（道路与铁道工程专业论文）混凝土桥梁耐久性沥青铺装材料设计研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o i l i i iiii ii ii i i iii i i iiil y 18115 3 6 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h e forlongll u n l v e r s ic o nr m i t vw i t ht h er e q u i r e m e n t sl t h ed e g r e eo f m a s t e ro f p h i l o s o p h y r e s e a r c ha n d d e s i g no nd u r a b l e a s p h a l tb r i d g ed e c ko fc o n c r e t e b r i d q e ，一 t m g m e e n n g 一 一 m a j o r ： r o a da n d r a i l w a ye n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：y i c h u a n p e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i j u n s u n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 主乡1 瑚年中月6 日 摘要 摘要 随着交通量和重型车辆的增加，特别是超载现象严重，桥面铺装出现了一 些较为普遍的早期损坏，严重影响了桥面的使用性能，也给维修工作带来了很 大困难，造成了巨大的经济损失。桥面铺装早期损坏己成为影响高速公路使用 功能和大跨度桥梁发展的一大病害，引起人们的广泛关注。为此，需要从理论 与实践两方面对桥面铺装层结构与材料设计中的关键技术问题加以研究，从而 更好的指导工程实践。 、 本文依托浙江省交通厅项目混凝土桥梁耐久性沥青铺装结构研究，重点 针对混凝土桥梁沥青铺装层材料组成与设计进行研究。论文首先总结了国内外 关于水泥混凝土桥沥青混凝土桥面铺装的研究概况，在现场调查及力学分析的 基础上，对水泥混凝土桥沥青铺装层的主要破坏类型及其损坏原因进行了分析 归纳和总结，明确了桥面铺装材料设计时应注意的几个关键问题。然后着重从 提高铺面材料性能方面入手进行研究，通过大量的室内试验比较了不同沥青和 混合料级配类型的铺装层材料的性能，并选择了三种不同的防水粘结层材料进 行了抗剪强度和拉拔强度测试，最终选择出性能较优的防水粘结层材料和沥青 混合料应用于工程实践，以有效减少桥面铺装早期损坏，提高其耐久性。 关键词：混凝土桥梁防水粘结材料沥青铺装材料组成设计耐久性 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a v yv e h i c l e sa n dt r a f f i cv o l u m e ，t h eb r i d g ed e c k p r e s e n t e ds o m em o r eu n i v e r s a le a r l yd a m a g e i tn o to n l ys e r i o u s l yi n f l u e n c e sb r i d g e p e r f o r m a n c e ，a l s ob r i n g st h em u c hd i f f i c u l t yt ot h em a i n t e n a n c ew o r ka n dt r e a t st h e h u g ee c o n o m i cl o s s t h ee a r l yd a m a g eo fb r i d g ed e c kh a sb e c o m eo n eo fs e r i o u s d i s e a s e st oi n f l u e n c eh i g h w a yu s ef u n c t i o na n db r i d g ed e v e l o p m e n ta n dh a sa r o u s e d p e o p l e sw i d e s p r e a di n t e r e s t t h e r e f o r e ，i tn e e d st os t u d yk e yt e c h n o l o g yq u e s t i o n so f t h es t r u c t u r ea n dt h em a t e r i a ld e s i g no fb r i d g ed e c