（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥面沥青铺装层防水性能研究.pdf

s t u d y o n a s p h a l t c o n c r e t ep a v e m e n t sw a t e r p r o o f n e s s o fc o n c r e t e b r i d g e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gh o n g w e i s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gn a n x i a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：瓢层啼 论文知识产权权属声明 年月 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 欤完唧 年月日 年月日 摘要 桥面铺装层作为桥梁行车体系的重要组成部分，能够缓和行车对桥面板的冲击以及 满足行车平稳、舒适的要求。本文以安康至陕川界高速公路项目为依托，针对目前水泥 混凝土桥面沥青铺装层存在的问题，通过调查分析与室内试验相结合的方法，对桥面铺 装结构体系进行了系统的研究。 首先，本文广泛收集国内外桥面铺装的有关资料，通过对桥面铺装现有研究成果的 分析和总结，制定了桥面铺装的研究内容、方法以及技术路线。 其次，通过对桥面铺装使用状况和损坏型式的调查，分析了桥面铺装产生早期损坏 的类型及其损坏原因，并对相应的铺装层设计指标进行了分析。 第三，本文首先对桥面铺装的排水系统设计进行了简单的分析和研究；并针对桥面 铺装的防水粘结性能，通过室内试验，分别对渗透结晶型防水剂、涂膜类防水粘结材料 以及界面处理型式进行了系统的研究。通过对其路用性能的比较，选择出性能优良的防 水粘结材料及界面处理型式。 第四，对于桥面沥青铺装层，进行了不同类型混合料的配合比设计，并确定了各种 级配的最佳油石比。通过常规车辙试验、汉堡车辙试验以及抗剪试验，重点研究了沥青 混合料的高温性能；采用复合板车辙和复合梁疲劳试验，真实地模拟桥面铺装层的实际 受力状况，评价各种铺装结构组合的高温性能及抗疲劳破坏能力，为桥面铺装选择合理 的铺装材料与结构组合型式提供科学的理论依据。 最后，本文对桥面防水粘结层和沥青混凝土铺装层的施工要点及注意事项进行了阐 述和分析，为保证桥面铺装的施工质量提供技术指导。 关键词：桥面铺装，渗透结晶型防水剂，防水粘结层，剪切试验，拉拔试验，界面 型式，复合梁疲劳试验，施工工艺 a b s t r a c t d e c kp a v e m e n ta sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eb r i d g es y s t e m ，c a ne a s et h ei m p a c to ft r a f f i c s o nt h eb r i d g ed e c ka n dm e e tt h ec o m f o r t a b l et r a v e l l i n g t h ep a p e ra d d r e s s e st h ec o n c r e t e b r i d g ed e c kp a v e m e n tp r o b l e m s ，w h i c hg e tt h r o u g hi n v e s t i g a t i o n s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s c o m b i n e dw i t hl a b o r a t o r yt e s t s ；a n dd o e sas y s t e m a t i cs t u d yf o rt h eb r i d g ed e c ko nh i g h w a y p r o j e c t si na n k a n g ，s h a a n x i f i r s to fa l l ，t h ep a p e rb a s e do ne x t e n s i v ec o l l e c t i o no ft h ed o m e s t i ca n dt h ef o r e i g n r e s e a r c hd a t a , w o r k so u tt h ec o n t e n t s ，m e t h o d sa n dt e c h n i c a lr o u t e so ft h eb r i d g ed e