa c q u i r et h el i m i to fa n t i 。s h e a ra n d a n t i p u l ls t r e n g t ho ft h eh i g hv i s c o s i t ya s p h a l t ，a tt h es a m et i m e ，b yc h a n g i n gt h et e s t t e m p e r a t u r e ，t h ei n t e r f a c ec o n d i t i o n se t c o ft h et e s tc o n d i t i o n st oa c q u i r es t r e n g t h c h a n g e sd i s c i p l i n a r i a no fh i g hv i s c o s i t ya s p h a l t ，t h e nc o m p a r i n gt e s tr e s u l t sw i t h n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，b yc o m p a r i n ga n a l y s i ss h o w e dt h a t h i g hv i s c o s i t y a s p h a l ti sa p p l i e do nc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c ki sc o m p l e t e l yr e l i a b l e i nt h i sp a p e r ，d u b u3 r db r i d g eo fq i n g l i a ns p e e d w a yb r i d g ei sa st h eb a c k g r o u n d i l o ft h ep r o j e c te n t i t y ，h i g hv i s c o s i t ya s p h a l tw a t e r p r o o fm a t e r i a lb o n d e dc o n s t r u c t i o n p r o c e s sh a v e b e e ns t u d i e d ，t oe n s u r et h eh i g hv i s c o s i t ya s p h a l tw a t e r p r o o fm a t e r i a l b o n d e dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yt h ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s k e y w o r d s ：a d h e s i v ea n dw a t e r p r o o fl a y e r ；h i g hv i s c o s i t yo fa s p h a l t ； a d h e s i v e s t c r n t h ；c o n c r e t e b r i d g e i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 侗良窒、 日期：少罗年岁月刀日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 侗k 尘 日期：上一f 年 岁月7 j 日 导师签名锨枯际日期哆年乡月8 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着公路等级的不断提高，桥梁等公路构造物尤其是水泥混凝土桥所占比重 越来越大；同时，交通量和重型车迅速增加，特别是近年来超载现象严重，桥面 铺装的破坏情况越来越严重，有为数不少的桥梁通车后不久，桥面沥青铺装就不 同程度地出现了裂缝、拥包、车辙、碎裂、脱落等普遍病害。