k f r o mt h et h e o r ya n da c t u a la s p e c t s i no r d e rt og i v eab e t t e ri n s t r u c t i o nt oc o n s t r u c t i o n d e p e n d i n go nt h ep r o j e c tr e s e a r c ho nd u r a b i l i t yo fa s p h a l tb r i d g ed e c ko f c o n c r e t eb r i d g eo ft r a n s p o r td e p a r t m e n to f z h e j i a n gp r o v i n c e , t h ea r t i c l es u m m a r i z e s d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs u r v e y sa b o u ta s p h a l tb r i d g ed e c ko fc o n c r e t eb r i d g e t h e nu p o nt h ef o u n d a t i o no fm e c h a l l i c a la n a l y s i s ，t h r o u g hs c e n ei n v e s t i g a t i o nt h e a r t i c l et r i e st om a k ea na n a l y s i st of i n dt h er e a s o n so fm a i nd e s t r u c t i o nt y p e so f a s p h a l tb r i d g ed e c ko nc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ea n dp r o p o s e ss o m ei m p o r t a n t p e r f o r m a n c ei n d i c e st h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt ow h e nd e s i g n f o rt h ep u r p o s eo f e n h a n c i n gm a t e r i a lp e r f o r m a n c eo fb r i d g ed e c k , t h ep a p e ru s e ss u i t a b l em e t h o dt o g i v ea na s s e s s m e n tt om a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n dh a sc o m p a r e dt h r e ed i f f e r e n tk i n d so f w a t e r p r o o f i n gc e m e n t i n gm a t e r i a l st h r o u g hm a s s i v el a b o r a t o r yt e s t s ，a n da l s oh a s c o m p a r e dp e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tm i x t u r e su s i n gd i f f e r e n tt y p e so fa s p h a l t sa n d f i b e r sa sw e l la sd i f f e r e n tg r a d a t i o n si no r d e rt of i n d i n go u ti m p a c to fe a c hf a c t o ra n d c h o o s i n g t h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo f w a t e r p r o o f i n gc e m e n t i n gm a t e r i a la n dt h e b i t u m i n o u sm i x t u r et oa p p l yi nt h ec o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：c o n c r e t eb r i d g e ，w a t e r p r o o f i n gc e m e n t i n gm a t e r i a l ，a s p h a l tb r i d g ed e c k ， m a t e r i a lc o m p o n e n td e s i g n ，d u r a b i l i t y l - l 一 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 研究的必要性：1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究概况。