c k s e c o n d l y , t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ed a m a g e df o r m so f t h eb r i d g ed e c k ，a n a l y s i st h et y p e s a n dt h ec a u s e so ft h ee a r l yp a v e m e n td a m a g e ，a n dt h ed e s i g ni n d i c a t o r so fp a v e m e n t t h i r d ，t h ep a p e re x p l m n st h ed e s i g no fb r i d g ed e c kd r a i n a g es y s t e m ；f o rt h ew a t e r p r o o f a d h e s i v ep r o p e r t i e s ，i td o e sas y s t e m a t i cs t u d y , r e s p e c t i v e l y , a b o u tc c c w , w a t e r p r o o f a d h e s i v em a t e r i a l sa n di n t e r f a c et y p e s t h e nt h r o u g hc o n t r a s t i n gi t sr o a dp e r f o r m a n c e ，a n d c h o o s et h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fw a t e r p r o o fa d h e s i v em a t e r i a la n di n t e r f a c et y p e f o u r t h ，f o rt h ea s p h a l tp a v e m e n t ，t h ep a p e rd o e st h em i x t u r er a t i od e s i g n , a n dd e t e r m i n e s t h e b e s ta g g r e g a t er a t i o b yc o n v e n t i o n a lr u t ，h a m b u r gr u ta n ds h e a rt e s t ，f o c u s e so n h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e b yt h ec o m p o s i t ep a n e lr u ta n dt h ec o m p o s i t eb e a mf a t i g u e t e s t , e v a l u a t et h ea n t i - f a t i g u ef a i l u r eo v e r a l lp a v e m e n ts t r u c t u r e ，t op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o rc h o o s i n gp a v i n gm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r ec o m b i n a t i o no ft h eb r i d g ed e c kp a v e m e n t f i n a l l y , t h ep a p e re l a b o r a t e sa n de x p l a i n st h ew a t e r p r o o f i n ga d h e s i v el a y e ra n dt h e a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o np o i n t so nt h eb r i d g ed e c k ，i no r d e rt op r o v i d e t e c h n i c a lg u i d a n c ef o re n s u r i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fp a v e m e n t k e yw o r d s ：d e c kp a v e m e n t ，c c c w , w a t e r - p r o o fb i n d e rc o a t ，s h e a rt e s t ，p u l l o f f t e s t ，i n t e r f a c i a lt r e a t m e n t ，c o m p o u n db e a mf a t i g u et e s t ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义l 1 2 国内外研究综述2 1 2 1 桥面防水粘结层研究综述。