而沥青混凝土桥面 铺装与正常路面和水泥混凝土桥面铺装相比，损坏形式又有所不同，主要有： 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，或者由于铺装层 与桥面板层间结合面粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位 移发生剪切破坏，产生推移、拥包等病害；因温度变化并伴随桥面板或梁结构 的大挠度而产生的裂隙，在车辆荷载及渗入的水的作用下产生面层松散和坑槽等 破坏。 大量的工程实践表明，桥面铺装结构的损坏，绝大部分源于粘结防水层的失 效与破坏。粘结防水层位于桥面板( 或是调平层混凝土板) 与桥面铺装层之间， 起到粘结及防水的作用。由此可见，粘结防水层应该起到两大主要作用；一是防 水，即防止水渗透到桥面板及以下，从而避免水对桥梁主体结构的侵蚀，尤其是 避免水对桥梁结构中钢筋的腐蚀。二是粘结作用，防水粘结层材料应该具有足够 的粘结强度，能够很好与桥面板和铺装层材料相粘结。使铺装层与桥面板紧密结 合，成为一个整体，协同受力，从而可以大大改善桥梁结构的受力，尤其是铺装 层的受力。一旦粘结防水层粘结强度不够发生损坏，铺装层与桥面板发生剥离， 在行车荷载的水平力作用下，桥面铺装很容易就发生推移、拥抱等破坏，时间一 长，遇到降水，即发生水损坏。因此，桥面铺装粘结防水层的作用至关重要，直 接影响到桥面铺装的使用寿命和服务质量。 虽然近年来，粘结防水层在我国水泥混凝土桥梁的柔性桥面铺装层中应用越 来越多，粘结防水层的作用也逐渐被研究工作者所重视，其各项设计指标及施工指 导也在逐步完善；但我国到目前为止还没有系统完整的规范，市场上的粘结防水 材料又种类繁多，且性能良莠不齐，各有其优劣性；而粘结防水层的设计、材料 的选择与施工又直接影响桥面铺装的使用寿命，甚至影响到桥梁结构的安全性、 耐久性。因此，对混凝土桥梁与铺装层之间的粘结防水层的设计研究日趋显得重 要和迫切。 1 2 研究粘结防水层的重要意义 位于水泥混凝土桥面板与沥青混合料铺装层之间的防水粘结层对于桥面铺装 的使用性能与寿命起着决定性的作用。这一关键层次除了应具有良好的防水功能 外，还应具有承上启下的粘结作用，尤应具有突出的温度稳定性和抗剪性能，以 便满足桥面铺装对材料的特殊要求，更好地适应桥面铺装夏季的“煎烤效应”，冬 季的“冰柜效应 ，荷载的“剪切效应”及水分造成的“浴缸效应 。 一方面，冻融破坏、钢筋腐蚀、碱集料反应、混凝土碳化等被视为桥梁水泥 混凝土主要的耐久性，水是造成这些破坏的最直接和最重要的原因之一。在施工和 使用程中，温度、湿度的变化会引起水泥混凝土桥面板的细微裂缝，而铺装层的 沥青混凝土3 6 左右的剩余空隙率，如果没有优良的防水粘结层，雨水就会从 沥青铺装层空隙、桥面板裂缝浸入水泥混凝土中间，降低水泥混凝土桥面的强度， 缩短桥梁结构的使用寿命。如何从根本上切断水的来源即做好桥面防水处理，是 保证混凝土桥梁免遭破坏、延长桥梁使用寿命、提高桥梁上部结构的耐久性的有 效措施，也是桥梁设计思想从强度设计向耐久性设计转变的重要内容。另一方面， 沥青混凝土面层与水泥混凝土桥面板的两种材料模量相距较大，沥青混凝土铺装 层与水泥混凝土桥面桥面板的粘结不好是导致铺装层损坏的最根本的原因。设置 防水粘结层的目的，除防水外更重要的是使沥青铺装层与水泥桥面板粘结成为一 个总体。防水粘结层破损、漏空、脱离，而水渗入防水粘结层与水泥混凝土板的 界面上，影响与桥面板的粘结强度，甚至成为滑动的界面状态，桥面铺装成为一 个单独受力的层次，就会出现很大的水平剪应力和底部的弯拉应力，桥面铺装就 必然导致迅速破坏。 鉴于目前国内外许多水泥混凝土桥梁都存在由于防水粘结层的原因而导致了 破坏，造成了极大的经济损失和不良的社会影响，因此在当前我国大跨径桥梁建 设事业飞速发展的背景下，针对桥面铺装防水粘结层的破坏类型，进行桥面铺装 防水粘结层的材料比选、试验研究和力学分析具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 国内外研究概况 桥面粘结防水体系的修筑是提高桥梁使用寿命的重要保证，将粘结防水层和 沥青铺装层的设计和施工作为公路桥梁建设的重要组成部分已得到越来越多的国 家重视。