6 1 3 本文研究的主要内容、方法及技术路线8 第2 章桥面铺装损坏类型及破坏原因分析l o 2 1 桥面铺装损坏情况调查- 1 0 2 2 沥青混凝土桥面铺装早期破坏形式1 1 2 3 沥青混凝土桥面铺装早期破坏原因分析1 4 2 4 本章小结1 6 第3 章不同类型防水粘结层材料性能比较分析1 7 3 1 粘结防水层材料的选择1 7 3 2 防水粘结材料性能测试方法2 0 3 2 1 原材料测试方法简介2 0 3 2 2 剪切试验2 3 3 2 3 拉拔试验2 5 3 3 粘结防水层材料抗剪性能测试评价2 6 3 3 1 s b s 改性沥青不同厚度的抗剪性能评价2 6 3 3 2 不同拉毛粗糙程度的抗剪性能评价2 7 3 3 3 有无防水粘结层的抗剪性能对比2 8 3 3 4 不同环境温度下的抗剪性能评价2 9 3 4 粘结防水层材料抗拉拔性能测试评价3 2 3 4 1 不同拉毛租糙程度的拉拔性能评价3 2 3 4 2 有无防水粘结层的抗拉拔性能对比3 3 3 4 3 高温抗拉拔性能评价3 4 3 5 防水渗透性能初步评价3 5 目录 3 5 1 试件制备。3 5 3 5 2 测试结果及分析。3 5 3 6 经济性分析3 6 3 7 本章小结。3 6 第4 章沥青和纤维的选择与影响分析3 7 4 1 湖沥青简介3 7 4 2 三种不同沥青及加入湖沥青后沥青三大指标测试结果对比3 8 4 3 湖沥青对沥青三大指标的影响分析4 0 4 3 1 湖沥青改性对针入度的影响4 0 4 3 2 湖沥青改性对软化点的影响。4 0 4 3 3 湖沥青改性对沥青低温延度的影响。4 0 4 3 4 湖沥青改性对沥青耐老化性能的影响4 l 4 4 湖沥青与s b s 改性沥青混合料性能对比研究。4 l 4 4 1 混合料组成设计4 l 4 4 2 各项混合料性能比较。4 5 4 4 抗剪性能测定及比较。5 0 4 5 不同类型木质纤维对混合料性能的影响分析5 3 4 5 1 原材料和级配5 4 4 5 2 马歇尔试验结果和车辙试验结果5 5 4 5 3 两种木质纤维的优缺点5 5 4 6 本章小结5 6 第5 章沥青铺装层级配类型的选择与确定5 7 5 1 上铺装层级配类型的选择与设计5 7 5 1 i 沥青混合料的组成结构特性5 7 5 1 2s m a l 3 级配优化设计5 8 5 1 3a c l 3 级配优化设计6 3 5 2 两种上面层桥面铺装常用级配类型性能比较6 4 5 2 1 s u p e r p a v e 级配范同的确定6 4 5 2 2s m a l 3 ，s u p l 3 路刚性能比较6 6 5 3 下面层桥面铺装级配类型的选择与性能比较6 7 目录 5 3 1s m a 2 0 ，s u p 2 0 配合比组成设计6 7 5 3 2s u p 2 0 ，s m a 2 0 路用性能比较6 8 5 4 本章小结6 8 第6 章试验路的铺筑。7 0 6 1 试验路的选定与结构方案7 0 6 1 1 申嘉湖试验路桥概述7 0 6 1 2 试验段结构方案7 l 6 2 试验段s m a 生产配合比设计7 1 6 2 1s m a l 3 生产配合比设计7 l 6 2 2s m a 2 0 生产配合比设计。7 4 6 2 3a c13 生产配合比设计7 8 6 2 4s u p 2 0 生产配合比设计8 0 6 3 试验路施工注意事项8 4 6 3 1a w p - 2 0 0 0 聚合物改性沥青粘结防水层。8 4 6 3 2s m a 沥青铺装层8 4 6 4 试验路现场检测8 7 第7 章结论与展望9 0 7 1 结论9 0 7 2 进一步工作的方向9 l 致谢9 3 参考文献9 4 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果9 6 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的必要性 桥面铺装是指铺筑在桥面板上的防护层，是桥梁结构的重要组成部分，其 作用在于防止车轮直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水及其它有害物质的侵 蚀，并起到扩散荷载的作用。桥面铺装质量的好坏和使用耐久性将直接影响到 汽车的行驶质量和使用耐久性。 