2 1 2 2 桥面铺装结构研究综述3 1 2 3 目前存在的主要问题4 1 3 课题研究的主要内容及技术路线4 1 3 1 主要研究内容4 1 3 2 技术路线5 第二章桥面铺装损坏原因与设计指标分析6 2 1 桥面铺装损坏类型及原因分析6 2 1 1 常见损坏类型6 2 1 2 损坏原因分析7 2 2 桥面铺装设计指标分析9 2 2 1 车辙指标9 2 2 2 推移和拥抱9 亭 2 2 3 防水粘结层剪切破坏9 2 2 4 疲劳开裂1 0 2 3 本章小结1 0 第三章桥面铺装防水粘结性能研究1 1 3 1 桥面排水系统设计1 1 3 1 1 泄水管的布置1 1 3 1 2 碎石盲沟的设置1 3 3 1 3 桥梁伸缩缝的设置1 3 3 2 桥面防水混凝土材料试验。1 4 3 2 1 混凝土结构渗漏的原因1 4 3 2 2 抗渗性能试验1 5 3 2 3 防水机理探讨18 3 2 4 抗压强度试验1 9 3 3 桥面柔性防水粘结材料试验2 0 3 3 1 防水粘结材料的性能要求2 0 3 3 2 防水粘结材料的选择2 0 3 3 3 防水粘结层试验方法2 3 3 3 4 剪切试验2 4 3 3 5 拉拔试验3 0 3 3 6 渗水性能试验3 3 3 4 本章小结3 5 第四章桥面铺装层间界面型式研究3 7 4 1 正压力对层间界面抗剪强度的影响3 8 4 2 温度对层间界面抗剪强度的影响3 9 4 3 界面型式对层间粘结强度的影响4 0 4 4 防水粘结层层间破坏特征分析4 1 4 5 本章小结4 2 第五章桥面沥青铺装结构组合研究4 3 5 1 桥面铺装结构组合的拟定4 3 5 1 1 沥青铺装层的性能要求4 3 5 1 2 结构组合方案的拟定4 3 5 2 沥青混合料级配组成设计4 3 5 2 1 原材料技术性能4 3 5 2 2 沥青混合料级配的选择4 5 5 3 沥青混合料高温性能研究4 7 5 3 1 沥青混合料车辙试验4 8 5 3 2 沥青混合料抗剪试验5 2 5 3 3 抗剪强度和动稳定度的关系：5 5 5 4 桥面铺装层结构组合研究5 6 5 4 1 复合车辙试验5 6 5 4 2 疲劳试验 5 5 本章小结 第六章桥面铺装层施工工艺研究 6 1 防水粘结层施工工艺研究。 6 1 1 防水粘结层施工准备 6 1 2 防水粘结层的施工及注意事项 6 2 沥青混凝土铺装层施工工艺研究 6 2 1 沥青混凝土铺装施工准备 6 2 2 沥青混凝土摊铺施工工艺 6 2 3 沥青混凝土压实施工工艺 6 3 本章小结。 结论与展望。 主要研究结论。 进一步研究的建议 参考文献 致谢 长安大学硕上学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论弟一早珀。t 匕 随着我国交通事业的飞速发展，桥梁工程成为国家基础设施建设的重要一环。桥面 铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，是公路路面满足其功能要求在桥梁上的延伸。 桥面铺装应具有与桥垮结构粘结良好、传递荷载、抵抗荷载冲击，又要具有防水及抵抗 疲劳的能力；其主要功能是分散荷载，参与桥面板共同受力，防止车轮直接磨损行车道 板，起到保护桥面板的作用。因此，桥面铺装层必须具有足够的强度和良好的整体性， 并且具有足够的抗冲击、抗裂、耐磨等性能。 桥面铺装质量的好坏直接关系到行车的舒适性、安全性、桥梁的耐久性及投资效益。 随着桥梁的大量修建，桥面铺装早期破坏、维修困难和维修费用高等问题随之暴露。统 计资料显示，我国许多桥梁的桥面铺装层在设计使用期限内就出现了不同类型的破坏， 甚至部分在铺装后很短时间内就出现了严重的破损、开裂、坑槽、拥包、滑移等病害； 桥面铺装发生损坏后，桥梁主体结构受到外界水分的侵蚀，使得许多桥梁在未达到设计 寿命时，就出现了结构强度下降、钢筋锈蚀、混凝土松散等病害现象，使桥梁的安全性 和稳定性受到影响，不仅对乘客的安全造成威胁，也使桥梁的运营效益有所下降；而且 这种破坏一旦发生，往往难于修复，导致国家每年投入巨额维修费用。 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在 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【1 2 】。