不同国家相继根据自己国家的特点对粘结防水体系进行了大量的研究与 实践，并取得了许多宝贵的研究成果。 1 3 1 国外研究概况 欧美自2 0 世纪7 0 年代以来，粘结防水层在桥面铺装中得到广泛应用。然而， 2 随着交通量的增加，桥面铺装产生了新的问题，如面层的早期破损、开裂、坑槽、 粘结防水层与面层及桥面粘结强度不足而产生推移破坏等病害，为此，欧美一些 国家相继对水泥混凝土桥面粘结防水层进行研究。美国各州新建桥梁和桥梁维修 使用的粘结防水层的情况见表1 1 。 表1 1美国各州在新建和维修中使用防水层的调查情况 新建( 年份)维修( 年份) 项目 19 7 419 7 71 9 8 51 9 9 4l9 7 7l9 8 91 9 9 4 使用防水层7 46 9 5 3 2 55 85 1 4 6 作为标准 4 03 84 64 7 试验性2 9151 24 没有反应4 24 84 54 84 84 74 8 注：表中数字代表使用防水层的桥梁工程比率。 19 7 2 年7 月经济合作与发展组织1 4 个国家联合就“混凝土桥面防水 发表了 一份研究报告，报告中总结了各个国家桥面防水的状况和采取的桥面防水方式， 主要就成员国大多采用的桥面防水膜进行了系统的研究，提出了一些检测防水料 的具体标准。 上世纪8 0 年代术9 0 年代初，英国的t r r l ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 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窖， 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，给出了防水层应 用的相关建议。 丹麦采用铺装形式为：在喷砂处理过的桥面上涂坏氧树脂作底涂层，铺设完全 粘结于桥面的改性沥青卷材，其上1 5 一- 2 0 m m 厚的开级配沥青混凝土作保护层，保 护层也起排除面层渗水的作用，4 0 m m 改性沥青混凝土为联结层，4 0 m m 沥青混凝 土或s m a 混合料为磨耗层。 德国采用的铺装形式与丹麦基本相同，但是设置了排气层，取消了保护层。 在法国要求所有桥梁均须设置防水层，并建议防水材料优先采用由高分子聚合物 制成的涂膜或卷材，底涂层一般采用改性合成橡胶乳液，保护层为2 2 c m 厚的沥青 碎石，面层厚度一般为7 1 0 c m 。 美国的c c a r r 和b n a l l e r g a 就水泥混凝土桥桥面防水层体系的特性、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 施工后会下降或不能达到防水目的。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。c c a r r 和 b n a l l e r g a 也创造性地提出了检验防水材料抵抗桥面裂缝试验方法，同时，对一 些常规试验方法进行了探讨。 1 9 9 5 年，美国n c h r p 对欧美各国的桥面防水体系进行调查，对防水体系的设 计和施工、防水材料的选择、室内试验和野外测试进行汇总，并再次论证设置桥 面防水体系的重要性。在此之前，o e c d 也曾于1 9 7 2 年做过类似工作。 至今，欧美等国仍在对混凝土桥面防水系统进行着深入和系统的研究，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；在1 9 9 8 年， 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；新英格兰的h u s t o nd r 于1 9 9 9 年对防水材料及检验等进 行深入研究；同年，瑞士的k o i c h i 和m a n f r e d 研究了不同参数对防水层与桥面混 凝土粘结力的影响，采用了一些新的性能试验用于判断防水薄膜与桥面混凝土粘 结力。