近些年来，我国国民经济迅速发展【，基础建设投资数额巨大，高速公路和 城市快速路迅速发展。其结果是大量的公路桥和立交桥在全国各地建设起来。 随着公路等级的提高，桥梁涵洞等公路构造物所古比重越来越大，传统的钢筋 混凝土桥由于受其材料本身力学特性的限制，跨径都比较小。第二次世界大战 后，制出高强度钢材，佛莱辛奈将其应用于桥梁设计中。预应力混凝土技术的 应用完全改变了传统的施工方式，而且使桥梁的跨度飞速增加。近年来随着预 应力材料及技术的进一步发展，预应力钢筋混凝土桥的跨径越来越大，桥梁上 部体系柔性也越来越大，使桥面铺装层的受力变得非常复杂：随着交通量和重型 车辆的增加，特别是近年来超载严重，桥面铺装出现了一些较为普遍的病害这 不仅妨碍了交通安全，影响了桥面的美观性，一些处于交通要道上的桥梁分流 特别困难，严重影响了交通，也给维修工作带来了很大困难，造成了直接和间 接的巨大经济损失。桥面铺装的早期损坏已成为影响高速公路使用功能和大跨 度桥梁发展的一大病害，引起人们的广泛关注。桥面柔性铺装作为行车体系的 重要组成部分，能大大缓和行车对桥面板的冲击，较易达到运营中平整舒适的 要求，随着沥青材料性能的改进，应予以推广采用。但现行规范中对沥青铺装 结构的论述主要对所用材料、做法及厚度等作了指导性的说明。由此可见，现 行规范中对于桥面铺装的设计还是无章可循。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，给桥面铺装的 早期损坏埋下了隐患。因此，有必要对水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装的结 构、材料设计和施工技术进行全面的研究，从而指导水泥混凝土桥面板沥青混 凝土铺装的设计和施工，提高桥面铺装的路用性能和延长其使用寿命。 桥面铺装不同于一般公路沥青混凝土路面 2 1 ，它铺筑在桥面板上，由于桥面 第1 章绪论 板的柔度大，在重型车辆荷载作用下，桥面板局部变形大且复杂，特别是箱梁， 在肋和横隔梁连接处出现明显的应力、应变集中，这导致铺装层受力的复杂与 恶劣。同时桥面板的夏季高温、防水、层间结合等问题都决定了桥面铺装具有 一般公路沥青混凝土铺装所没有的特点 3 - 5 ) ： ( 1 ) 桥面铺装不具备一般公路沥青混凝土路面那样竖向无限深的路基，桥面铺 装直接铺筑在桥面板上，因此桥面铺装总是处于变形的基础之上，桥面板本身 的变形、位移、振动都直接影响铺装层的工作状态。 ( 2 ) 桥面铺装的受力模式与一般沥青混凝土路面受力模式不同。车辆荷载作用 下，肋顶部( 如箱梁) 的铺装层表面出现负弯矩，铺装层表面有较大拉应力和拉 应变，容易产生疲劳开裂 ( 3 ) 桥面铺装在行车和环境因素的复合作用下，其承受的变形及应力、行车与 风载的振动、铺装温度等条件，较公路路面及机场路面复杂严酷得多，因而， 对铺装性能与耐久性均有更高的要求。桥面铺装的自身特点决定了它对材料各 方面性能的要求包括抗水损害性能，高温稳定性能，抗疲劳性能等比通常的路 用材料要求更高。 桥面铺装除了要满足抗变形和其路用性能的一般要求，还必须具有良好的 防水粘结性能，铺装层没有了桥面板的约束，在行车荷载作用下，很快就会发 生破坏。水分通过沥青混凝土铺装层渗入桥面板则会使桥梁主体结构中的钢 筋混凝土产生冻融破坏、钢筋锈蚀和碱集料反应，严重影响桥梁的耐久性和使 用的安全性，而且桥梁主体结构的维修工作难度较大，费用昂贵。因此水泥混 凝土桥面板与沥青混凝土铺装层之间的防水粘结性能是保证桥面铺装正常工作 的关键。 所以，有必要深入研究破坏产生的原因，分析防水粘结材料以及铺装层沥 青混凝土的各项路用性能，通过对防水粘结层材料进行试验研究，对铺装层沥 青，纤维等原材料、级配进行调整、优化，以满足桥面铺装使用条件的要求， 充分发挥各结构层的力学特性和材料性能，避免早期损坏的发生，提高桥面铺 装的耐久性。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 桥面铺装结构设计概况 发达国家由于交通建设发展较早，对桥面铺装的研究也比较早，因此桥面 铺装技术较为成熟。最早研究的国家是德国，紧接着法国、美国和日本也开始 了研究，法国和日本还制定了相应的技术规范。经过十几年的发展，国外在桥 面铺装结构类型虽然不完全相同，但是基本上都是在桥面板和铺装层之间铺设 粘结防水层。且对桥面铺装的力学分析主要集中在经验分析上，并辅以试验论 证。 在欧美国家删，水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装一般采用“防水层+ 面层 双层式，或“防水层+ 铺装下层+ 铺装上层”三层式铺装结构： 丹麦采用的是“底涂层+ 防水层+ 保护层+ 联结层+ 铺装上层”这样的铺装结 构。