本课题研究所依托的安康至陕川界高速 公路是国家高速公路包( 头) 茂( 名) 线的重要组成路段，也是陕西省“三纵四横五辐 射”高速公路网的主骨架。该项目的建设对完善国家高速公路网、实施西部大开发战略、 加强陕川两省经济联系、改善区域交通运输条件、促进实现陕南突破性发展以及“将西 安建设成为全国综合性运输主枢纽 的规划具有十分重要的意义。 安康至陕川界高速公路位于秦岭以南的大巴山腹地，沿线山大沟深、沟壑纵横、降 雨频繁、气候湿热，滑坡、崩塌、泥石流等不良地质灾害频繁，多数路段为悬崖峭壁， 施工场地狭小，便道修建、维护极其困难。安川高速公路路线所经区域大部分在秦岭和 巴山之间，是典型的湿热山岭重丘区高速公路；其降水丰富，交通量大，桥梁所占比例 较大，全线桥隧比高达7 7 8 ，随之因桥面沥青混凝土铺装层出现破损、开裂、坑槽、 第一章绪论 拥包、滑移及渗水等所造成的桥面铺装损坏影响更大，这就迫切需要对混凝土桥面进行 加铺设计及防水性能研究以保证桥面铺装的质量。 本课题就是针对目前水泥混凝土桥面沥青铺装层存在的问题，通过室内路用性能试 验，研究水泥混凝土桥面层间防水粘结改善技术，进而增加桥面板与沥青铺装层间的抗 剪性能及层间稳定性，提高水泥混凝土桥面沥青铺装层的使用寿命。因此，开展本课题 的研究不仅可以补充和发展相关领域的技术内容，而且可以为类似地区桥面铺装及防水 粘结层的设计和施工提供技术指南，从而显著减少由于桥面沥青铺装损坏所带来的巨大 经济损失和不良社会影响。因此，本课题具有良好的社会意义和经济价值，同时在技术 上也具有较高的研究价值。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 桥面防水粘结层研究综述 ( 1 ) 国外研究现状 美国是较早开始桥面防水研究的国家之一，1 9 7 6 年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，提出性能筛选试验、路用性能试验等。1 9 9 5 年n c h r p 发表的一份桥面防水报告中指出：美国最早是在六十年代认识到桥面损坏的 严重性。研究认为水分和防冻盐是桥面混凝土冻融破坏和钢筋腐蚀的罪魁祸首，就促使 提高和改进桥梁工程中水泥混凝土的质量，增加钢筋混凝土中钢筋的保护层厚度，甚至 要求对混凝土桥面板采取其它专门的保护措施。 英国的t r r l 针对层间粘结力差、防水层施工后的渗漏及高低温性能不足等问题， 对英国所有通过质量认证的防水粘结材料进行了系统的测试和研究。到七十年代中后 期，德国、法国、丹麦等大多数欧洲国家均制定了桥面防水材料的选择标准和防水系统 的设计施工规范。至今，美欧等国仍然对混凝土桥面防水系统进行着深入而系统的研究； 日本在桥面防水系统方面也做了许多研究，规定在防水层与桥面板之间要涂刷粘结材 料，并提出了相应的质量标准。 世界各国均十分重视桥面防水层，但侧重点有所不同。总的来说，国外对水泥混凝 土桥面沥青铺装防水粘结层的研究只是局限于防水粘结材料的筛选以及室外现场试验 的应用研究，理论分析涉及甚少。 ( 2 ) 国内研究现状 我国在桥面防水领域进行的研究相对较晚，桥面因渗水而引起的损害在上世纪8 0 2 长安大学硕上学位论文 年代中期开始重视起来，桥梁结构防水技术研究日益提到议事日程上来。北京、天津等 地陆续开始铺设柔性防水粘结层，当时并未对此进行系统的研究，只是参照防水粘结材 料产品的说明简单执行。 北京、上海等城市自2 0 世纪9 0 年代初对城市桥梁结构防水技术进行了专题研究， 分别为首都机场高速和上海南浦大桥的设计和施工提供了科学依据。2 0 0 0 年3 月，长安 大学公路学院在郑州市1 0 7 国道跨机场高速公路高架桥工程中，对北京禹王专用防水剂 等4 种国内外防水材料进行了桥面防水实验，为水泥混凝土桥面防水粘结系统的工程设 计、施工提供了一定的依据。在取得成绩的同时，我国的桥面防水也存在诸多不足，许 多方面有待进一步完善和提高【3 4 5 1 。 总之，我国己经明确桥面沥青铺装层必须由防水粘结层和面层组成，但对桥面防水 粘结的研究工作才刚起步。我国现行的设计规范，对桥面沥青铺装及防水粘结层设计只 是轻描淡写地给予了指导性说明，没有具体的设计理论与方法。 1 2 2 桥面铺装结构研究综述 ( 1 ) 国外研究现状 世界上进行桥面铺装研究较早的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也开展 了相关的研究，法国和日本还制定了相应的技术规范。但是，相关国家对桥面铺装层的 设计主要是基于铺装材料性能试验之上的经验设计法。欧美等国经过几十年的探索与实 践，结合本国的实际情况，在水泥混凝土桥面铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同， 大多采用沥青混凝土铺装层，包括防水层和沥青混凝土面层。 