在今后若干年，许多发达国家对于防粘结层的研究还在继续，而这一阶段 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。 1 3 2 国内研究概况 相比较而言，我国对水泥混凝土桥面防水的研究起步较晚，最早是在2 0 世纪 8 0 年代初开始逐渐认识到钢筋腐蚀的严重性和桥面粘结防水的重要性，开始陆续 在北京、天津等地铺设柔性粘结防水层。各地区均没有完善的桥面粘结防水设计、 施工、检测规范和标准，尤其在材料的选择上缺乏科学性。 这造成目前桥面防水系统的材料和施工工艺主要照搬屋面防水工程，尚未形 成一套适用于评价和选用桥面防水材料的性能指标和试验手段，导致桥面防水材 料市场十分混乱，质量参差不齐，同时已设置防水层的桥面铺装也产生了不少问 题，如防水层与面层和桥面粘结强度不足而产生早期破坏、防水材料本身质量不 过关以致起不到防水作用等。 新颁布的公路沥青路面设计舰范( j t j 0 4 1 9 7 ) 增加了水泥混凝土桥面铺 装的内容，而此前颁布的“部标”公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 和 “国标沥青路面施工和验收规范( g b 5 0 0 9 2 - - 9 6 ) 也都对水泥混凝土桥的沥青 铺装做了相应的规定。但从这些规范中我们不难看出，对沥青铺装结构的论述主 要对所有材料、做法及厚度做了指导性的说明，而具体如何设计，则没有说明。 由此可见，现行规范中桥面铺装的设计还是空白，铺装崖的设计无章可循，在实 际设计中，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，按规范的规定采用一定的材 料和厚度，而不进行计算。 根据经验，我国规定：大中型水泥混凝土桥桥面铺装的沥青铺装层，应满 足与混凝土桥面的粘结、防止渗水、抗滑及有较高抵抗振动变形能力等要求。小 桥涵桥面沥青面层的各项要求与其相接路段的车行道面层相同。对不设防水层的 小跨径矫梁，直接在桥面板上铺筑5 8 c m 的普通混凝土或沥青混凝上( 单层或双 4 层) 。混凝土标号与桥而板混凝土标号相同或提高一级，铺装时应注意密实、充分 振捣，表面应保持一定粗糙度。沥青混凝土铺装层可采用单层式即一次铺装( 厚5 8a m ) ，或双层式即两次铺装( 地层4 5 c m 面层3 4c m ) 。需要防水的桥梁，修 筑时在桥面板上铺筑8 1 0c m 的防水混凝土作为铺装层，其标号应不低于的桥梁， 修筑时在桥面板上铺筑8 l o a m 的防水混凝土作为铺装层，其标号应不低于桥面 混凝土标号。同时，为提高耐久性，可在其上再铺设2 a m 厚的沥青表面处治层作 为磨耗层。具有防水层的水泥混凝土或沥青混凝土铺装层适用于防水程度要求高， 或桥面板位于结构受拉区而可能出现裂缝的桥梁。施工时，先在桥面板上铺筑“三 油两毡 的防水层，然后再在防水层上铺筑厚4 c m 、标号不低于c 2 0 号的密集料混 凝土保护层，然后再在其上修筑沥青混凝土或水泥混凝土铺装层。 1 9 9 9 年3 月底，交通部公路司在京主持召开了“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；2 0 0 0 年，由交通部公路司立项长安大学主持研究的“水泥混凝土桥面防水 系统设计与施工技术 项目开始进行，这表明桥面防水已开始在我国引起重视。目 前，包括河南、安徽、福建、云南、江苏等许多省市已开始或大量使用防水层。 我国高等级公路桥梁建设同益发展，从国内外研究对比中可以看出我国进行 此项研究的必要性和紧迫性。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究的目的 我国对桥面防水粘结的研究和实验才刚刚起步，在桥面粘结防水设计、施工、 检测等方面均不够完善，尤其在粘结防水材料的选择上主要依靠工程师的经验作 出判断，缺乏科学性。