将桥面喷砂处理过后涂环氧树脂作为底涂层，防水层采用改性沥青卷材， i 保护层采用1 5 2 0 m m 的开级配沥青混凝土，联结层采用4 0 r a m 厚的改性沥青混凝 土，磨耗层采用4 0 r a m 的沥青混凝土或者s m a 混合料。 德国和丹麦的桥面铺装结构很相似，为“底涂层+ 防水卷材+ 排气层+ 联结层 十铺装上层 结构。瑞典采用沥青类材料作为与水泥混凝土桥面板的粘结层， 防水材料采用沥青砂胶、涂膜和卷材类材料，铺装层材料根据防水材料的不同 有所差异。 法国采用的铺装结构没有联结层，防水层采用涂膜类或卷材类材料，铺装 结构为“粘结层十防水层十保护层十铺装层 。粘结层采用改性合成橡胶乳液， 防水层采用高分子聚合物涂膜或卷材类材料，保护层采用2 m m 厚的沥青碎石保护 层，铺装层采用7 0 - 1 0 0 r a m 厚的沥青混凝土。 印度使用“铺装层+ 磨耗层”的铺装结构。铺装层采用7 5 r a m 厚的钢筋混凝 土( 钢筋网格2 0 0m mx2 0 0 r a m ) ，水泥用量为3 5 0 k g m 3 ，最大水灰比为0 4 。磨耗 层采用8 c m 厚的沥青混凝土，分两层铺装。钢筋混凝土铺装层和路缘石之间的垂 直接缝采用沥青填封，使用寿命可达到l o 年。 日本采用“沥青橡胶粘结剂+ 板状防水卷材+ 铺装层 、“氯丁橡胶粘结剂 + 3 层氯丁橡胶型防水材料+ 铺装层”和“防水沥青层+ 乳化沥青粘结层+ 铺装层” 的铺装结构。铺装层一般采用沥青混凝土。 第1 章绪论 ( 2 ) 国外桥面铺装材料发展概况 国外桥面铺装材料研究较早，尤其是大跨径钢桥面铺装发展比较成熟。目 前，大跨径钢桥桥面铺装材料主要采用浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝土和 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) ，且经工程验证它们均具要较好的路用性能，水泥混凝土 桥面铺装在考虑到经济效益的前提下也可借鉴这些材料。 浇注式沥青混凝土 二十世纪五十年代源于德国，当时主要是用作高速公路的修复，浇注式沥 青混凝土采用硬沥青，它是一种岩沥青或湖沥青与道路沥青复合的沥青，或者 采用高粘度的聚合物改性沥青，添加高剂量矿粉，与集料在2 2 0 以上的高温下 经过长时间的拌和，配制而成。摊铺时高温的沥青混合料仍然具有流动性，采 用特殊的滑板摊铺或者像水泥混凝土那样人工摊铺，不需要碾压。浇注式沥青 混凝土采用贯入试验评定混合料的抗变形能力、刘埃尔试验评价混合料的耐流 动性、小梁弯曲试验评价混合料的低温变形能力、车辙试验评价混合料的高温 稳定性。浇注式沥青混凝土整体性能好，密实不透水，耐久性好，粘韧性好。 桥面铺装初期投资较高，期望使用寿命为2 0 年，服务期限内表现出较好的路用 性能。 环氧沥青混凝土 源于二十世纪六十年代的美国和加拿大，它是将环氧树脂加入沥青，然后 添加固化剂发生硬化反应，形成不可逆的固化物，使沥青的性质由热塑性转化 为热固性，从而物理力学性能得到提高。集料最大粒径为9 m m ，这种混合料具有 良好的高温稳定性( 马歇尔稳定度为4 0 k n - 6 0 k n ) 、抗裂性和粘附性：具有极好的 耐疲劳性能( 为普通沥青混凝土疲劳寿命的几十倍) ：具有极强的抵抗化学物质 侵蚀的能力。环氧沥青混凝土的施工工艺比较复杂，施工对温度和时间的要求 很严格，施工难度大，材料费用也高，而且相关技术资料在国外多属专利。 沥青玛蹄脂碎石， 沥青玛蹄脂碎石为德国和日本近年来广泛使用的桥面铺装层材料，沥青玛 蹄脂碎石采用改性沥青并掺入纤维，是一种典型的骨架密实型结构。沥青玛蹄 脂碎石的配合比具有“三多一少 的特点：粗集料、矿粉、沥青多，细集料少。 这种混合料的抗塑性流动和永久变形能力比较强，不易产生车辙：具有较强的低 温抗裂性和较高的抗水损坏能力：具有较好的抗滑性能。但是沥青玛蹄脂碎石对 集料的要求比较高，需要采用比较坚硬的集料而且要求形状接近立方体，原材 4 第1 章绪论 料不易满足要求。 ( 3 ) 国外桥面铺装粘结层研究概况 美国n c h r p 在1 9 9 5 年发出的一份桥面防水报告n 盯指出：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 破坏和主要钢筋腐蚀的主要原因，这就促使开始提高和改进公路工程中混凝土 的质量，增厚钢筋混凝土中钢筋的保护层，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。 1 9 7 2 年7 月，十四个国家联合就“混凝土桥面防水 发表了一份研究报告， 报告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 多数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材料的具体标 准。 