在欧美各国，水泥混凝土桥面沥青铺装大多采用“防水层+ 面层的双层式结构， 或“防水层+ 铺装下层+ 铺装上层”三层式结构。日本采用“沥青橡胶粘结剂+ 板状防 水卷材十铺装层”、“氯丁橡胶粘结剂十3 层氯丁橡胶型防水材料+ 铺装层”或“防水沥 青层+ 乳化沥青粘结层+ 铺装层”的铺装结构。印度采用“铺装层+ 磨耗层 的铺装结构， 钢筋混凝土与路缘石之间的垂直接缝采用沥青进行填封。 在国外，尤其是欧美发达国家，对桥面铺装体系从设计理论、试验方法等方面都进 行了深入的研究。英、美等国家已开始用有限元分析程序对钢桥面铺装体系进行简单的 力学分析，但世界各国对钢筋混凝土的桥面铺装研究却很少。 ( 2 ) 国内研究现状 我国对桥面铺装的研究起步较晚，主要是借鉴国外的经验。由于我国的气候、地理 3 第一章绪论 条件及车辆荷载组成与国外不同，这些都决定了不可能完全照搬国外的经验，必须对其 深入研究，探索适合我国国情的桥面铺装技术。 近些年，国内多家科研机构对大跨径桥梁的桥面铺装进行了一些有益的尝试，在铺 装层的材料选择、结构设计及施工方面积累了一定的经验。具有代表性的是交通部重庆 公路科学研究院在虎门大桥、海沧大桥等实际工程中所推广的双层式s m a 铺装结构。 同时，在研究中还与东南大学共同开发有限元程序进行理论分析；长沙理工大学就具体 的铺装层结构设计进行了直道试验【2 6 7 1 。 1 2 3 目前存在的主要问题 ( 1 ) 由于国内尚未对水泥混凝土桥面铺装进行系统研究，因此水泥混凝土桥面铺 装系统理论缺乏，没有系统的理论支撑。 ( 2 ) 我国对水泥混凝土桥面铺装的研究较少，大部分铺装采用与路面铺装相同的 结构型式，很少对水泥混凝土桥面铺装做有针对性的单独设计，更不说对水泥混凝土桥 梁铺装防排水体系的研究。 ( 3 ) 由于缺乏系统的桥面铺装理念，很多桥面铺装者虽然知道要重视单独的桥面 防水层，但对防水层的功能要求理解不透彻，同时以为做好了部分的防水措施即可很好 地解决铺装防水问题，没有进行整体性铺装的考虑。 ( 4 ) 目前国内已经明确桥面铺装必须由防水粘结层和沥青铺装层组成，但对桥面 防水粘结层的研究才刚起步，对桥面防水粘结材料的选择还存在盲目性。 1 3 课题研究的主要内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 桥面铺装使用现状的调查与原因分析 收集国内外有关桥面铺装的研究资料，现场调查工程所在地类似工程环境的桥面铺 装的使用状况，特别是其破坏形式和损坏情况，分析桥面铺装产生早期损坏的原因，为 安康至陕川界高速公路桥面铺装在设计研究阶段打下良好的基础。 ( 2 ) 桥面铺装防水粘结性能研究 通过对常用防水粘结材料类型以及界面型式的调查，并结合室内试验研究分析其路 用性能，提出适合水泥混凝土桥面沥青铺装的防水粘结材料及界面处理型式。 ( 3 ) 桥面铺装层结构组合研究 4 长安大学硕1 ：学位论文 通过对国内外桥面铺装的结构类型、材料组成、性能特点的调查，结合安康地区沥 青砼桥面铺装层的损害类型，根据时温等效原理，对水泥混凝土桥面铺装沥青混合料的 高温性能进行分析；以及通过对不同结构组合的路用性能进行对比试验，提出路用性能 优良并满足砼桥面各项力学指标的铺装结构组合。 ( 4 ) 桥面铺装层施工工艺研究 分析考虑铺装层沥青混凝土的拌和、运输及摊铺碾压等环节，以及桥面防水粘结层 的施工工艺及质量控制标准；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，使铺装层达到质量要求。 1 3 2 技术路线 本文的技术路线见图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 5 第二章桥面铺装损坏原因与设计指标分析 第二章桥面铺装损坏原因与设计指标分析 2 1 桥面铺装损坏类型及原因分析 桥面铺装作为一种特殊的铺面工程，在使用过程中长期受到行车荷载、自然环境等 因素的影响，除了具有普通路面常见的破坏类型之外，还具有其自身特有的破坏类型。 因此，通过对水泥混凝土桥面沥青铺装层破坏类型进行调查分析，探讨研究其破坏机理， 从而弄清桥面铺装研究中亟待解决的主要问题。 2 1 1 常见损坏类型 根据l t p p 路面损坏鉴别手册，从调查的情况来看，桥面铺装层的早期破坏形式主 要有以下几种： ( 1 ) 裂缝类：指桥面铺装层在行车荷载和温度的反复作用下所引起的疲劳破坏， 或者因结构缝施工处理不当等薄弱处出现的反射裂缝以及桥面系加劲部件顶部铺装层 出现的横向和纵向裂缝，见图2 1 所示。 ( 2 ) 表面变形：桥面沥青混合料铺装层，在较大的车轮垂直和水平荷载作用下产 生剪应力，当剪应力超过沥青混合料自身的抗剪强度时所导致的车轮带及其附近出现的 推移、拥包和车辙破坏，见图2 2 和图2 3 所示。 图2 1 网裂破坏 图2 2 推移破坏 ( 3 ) 表面缺陷：由于沥青混凝土的级配组成设计不合理，在行车荷载的作用下导 致桥面铺装层薄弱区域出现的松散( 剥落) 、泛油、集料磨光、透水等破坏形式，见图 2 4 和图2 5 所示。 ( 4 ) 铺装层脱落：是桥面铺装最严重的、特有的破坏类型。粘结层在失去桥面板 6 长安大学硕上学位论文 的束缚和支撑的条件下，出现剪切破坏。此外，桥面铺装结构体系中，粘结层与防水层 是相互紧密联系在一起，粘结层的破坏就意味着防水层的破坏，同时会导致桥面板的水 腐蚀，见图2 6 所示【引。 图2 3 车辙破坏 图2 5 表面泛油 2 1 2 损坏原因分析 图2 4 松散破坏 图2 6 铺装层脱落 桥面铺装损坏的原因很复杂，针对桥面沥青铺装层特有的破坏类型，国内外专家提 出了不同的影响因素。综合考虑依托工程的地理环境，可能引起桥面铺装损坏的主要原 因有以下几个方面： ( 1 ) 桥面铺装的水损坏 由于沥青的粘附性差、桥面铺装层的空隙率过大或铺装层开裂，导致水分渗入而产 生损坏，如松散、坑槽等，使铺装层失去强度和防水能力。如果桥面铺装层的排水系统 设计不当，渗入的水分不能及时排出，便产生了“浴缸效应，加剧了桥面铺装层的损 坏；如果防水层被破坏，渗水将直接腐蚀桥体，危及桥梁的安全。 对于桥面沥青混凝土铺装层，我国现行规范中有关桥面铺装及防水设计尚有欠缺， 7 第二章桥面铺装损坏原因与设计指标分析 均未考虑桥梁整体防水方面的要求；因此，完善的桥面铺装系统及防水、排水系统是确 保桥面铺装层服务性能的关键措施。 ( 2 ) 桥面铺装的高温破坏 桥梁工程因形同“空中楼阁”而完全暴露于空气中，直接受到气候条件的影响。同 路面材料相比，桥面铺装材料夏季温度更高、冬季温度更低，即产生了夏季的“煎烤效 应”与冬季的“冰柜效应”，相同的气候条件对桥面铺装材料的影响更大。 另外，由于桥面铺装层和主梁的温度变化节奏不一致，导致其因温度变化引起的伸 缩受到主梁的牵制，势必将在桥面铺装层内部产生约束应力，这也是造成铺装层损坏的 原因之一。 ( 3 ) 桥面铺装的层间粘结破坏 桥面铺装层间的粘结包含各结构层之间的粘结以及沥青铺装层与混凝土面板之间 的粘结。防水粘结层对桥面铺装层的稳定起着至关重要的作用，起到承上启下的过渡功 能。研究表明，许多损坏是由粘结层的破坏所导致的。其原因在于该层位于刚性桥面板 与柔性沥青铺装层之间的薄弱处，剪切力很大，往往产生“剪切滑动效应 。 另外，随着桥面铺装使用周期的增长，各结构层之间的粘结强度都会随之降低。一 旦铺装结构的整体性受到威胁或破坏，桥面铺装就会发生大面积，甚至整体性的破坏， 进而影响桥面沥青铺装层的路用功能。 ( 4 ) 施工工艺的影响 施工工艺对桥面沥青铺装层的影响主要体现在三个方面：桥面板平整度差，在行 车荷载和温度的综合作用下，铺装层内容易产生局部应力集中，导致铺装层的损坏。 沥青铺装层与桥面板的粘结不好，大大降低了其与沥青铺装层之间的粘结性能。施工 过程中出现离析、压实不足等现象；沥青铺装层在施工中由于压实度不够，导致铺装层 的强度达不到设计要求；此外，沥青混合料的级配不良导致发生离析现象，引起铺装层 内强度不均匀9 10 1 。 由上述分析可知，造成桥面沥青铺装层早期损坏的原因是多方面的、是综合性的， 诸如桥梁设计理论的不足，沥青混合料设计不当，施工工艺，交通荷载等；归根结底， 水是桥面沥青铺装层诸多病害，尤其是早期损坏的主要诱因之一。在现行桥梁及路面设 计规范中，对于桥面铺装材料、铺装结构厚度、结构组合设计、防水及排水措施以及施 工工艺，只是轻描淡写地给予了指导性说明，导致桥面铺装设计与施工的无章可循，各 行其是，从而为桥面铺装的早期损坏埋下隐患。 8 长安大学硕士学位论文 2 2 桥面铺装设计指标分析 由上述分析可知，桥面沥青铺装层的破坏主要是由于铺装结构某一层次的缺陷所引 起的。目前，虽然对于桥面沥青铺装层的主要破坏类型有一定的了解，但对于这些破坏 类型却没有明确的控制指标。本文结合桥面沥青铺装的特点，借鉴路面铺装的设计指标， 针对桥面沥青铺装层的主要破坏类型，提出相应的控制指标，作为桥面沥青混凝土铺装 层后续研究的指导。 2 2 1 车辙指标 产生车辙的原因主要包括渠化交通、重载交通的作用以及铺装材料的性质等，其中 高温是车辙的重要影响因素。在高温时段，铺装层材料的力学强度大幅度下降，材料自 身呈现出粘塑性和流变性，所以，车辙可以看作是沥青混合料在剪应力作用下塑性流动 的结果。因此，采用车辙作为桥面沥青铺装层的控制指标时，以桥面沥青铺装层内部的 最大剪应力作为设计指标，设计中控制铺装层内部的最大剪应力值不应超过沥青混凝土。 铺装材料的容许值。 