这造成桥面粘结防水材料和施工工艺主要参照房屋建筑粘 结防水工程，尚未建立一套适用的性能指标和实验手段，导致桥面粘结防水材料 市场十分混乱，质量参差不齐，同时已设置防水层的桥面铺装也出现了不少问题。 随着我国高等级公路建设日益发展，从国内外研究对比中可以看出，我国进行此 项研究必要而且紧迫。 综合国内外现状不难看出，现行规范对于水泥混凝土桥粘结防水层的材料选 择及各性能、层面组合设计以及施工控制，还没有明确的规定，都只是对某些大 体方向有些指导性的说明；而市面上防水粘结材料又种类繁多，且性能良莠不齐， 各有其优劣性，使桥梁建筑者对于防水粘结材料无从判断，因此也就无法为桥面 铺装选择出适合粘结材料，对于铺装层质量也就无从保证了。 鉴于防水粘结层之重要和现状之窘迫，因此十分有必要为粘结防水材料确定 套行之有效的试验方法和数值分析方法。本文以清连一级公路阳山段杜步3 号 5 大桥桥面铺装项目为依托，以桥面铺装所采用的粘结防水材料为研究对象，对其 材料必选，各性能的试验方法以及整个桥面铺装的数值分析方法，和现场施工质 量控制及施工工艺进行全面的讲解和研究。为今后类似的桥面铺装工程及防水粘 结层设计提供依据。 1 4 2 研究的主要内容 本文结合清连路杜步3 号大桥桥面铺装的工程实际，以高粘改性沥青为研究 对象，对整个桥面铺装体系进行力学分析和对粘结防水材料进行试验研究，得出 控制指标，以此指导粘结防水材料的选取和粘结防水层的设计与施工，并提出该 粘结层材料在施工中可行性分析报告和需要注意的技术问题，本文主要研究内容 包括： ( 1 ) 总结国内外关于水泥混凝土桥粘结防水层的研究概况( 第一章) 。 ( 2 ) 根据水泥混凝土桥面铺装常见破坏类型，指出粘结防水层在防治桥面病 害时所起的直接作用。以粘结防水层的粘结强度构成机理入手，从而提出影响粘 结防水层使用性能的两个方向的因素，并对这两种影响因素进行分析研究( 第二 章) 。 材料因素和界面因素，是影响防水粘结层使用性能的两大重要因素。材料因 素包括材料的选择、材料的用量、材料的物理特性；而界面因素又包括界面的处 理方法、界面的湿润状况等。 ( 3 ) 水泥混凝土桥面铺装体系力学特性分析( 第三章) 。 结合清连路杜步3 号桥工程实际，利用有限元大型通用软件对桥面铺装体系 进行数值模拟力学分析。得到沥青铺装体系最大拉应力和最大剪应力，并以此作 为粘结层材料和施工工艺选择的控制性指标。并通过对粘结层不同模量和厚度条 件下进行比较分析，总结了铺装体系内各部应力分布变化规律。 ( 4 ) 粘结防水材料基本性能研究( 第四章) 。 选取六种沥青改性类粘结防水材料进行室内对比试验，试验包括高温稳定性、 低温柔韧性、粘结强度检测、耐酸碱性和不透水性等几种基本性能试验。随后对 试验结果进行分析，以比较各粘结防水材料的基本性能的优劣性。 ( 5 ) 粘结体系界面结合稳定性试验研究( 第五章) 对杜步3 号大桥所使用的高粘沥青粘结防水材料进行室内直剪、室内斜剪( 剪 切角度为4 5 。) 和室内拉拔试验。室内直剪试验采用由长沙理工大学自制的直剪仪 对粘结材料进行试验，试验所采用正压力为零，而直接由水平应力进行剪切，用 来模拟桥面粘结层在完全水平推力的抗剪极限强度；室内斜剪试验顾名思义是对 试验试件的斜向剪切( 剪切角度为4 5 。) ，剪切应力只由垂直压力提供，而在剪切面 上产生主应力和剪切应力，达到对试件在粘结层面进行剪切破坏的目的。室内拉 6 拔试验是对粘结材料进行直接拉拔，而获得粘结材料的极限粘结强度；并将上述 试验结果与数值计算结果进行比较。 ( 6 ) 桥面铺装防水粘结层施工质量控制技术( 第六章) 。 着重考虑高粘沥青的液化升温和洒布，预拌碎石的预热和撒布等环节，主要 从施工机具的准备、组合，施工过程控制，施工质量检验等方面进行研究，解决 施工中可能出现的问题，使粘结层达到质量要求。 ( 7 ) 结论与展望( 第七章) 。 对本文所做工作进行归纳总结，并对下一步研工作进行展望。 