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，气温和沥青混合料施工温 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 混合料层厚度大于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。 美国的c c a r r 和b v a l l e r g a 就水泥混凝土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求。但是，几乎所有的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。 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 ha n dr o a dl 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，认为除了一些根本不合适产品外， 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，涂抹类的防水层的厚度不宜小于2 o 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。 总的说来，国外对水泥混凝土桥面沥青混合料铺装防水粘结层的研究只局 限于防水粘结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。 第1 章绪论 1 2 2 国内研究概况 ( 1 ) 桥面铺装结构设计概况 目前国内关于水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装的研究还很不成熟，现有 研究主要集中在铺装层材料设计和铺装技术等方面，关于理论分析和结构计算 的研究很少。水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装结构的受力情况比较复杂，绝 大多数力学结构计算都将其简化为弹性层状体系n 阳，用三维等参元模型进行分 析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元n 1 ，计算桥面铺装各层内、 层间的最大剪应力、拉应力。对不设置防水层的小跨径桥梁，直接在桥面板上 铺装5 0 - 8 0 r a m 的普通水泥混凝土或沥青混凝土( 单层或双层) 。混凝土标号与桥面 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 定的粗糙度。沥青混凝土铺装层可采用单层式或双层式，单层式即一次铺装 5 0 - 8 0 r a m 厚的沥青混凝土，双层式即两次铺装，铺装下层厚度为4 0 - 5 0 r a m ，铺装上 层厚度为3 0 - 4 0 m m 。设置防水层的桥面铺装结构，大多采用以下几种结构： 在桥面板上铺装8 0 - 1 0 0 m m 防水混凝土作为铺装层在其上再铺装2 0 m m 沥 青表面处治层作为磨耗层。 在桥面板上铺装“三油二毡 的防水层，然后再在防水层上铺装4 0 m m 厚、 标号不低于c 2 0 号的细集料混凝土保护层，最后再在其上铺装沥青混凝土或水泥 混凝土铺装层。 在桥面板上铺设防水卷材或者洒布粘结层材料，然后再铺装5 0 8 0 m m 厚 的沥青混凝土，或分两次铺装沥青混凝土，铺装下层厚度为4 0 一5 0 m m ，铺装上层 厚度为3 0 - 4 0 m m 。 ( 2 ) 桥面铺装材料发展概况 国内大跨径钢桥桥面铺装材料主要引进国外材料，如浇注式沥青混凝土、 沥青玛蹄脂碎石等等，并将它们进行改进，设计出适合我国实际工程的桥面铺 装材料。同时也发展了纤维沥青混凝土和钢纤维混凝土等铺装层材料。目前， 我国大跨径桥梁的桥面铺装一般采用的材料是：浇注式沥青混凝土、沥青玛蹄脂 碎石、高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 、纤维沥青混凝土、钢纤维混凝士铺装层， 水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装通常采用普通的沥青混凝土，但在经济效益 许可的前提下可以借鉴大跨径钢桥桥面铺装材料。 1 9 8 8 年，美国开展了s h r p 计划( 战略公路研究计划) ，其中沥青研究项目经 费占整个s h r p 计划经费的1 3 ，其研究成果之一就是提出了一种新的、性能优良 6 第l 章绪论 的s u p e r p a v e 沥青混合料。s u p e r p a v e 沥青混合料与密级配沥青混合料相比，粗 集料含量显著提高，级配理论己从连续级配变化到间断级配理论，级配的变化 从总体上影响了沥青混合料的路用性能。