2 2 2 推移和拥抱 桥面沥青混凝土铺装层在受到较大的行车荷载作用时，其表面会出现推移和拥包等 破坏。造成这些破坏的原因是由于在荷载引起的垂直应力和水平应力的综合作用下，铺 装层内部产生的剪应力超过材料的抗剪强度。为了防止桥面沥青铺装层表面发生推移、 拥包等破坏，采用抗剪强度作为沥青铺装层的控制标准，控制公式如下： z m a x r k ( 2 1 ) 式中 m a x ：在荷载的垂直力和水平力的作用下，沥青铺装层中产生的最大剪应力； 【k ：铺装材料的容许抗剪强度； 2 2 3 防水粘结层剪切破坏 防水粘结层的剪切破坏是桥面铺装特有的主要破坏类型。桥面板与沥青铺装层间粘 结层的破坏会很大程度降低了两者的复合作用，增加了铺装层内部的应力，加速桥面铺 装的损坏，因此必须严格控制粘结层的剪切破坏。采用粘结层剪切破坏作为桥面铺装的 控制标准时，以桥面板与沥青铺装层间的最大剪应力作为设计指标，设计中控制层间的 最大剪应力不应超过铺装层问的容许抗剪强度，即： 9 第二章桥面铺装损坏原冈与设计指标分析 r 【r 】r ( 2 2 ) 式中r ：理论计算得到的桥面板与沥青铺装层间的最大剪应力； 【r k ：桥面板与沥青铺装层间的容许抗剪强度： 2 2 4 疲劳开裂 桥面沥青铺装层的疲劳开裂是指其在正常使用情况下，由行车荷载的反复作用所引 起的开裂破坏，是桥面铺装的主要破坏类型。桥面沥青铺装层的疲劳开裂不仅直接影响 到桥面铺装的路用性能，而且对于桥梁结构也有不利影响。沥青铺装层开裂后，雨水可 以更加便捷地侵蚀桥梁结构的主体，直接威胁桥梁结构的安全。因此，必须控制桥面铺 装的疲劳开裂。采用疲劳开裂作为桥面铺装的控制标准时，以桥面铺装层表面的最大拉 应变( 拉应力) 作为设计指标，设计中控制其表面的最大拉应变( 拉应力) 不超过沥青 铺装材料的容许值，即： 仃一b 。】r ( 2 3 ) s k 。k ( 2 4 ) 式中 仃恤。：理论计算得到的桥面铺装层表面的最大拉应力； s 蜘。：理论计算得到的桥面铺装层表面的最大拉应变； b 。】r ：由疲劳方程确定的铺装材料的容许拉应力； 【s 。k ：由疲劳方程确定的铺装材料的容许拉应变。 2 3 本章小结 ( 1 ) 通过对桥面铺装病害状况的调查，其早期的损坏形式主要有：车辙、推移、 开裂、松散、坑槽等。导致桥面沥青铺装损坏的原因是多方面的，贯穿设计、施工、使 用、养护等各个环节；其中主要的原因在于铺装材料及层间抗剪、粘结强度不足，以及 温度和水的影响等。 ( 2 ) 通过对桥面铺装病害状况的分析，防水粘结层是桥面铺装结构体系中的关键 环节，其粘结性能和防水性能对桥面铺装结构的耐久性起着至关重要的作用。防水粘结 层的剪切破坏是桥面铺装特有的破坏类型，因此如何控制桥面板与沥青铺装层问的最大 剪应力不超过层间容许的抗剪强度是后续的研究重点。 1 0 长安大学硕士学位论文 第三章桥面铺装防水粘结性能研究 桥面防水系统包括防水和排水两部分，通过有效的防排水措施，将桥面滞留水迅速 排除，有利于桥梁结构的安全。 3 1 桥面排水系统设计 一个完整的排水系统由桥面纵坡、横坡与一定数量的泄水管构成。桥面排水系统按 排水的目的主要包括铺装层表面排水和铺装层结构内部排水两部分；按结构组成则包括 桥面本身、过水断面、进水1 3 、排水管、落水管和桥头集水设施等【l l 】。 3 1 1 泄水管的布置 我国高速公路桥面的排水设计大部分采用铸铁泄水管，由于管口的设计标高与沥青 铺装层顶面标高一致，同时砼防撞护栏与桥面铺装及泄水管身都是实体紧密接触，使得 雨水及渗入铺装层结构内部的水不能及时排出，从而造成桥梁的水损害。 本文采用铸铁泄水管，适用于具有防水层的铺装结构，其内径一般为1 0 0 1 5 0 m m ， 泄水管顶部采用铸铁格栅盖，格栅盖点焊于漏斗上，泄水管管口及其附近应略低于沥青 铺装层顶部5 1 0 m m ，以便排水顺畅；另外，泄水管下端应伸出行车道板主梁底面以下 至少1 5 0 2 0 0 m m ，以防雨水渗湿主梁肋表面。泄水管的总体布置见图3 1 所示。 图3 1 泄水管的总体布置图 第三章桥面铺装防水粘结性能研究 泄水管的过水面积通常为每平方米桥面不小于2 3 c m 2 ，泄水管可沿行车道两侧左 右对称排列，也可交错排列。泄水管的布设应错开桥梁的伸缩缝，在桥梁伸缩缝的上游 方向应增设泄水口，以减少流向伸缩缝的水量。若桥梁位于凹行竖曲线内，此时应减小 泄水管的设置间距，增加泄水管的设置数量，以便迅速排除雨水。施工时应特别注意处 理好泄水管与防水层的结合处，防水层的边缘要紧夹在管子顶缘与泄水漏斗之间，以便 防水层的渗水能流入管内。泄水口周围的桥面板应配置补强钢筋网。 为便于桥面铺装层结构内部排水，铸铁泄水管伸入桥面铺装结构层的部分做成椭圆 孔状，长轴和短轴分别为6 0 m m 和2 0 m m ，孔间距2 0 m m ，沿圆周均匀分布，泄水钢管 展开大样见图3 2 所示。