1 4 3 研究的技术路线 本文技术路线如图1 1 所示： 图1 1 技术路线图 7 第二章粘结材料粘结机理及影响因素 粘结防水层是混凝土桥面铺装的重要组成部分，尽管粘结防水层比较薄，但 对于整个铺装结构体系意义重大。一方面为混凝土桥面板提供一个水汽无法渗透 的保护屏罩，另一方面将沥青铺装层与混凝土桥面板粘结成一个整体，共同承受 车辆荷载的垂直力和水平力的组合作用。此外，当桥面板在温度变化或行车荷载 作用下发生水平变形时，粘结防水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。但如果粘结防水层的粘结能力和抗剪能力不足，就会 使得混凝土桥面板与沥青铺装层之间发生“两张皮 现象，使桥面铺装层出现诸 如鼓包、脱层与推移等破坏。因此，有必要对粘结防水层的粘结机理和粘结能力 影响因素进行深入研究。 2 1 粘结机理分析 粘结防水材料最主要的使用性质是粘结性，讨论粘结性最主要的方法是确实 材料的粘结形成过程和粘结强度来源。本文便是通过对粘结防水材料对桥面板表 面的浸润过程以及浸润后两者之间的粘结理论，来分析粘层材料的粘结机理。 2 1 1 材料对桥面板表面的浸润 柔性粘结防水材料在施工高温情况下，通常液化为具有一定流变特性的牛顿 液体。因此分析粘结防水材料与桥面板的接触情况，即相当于分析一种液体与一 种固体的接触情况。当一滴液体与固体表面接触后，接触面自动增大的过程，即 所谓的浸润，它是液体与固体表面接触时发生的分子间相互作用的现象。 液体的浸润主要是由表面张力所引起的，液体和固体都有表面张力，对液体 称为表面张力，而固体则称为表面能，常以符号y 表示，如图2 3 所示，图中y 。 为液体的表面张力，y 。为固体的表面能，y 。为固体和液体之间的界面张力，0 为 接触角。接触角0 是通过固一液一气三相交点所作液滴曲面切线与液滴接触固体 平面的夹角。由图2 1 可见固体的表面能力图使液滴铺展开，而液体的表面张 力则使液滴收缩，液体对固体表面浸润性与固体的表面能和液体的表面张力有着 直接关系。 一般无机物的表面能较高，液滴很容易在上面展开。但各种液体材料的浸润 速度会有不同。浸润速度受粘度影响很大，低粘度的材料几秒钟内就能充分浸润 固体的表面，高粘度的材料往往需要几分钟甚至几小时。液体材料对被粘固体的 浸润有些情况下在固化前就完成了，有些情况下在固化过程中进行。液体材料的 粘度随着固化程度增加而不断增大，如果在完全浸润前就失去流动性，那么必然 8 会影响粘结强度。夏天气温较高，液体材料的粘度较低，有利于浸润，而冬天则 相反。 7 t 7 固相 图2 1材料对桥面板的浸润 2 1 2 粘结理论 液体材料对被粘结物的浸润只是粘结的前提，它们之间必须形成粘结力，二 者才能牢固地结合在一起，那么粘结力是怎么形成的呢? 人们对粘结机理已经进 行了相当的研究，提出了不少理论来解释粘结本质，目前有如下几种比较公认的 理论。 ( 1 ) 机械结合理论 机械结合理论是最早提出的粘结理论。任何物体表面即使宏观上用肉眼看起 来十分光滑，但放大看还是十分粗糙，遍布沟痕，有些表面还是多孔性的，液体 材料渗透到这些凹凸不平的沟痕或者孔隙中，固化后在界面区产生了啮合力。 ( 2 ) 吸附理论 吸附理论认为粘结是类似吸附现象的表面过程，液体材料中有机大分子通 过链段与分子链的运动逐渐向被粘物表面迁移，极性基团靠近，当距离小于5a 时， 能够相互吸引，产生分子间力，也就是所谓的范德华力和氢键形成粘结。 ( 3 ) 扩散理论 扩散理论认为分子或链段的热运动( 微布朗运动) 产生了两种物体之间的互相 扩散，从而使个物体的分子跑到另一个物体的表层里，另一个物体的分子也跑到 这个物体的表层里，中司的界面逐渐消失，相互“交织 而牢固地结合。 ( 4 ) 化学键理论 化学键理论认为两种物体表面产生化学反应而在界面上形成化学键结合，将 两者牢固地联接起来。因为化学键比分子间力要大1 2 个数量级，所以能获得高 强度地牢固粘结。化学键力包括离子键、共价键力，配位键力等。 ( 5 ) 静电理论 静电理论认为粘结物与被粘物之间存在双电层，由于静电的相互吸引而产生 9 粘附力。 