s u p e r p a v e 沥青混合料在水稳定性，高 温稳定性、摩擦系数、构造深度等方面表现出较好的性能。而在马歇尔稳定度、 低温抗裂性、疲劳耐久性等方面表现相对差一些。从总体上分析，s u p e r p a v e 沥 青混合料具有较好的路用性能。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究纤维沥青混凝土，同济大学、长安大学、 长沙交通学院、合肥工业大学先后对纤维沥青混凝土的性能进行了大量研究。 纤维对提高沥青混凝土路面性能的作用主要体现在以下几个方面：减少或延缓 反射裂缝的出现，提高路面抗车辙的能力，提高沥青路面疲劳寿命：提高沥青路 面的高温稳定性：增强沥青路面的低温抗裂能力：减薄沥青路面的厚度：在沥青 浸渍之后还有防水作用，减少水损坏。从总体上分析，掺加纤维后沥青混凝土 动稳定度、低温抗裂性、水稳性、疲劳寿命都得到提高。 曲 ( 3 ) 国内桥面铺装粘结层材料现状 我国最早是在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防 水粘结渊的重要性，开始陆续在北京、天津等地铺设柔性防水粘结层。但当时 并未对此作系统研究，只是参照屋面防水技术规范和防水粘结材料厂商推 荐产品的简单说明材料执行，所使用的产品也大都是为屋面防水而生产的。实 际上，桥面防水比屋面防水要求的条件要苛刻得多。桥面防水粘结层除了要求 材料具有不透水、耐高温、低温、耐腐蚀、耐老化、与上下接触层粘结良好外， 更重要的是桥面防水粘结材料还会受到汽车荷载水平和垂直应力的综合作用、 沥青混合料的高温碾压、动荷载的冲击、桥面裂缝的张拉和疲劳影响等。 1 9 9 4 年，北京市政研究总院针对北京市城市立交桥的桥面渗漏问题做了些 初步研究，主要对比了以下四种防水粘结材料：阳离子氯丁胶乳沥青涂料、盘 锦禹王排防水卷材、北京奥克兰防水卷材和h j 型聚氨脂防水涂料。使用结果分 析表明甜删： 卷材类防水粘结材料具有铺装速度快、施工工艺要求简单等特点，被广 泛应用于屋面、地下、水库等防水工程。但在桥面铺装中，因为要求防水粘结 层与桥面找平层之间、防水粘结层与防水粘结层搭接部位之间粘结紧密，以防 行车作用使路面产生移动造成破坏，加之桥面边角部位较多，给现场施工及质 量控制带来一定困难。因此只在有限范围类使用，大面积推广应用有待进一步 7 第1 章绪论 研究。 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，但铺装工艺较之卷材类复杂。而且，采用涂膜类防水粘结材料时，其 上应铺筑细粒式沥青混合料，或撒布一定粒径的预拌碎石作为保护层，防止粗 粒径矿料及料车、压路机等对防水粘结层造成破坏。 1 9 9 6 年上海市内环线工程建设处针对内环线高架道路桥面防水涂层技术进 行研究。为内环线高架道路桥而防水的需要f 研制了以沥青为基料的j w p - 1 和 j w p 一2 型桥面防水涂料在上海内环线高架桥中应用6 0 余万平方米，取得了。定 效果。 2 0 0 0 年3 月，长安大学公路工程学院课题组在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4 种国内外防水材料进行了桥面防水实验，为水泥混 凝士桥面防水粘结系统工程设计、施工提供了一定的依据。 总之，目前国内已明确沥青铺装必须由防水粘结层和面层组成，但对桥面 防水粘结层的研究和实验才刚刚起步。桥面防水粘结材料和施工工艺主要参照 房屋建筑防水土程，尚未建立一套适用的性能指标和实验手段。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，我国进行此项研究的必要性 和紧迫性。 1 3 本文研究的主要内容、方法及技术路线 由于目前沥青混凝土桥面铺装层出现的各类损坏严重，本文依托浙江省交 通厅项目l ：混凝土桥梁耐久性沥青铺装结构研究，重点针对铺装层材料组成 与设计进行研究，论文首先总结了国内外关于水泥混凝土桥沥青混凝土桥面铺 装的研究概况，在现场调查及力学分析的基础上，对水泥混凝土桥沥青铺装层 的主要破坏类型及其损坏原因进行了分析归纳和总结，明确了桥面铺装材料设 计时应注意的几个关键问题。然后着重从提高铺面材料性能方面入手进行研究， 通过大量的室内试验比较了不同沥青和混合料级配类型的铺装层材料的性能， 并选择了三种不同的防水粘结层材料进行了抗剪强度和拉拔强度测试，最终选 择出性能较优的防水粘结层材料和沥青混合料应用于工程实践，以有效减少桥 面铺装早期损坏，提高其耐久性。 本文主要的研究内容和思路确定如下： 8 第1 章绪论 ( 1 ) 沥青混凝土桥面铺装现场破坏调查及原因分析 对浙江地区已竣工通车桥梁的沥青混凝土桥面铺装损坏进行现场调查、统 计，对各类病害形式进行归纳。