同时，采用在沥青铺装层与护栏间隙粘贴沥青基防水挤压条的 办法来有效防止水分从间隙渗入。 图3 2 泄水钢管展开大样图 对于桥下有通行要求的桥梁，为防止雨天泄水孔的排水影响桥下车辆通行，桥面进 水口接p v c 落水管将雨水排至桥下排水沟；其总体布置见图3 3 所示。 长安大学硕上学位论文 3 1 2 碎石盲沟的设置 为了迅速排除桥面积水，除原有的泄水管外，同时在桥梁的两侧边缘( 或弯桥的弯 道内侧) 沿着桥梁防撞护栏设置纵向碎石盲沟，盲沟深度为桥面铺装下面层的厚度，宽 度为1 0 0 1 5 0 m m ，渗入桥面铺装层结构内部的水分，沿着桥面横坡由层间空隙及混合料 的孔隙流入碎石盲沟，再通过间隔一定距离布设的泄水管引出桥面，以加强桥面铺装结 构内部排水；碎石盲沟的布置见图3 4 所示。 图3 4 碎石盲沟的布置图 碎石盲沟布置在桥面较低一侧的防撞墙边，先进行沥青铺装下面层的施工，待碾压 结束后，在距离防撞墙1 0 0 - 1 5 0 m m 处进行锯缝，然后清除沥青混合料，用空隙率较大的 单级配碎石、沥青碎石或水泥稳定碎石进行填充；其上铺设自粘式玻纤格栅，洒少许粘 层油后进行沥青铺装上面层的施工。在制作碎石盲沟及铺设沥青铺装层时，务必注意防 止碎石及沥青混合料堵塞泄水孔入口，从而影响排水效剁1 2 1 3 1 4 1 。 3 1 3 桥梁伸缩缝的设置 在温度变化的影响下，桥梁将沿纵桥向产生膨胀或收缩的变形；车辆荷载也将引起 梁端的转动和纵桥向位移。伸缩缝在保证梁体纵向伸缩的同时，也应重视防水设计。伸 缩缝正确、合理的设置对桥面防水起到事半功倍的效果。因此，建议选用横向两端有翘 头的伸缩缝，使得整个伸缩缝形成一个闭合良好的u 型槽，可以有效避免桥面积水沿伸 缩缝这个排水薄弱环节下泄到梁端及盖梁上，其构造示意见图3 5 所示。同时，考虑在 伸缩缝上游方向设置条形透水性沥青混凝土。 13 第三章桥面铺装防水粘结性能研究 图3 5 伸缩缝构造示意图 桥面排水是影响沥青铺装层使用的一个重要方面，其设计和施工应从混凝土整平 层、沥青铺装层、桥面防水层、伸缩缝等方面统筹考虑。水泥混凝土桥面沥青铺装层经 常出现的耐久性差、使用寿命短等病害，这些都与防水粘结层的设置密切相关。对于混 凝土的防水，可将其分为混凝土结构自防水和柔性外包防水两种。混凝土结构自防水主 要是依靠混凝土结构的密实来实现；而柔性外包防水则是采用防水卷材或防水涂料对混 凝土结构进行外包，从而达到其防水目的。 3 2 桥面防水混凝土材料试验 3 2 1 混凝土结构渗漏的原因 混凝土结构之所以会产生漏水现象，主要是由于混凝土结构本身所决定的。混凝土 是一种非均质脆性材料，无论从宏观上还是从微观上看均属于多孔结构。混凝土结构中 的孔隙按其成因可分为施工孔隙和构造孔隙两大类。施工孔隙主要是由于浇筑时振捣不 良所引起的；构造孔隙主要取决于水灰比，是混凝土凝结硬化过程中形成的。当然，多 孔材料的渗透性还受到孔结构的影响，材料内部的封闭孔隙对材料的渗透性没有影响， 只有那些连通孔隙才能引起材料的渗漏问题。孔结构的另一个影响因素是孑l 径分布，如 果所有的微孔中孔径细的凝胶孔所占的比率较大，混凝土结构的渗透性就比较低。但对 于普通混凝土结构来说，除了凝胶孔以外，其余的孔隙大多是开放式的，是引起混凝土 渗漏的主要原因。 影响混凝土结构渗漏的另一个重要因素是混凝土结构中的微裂缝。混凝土还处于塑 性阶段时，表面水分会大量、迅速的蒸发，当表面水分蒸发的速度超过混凝土内部水分 向表面迁移的速度时，就会产生塑性收缩裂缝。由于混凝土的干燥收缩通常是在硬化后 几个月甚至一年内才完成，连续不断的收缩受到限制后还可能导致由于其它原因产生的 长安大学硕 学位论文 裂缝进一步扩展，并且与水泥石中的裂缝连通，大大增加系统的渗透性。在混凝土浇筑 后由于自然条件的变化、物理载荷作用等原因也会产生裂纹，而且由于地基沉降、振动 载荷等引起的往往是大的裂缝，它们的渗漏更为严重。此外，混凝土结构中还存在着渗 漏水问题严重的施工缝和结构伸缩缝等。 综上所述，混凝土结构产生渗漏的原因主要有两个方面，一是混凝土结构内部的孔 隙；二是混凝土结构内部的裂缝。这些结构缺陷是由内、外两种原因所造成的，内因主 要是指混凝土组分的物理化学性质和结构缺陷，它们是混凝土自身无法克服的缺陷；外 因则是指自然条件作用、物理载荷、混凝土的使用环境和施工因素等，它们有些可以通 过人为地控制来消除，有些则是无法估计、预防的；因此，混凝土结构的渗漏水问题是 难以通过混凝土自身来解决的。 由于普通混凝土结构无法克服自身的渗漏问题，往往在处理混凝土建筑物结构的渗 漏水问题时，普遍采用两种防治方法：一种方法是复合防水，即采用各种防水材料进行 防水，在设防中采用多种不同性能的防水材料，利用各自具有的