上述是产生粘附力的五种理论，但至今尚无统一的说法。在各种产生粘结力 的因素中只有分子问作用力普遍存在于所有粘结体系中，其它作用仅在特殊情况 下才为粘结力的来源。至于防水层与水泥混凝土和沥青混凝土面层粘结力形成中， 各种因素的贡献并不相同。这两种界面上表现最为明显的可用机械结合理论和吸 附理论来解释。 在提高防水粘结层粘结能力，增加层间稳定性能研究方面，主要从以下两个 方面入手，一方面从材料选择方面入手，材料使用性能的优劣程度是决定粘结层 各项指标好坏的关键；俗话说“有什么样的米煮什么样的饭”，没有好的材料无法 修建好的防水层。因此可以通过选择粘结强度优良，抗剪能力、抗拉强度等性能 优良的粘层材料，来提高防水粘结层的粘附能力。另一方面从界面处理方法入手， 当粘层材料铺装于桥面板上时，干燥清洁的桥面板能够与粘层材料充分的接触， 同时沿着桥面横向布置的粗糙纹理能极大的加强防水粘结层与桥面板的粘结，从 而防止两者之间的滑动，有效的抑制了防水层的破裂；这些均需要严谨、优良的 界面处理而得到。 2 2 粘结防水层的材料影响分析 好的材料是防水粘结层产生良好粘结性能的关键，即选择一种抗剪性能、粘 结性能以及防水性能优良的防水粘结材料，以此来提高整个防水粘结层面的使用 性能。 2 2 1 材料的种类 做好水泥混凝土桥防水粘结处理是保证混凝土桥工程免遭破坏，延长使用寿 命的必要措施，要做好混凝土桥防水粘结处理，重要的一条就是要选用符合混凝 土桥要求的防水粘结材料。根据大量的调查研究表明，现国内外柔性防水粘结材 料主要有以下几个分类方法。 从柔性防水粘结材料的材质来看，主要有以下几类：薄膜类，如再生橡胶沥 青、乳化沥青等；涂膜类，如氯丁胶乳沥青、橡胶沥青、环氧树脂等；卷材 类，如聚合物沥青防水卷材、沥青热熔卷材、砂胶马蹄脂等，其厚度要较前两类 厚。 也可将薄膜类和涂膜类统称为涂膜类的，定义为由一组分或两组分经水分或 有机化学溶液处治形成，使用时涂到桥面上，固化后形成具有相当厚度的防水膜。 有时在涂层之间铺有胎体增强材料来提高其抗拉强度，常见的胎体增强材料有各 种有机织物和玻璃纤维等，目前使用最多的是无纺聚醋毡。按涂膜的液态类型， 可分为溶剂型、水乳型和反应型三类；按成膜物质的主要成分又可分为三类：沥青 1 0 类、高聚物改性沥青类和合成高分子类( 包括合成树脂类和橡胶类) 。卷材类防水 粘结材料是指由工厂预制生产成型的材料，使用时被粘到桥面板上形成连续的防 水膜。具体又可分为沥青防水材料、改性沥青防水材料和高分子防水材料。 就防水粘结材料的施工角度而言，主要可分为热熔型材料、溶剂型材料和热 固性材料三种。热熔型材料由沥青掺加树脂( 如松香) 和各种聚合物( 如e v a 、p e ) 等 组成。这种材料具有一定的变形能力，能够适应在交通荷载下由于局部变形而引 起的拉应力的反复作用，也具有良好的防水封闭作用。其最大的缺点是在高温下 容易变软，粘结力下降，在剪切荷载作用下，桥面铺装容易在这一层产生推移， 因此，要求粘结层材料在铺装高温范围以内较硬，具有足够的抗剪切能力，选用 时应注意提高其软化点指标，并且用量要适当。溶剂型粘结材料一般多指乳化沥 青和可溶性的橡胶沥青。这种材料同样具有高温软化的缺点，此外，其内部含有 的热敏性物质在接触沥青铺装层摊铺高温时可能会释放出气体，从而使铺装层产 生气泡。热固性粘结材料主要指环氧沥青，它通过往沥青中掺入一定比例的环氧 树脂及固化剂与催化剂后在加热条件下发生复杂物理化学反应而得到。同前面两 类材料相比，这种材料在粘结性能、热稳定性方面具有优势。 很多材料广泛地适用于房建防水和其它需防水的建筑物，但大多数并不能用 于桥面。桥面的受力情况要比屋面复杂苛刻得多。用于桥面的防水粘结材料应具 备抵抗面层摊铺和碾压设备破坏的能力，具有抵抗热沥青混合料的高温作用和经 受行车荷载考验的能力，并能在此条件下与桥面板和铺装面层粘结良好，保证水 分无法渗透到桥面板。 2 2 2 材料选择要点 由本文2 1 可以看出，现今实际工程所采用的防水粘结材料，种类繁多且性能 各异，各有其优越性。因此在选择材料方面，必须具备一定的选择要点，而使所 选材料能够符合混凝土桥防水粘结层的特殊功能要求。防水粘结材料选择要点如 下： ( 1 ) 不透水：作为防水粘结材料，在桥面所可能遇到的各种情况下都应该是 不透水的，包括面层、主梁、防水粘结层上的接缝处以及交通荷载促使面层结构 内孔隙水造成高压的瞬间。 ( 2 ) 力学性能稳定：防水粘结层粘结沥青混凝土面层( 作用交通荷载) 和桥梁 结构，因此，防水粘结材料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。在桥面可能遇到的所有温度状况下保证力学性能稳定，不 致由于设置防水粘结层而导致面层早期破坏。 ( 3 ) 抵抗桥面裂缝处的破坏：当涂膜等喷涂在桥面板时，必须能抵抗混凝土 裂缝造成的破坏。虽然在桥梁设计时，就通过配筋设计或设置预应力筋来确保桥 面不出现裂缝或将裂缝控制在一定的容许范围内，并进行裂缝宽度验算，但仍有 必要要求防水粘结材料具有抵抗裂缝破坏的能力。其中，交通荷载、温缩效应和 桥面负弯矩( 连续梁结构或悬臂梁结构) 造成的裂缝是主要的。当这三种方式叠加 时，出现裂缝的凡率也会大大增加。 ( 4 ) 耐久性良好：柔性防水粘结材料多为有机材料或高分子改性沥青，而有 机物最大的缺点是容易老化。在热、光、风雨、微生物、氧等各种因素综合作用 下，材料会发生以过氧基为中间体的链式反应( 自动氧化过程) 。不少研究表明， 这种自动氧化反应在常温下进行缓慢，而当加热时，由于在热分解的同时还发生 热氧化反应，会使反应加速。老化后，材料会丧失原先的一些优良险能，弹性、 韧性、强度都会逐渐退化。如果耐老化性能过差，还会降低与与其它层次的粘结 力，导致面层早期破坏。 ( 5 ) 具有良好的适应协调性：防水粘结层位于桥面板混凝土与面层沥青混合 料之间，因此，它与上下层间的协调配合性能就显得尤为重要，不仅表现在力学 性能方面，而且表现为物理、化学性质的协调上。防水粘结材料应能适应桥面的 各种变化，如不平整、粗糙、灰尘、有一定的潮湿等。当沥青混合料施工时防水 粘结材料在这种高温碾压的骨料作用下，仍应具有上述各项优良险能。 ( 6 ) 便于施工操作：野外现场施工，须将很薄的防水粘结材料应用到大面积 的桥面上，此时，施工简单、方便、自动化程度高，劳动强度低的材料就具有相 当大的竞争优势：另外，材料应能适应较宽范围的施工温度，不太复杂的施工工艺， 便于一般技术人员操作，施工时应尽可能少的出现气泡、针孔、龟裂等病害。同 时材料应无污染，在正常的机械设备作用下不应破坏。 2 3 粘结防水层的桥面板界面影响分析 良好的界面是形成高效粘结防水层，防止两个层面脱层和滑移的重要因素。 如果界面处理不当，再好的粘结材料其作用也发挥不出来。对于桥面界面处理可 分为桥面清洁处理( 即桥面清理) 和桥面板表面粗糙处理，两者相辅相成，缺一 不可，共同为粘结防水层制造一个优良的粘结界面。 2 3 1 桥面板清理 粉尘、浮浆、油污等桥面残留杂物，对于粘结防水层的粘结效果产生重大影 响。杂物的存在阻止了材料对桥面板的完整粘结，而使层面粘结强度不均，当荷 载存在时，层面粘结薄弱区将出现应力集中现象，势必对粘结防水层使用性能造 成重大影响。因此，必须对桥面板进行严格的清理，防止残留杂物的存在。 清理桥面，必须采用桥面专用清理机并按照一定的规程进行操作。首先对桥 1 2 面进行检查，凡不符合要求和存在残留杂物的部位进行记录标记；随后按照下表 2 1 所列，对其逐一进行处理；待处理完毕后用强力吹风机，高压水枪冲刷等将桥 面处理干净，保证桥面板平整、清洁干净。 表2 1残留瑕疵分类清理方法 瑕疵处理方法 浮浆、松散、剥落 喷砂法；刚刷清除 油污 苏打水分解清除；氧炔焰枪烧烤 粉尘、石屑、沙粒 高压吹风机吹；棕刷扫除；高压水枪清洗 凸起打磨机研磨；凿石锤整平 凹陷先清除杂物，再用水泥浆填平 2 3 2 桥面板表面粗糙处理 粘结层抗剪强度不足是混凝土桥面沥青铺装在温度和荷载作用下，出现诸如 鼓包、脱层和推移等破坏最常见的影响因素。根据研究乜8 。，影响桥面铺装层间抗 剪能力的因素