然后从结构受力，材料设计、施工等方面，对 沥青混凝土桥面铺装各类病害产生的机理、成因进行分析，明确防水粘结材料和 沥青混凝土桥面铺装材料性能所应满足的基本要求。 ( 2 ) 不同类型防水粘结层材料的性能比较 选择三种防水粘结层材料：热喷s b s 改性沥青、优止水高效防水剂( 水泥基) 、 a w p 一2 0 0 0 沥青基桥面粘结防水层涂料，进行剪切，拉拔等性能试验，评价三种 材料的路用性能，为工程中防水粘结材料的选用提供一定的依据。 ( 3 ) 沥青和纤维的选择与影响分析 采用同种集料和级配类型，选择三种不同的沥青种类：湖沥青，s k 基质沥 青以及s b s 改性沥青，两种不同形状的木质素纤维材料：絮状纤维和颗粒状纤维 进行室内性能对比试验，分析不同种类沥青和纤维对沥青混凝土桥面铺装材料 性能的影响，为工程中沥青混合料原材料的选用提供一定的依据。 ( 4 ) 沥青铺装层级配类型的选择与确定 关于上面层沥青混凝土桥面铺装，对s m a l 3 ，a c l 3 这两种目前常用的级配类 型进行组成优化设计并比较其高温和水稳定性能，对于下面层沥青混凝土桥面 铺装，进行s m a 2 0 、s u p 2 0 组成设计，同样对于这两种常用的级配类型高温稳定 性，抗水损害性能进行比较分析，为工程实践中沥青混合料级配的选择与确定。 提供一定的依据。 ( 5 ) 试验路的铺筑 将研究成果应用于申嘉湖高速公路桥面铺装试验段并进行现场观测，以验 证室内试验研究的结果。 9 第2 章桥面铺装损坏类型及破坏原因分析 第2 章桥面铺装损坏类型及破坏原因分析 以往调查表明，我国已建成通车的多数高速公路沥青混凝土路面都出现了不 同程度的早期损坏，而高速公路上桥梁的沥青铺装损坏就更加严重，本章通过 对浙江地区部分桥面铺装的使用情况进行调查，力求正确分析沥青混凝土桥面 铺装损坏的类型及其产生的原因，采用科学合理的技术措施来防止桥面铺装的 早期损坏，提高其耐久性。 2 1 桥面铺装损坏情况调查 本文依托浙江省交通厅项目混凝土桥梁耐久性沥青铺装结构研究对浙 江地区部分桥面铺装的使用情况进行调查分析和评价，为进一步研究病害原因 及影响大小提供了基础资料，鉴于南方地区目前桥面铺装车辙损坏比较严重， 本次调查还着重对一些路段的横断面车辙深度进行了测量，调查情况见下表： 表2 1 浙江地区部分桥面铺装破坏情况调查 桥梁结 路名桩号通车时间混合料类型桥面状况描述 构 a c l 6 上层 千浜头大预应力s b s 改性沥状况良好，不存在明显破损，有轻微 桥k 2 0 + 0 6 0板梁 2 年 青，下层普通车辙 沥青 刘家渡分空心板 离式立交梁 2 年a c l 6 空心板 k 2 3 + 2 9 0 2 年a c l 6有坑洞，车辙拥包明显， 梁 龙头山分空心板 坑槽，松散，水损坏严重，连续缝处 离式立交 梁 2 年 a c l 6 有反射裂缝，轻微车辙 龙溪港人连续箱 2 年a c l 6 坑槽，裂缝，修补后效果不理想，水 桥k 3 6 + 7 9 7梁 损坏明显 黑板桥空心板 2 年 a c l 6 车辙比较严重，连接缝处裂缝大 k 4 0 + 4 7 6 梁 从上表可以看出大部分桥面铺装在竣工通车后不久已经开始出现不同程度 的病害，其中以车辙、表面松散剥落和开裂最为普遍，个别路段桥面铺装的破 坏现象己非常明显，严重地影响了桥梁的使用质量。 表2 2 杭宁高速公路横断面车辙深度( c m ) 调查 1 0 第2 章桥面铺装损坏类型及破坏原冈分析 横断面距离( c m ) 路段 桩号 o 3 06 0 9 01 2 01 5 01 8 02 1 0 2 4 0 2 7 0 k 3 8 + 1 1 61 11 61 81 81 71 91 81 122 龙头山分离式立交 k 3 8 + 1 2 01 21 21l111o 911 k 3 6 + 7 9 0 2 1 61 81 81 7 1 91 8 1 123 龙溪港大桥 k 3 6 + 7 9 52 51 2112 5110 911 续表2 2 横断面距离( c m ) 路段桩号 o3 06 09 0 1 2 01 5 0 1 8 02 1 02 4 02 7 0 k 4 0 + 4 7 01 81 72 51 81 71 91 82 52 52 黑板桥k 4 0 + 4 8 02 22 51 831 71 81 82 53 23 k 4 0 + 4 8 51 81 7331 71 81 82 522 4 k 2 0 + 1 0 03331 511 523 322 王浜头大桥 k 2 0 + 1 2 0l33l11 51 5232 刘家渡分离式立交 k 2 3 + 2 9 022 3335 83 21 8232 表2 3 杭金衢高速公路横断面车辙深度( c m ) 调查 浦阿i 江人桥 横断面距离( c m ) 03 0 6 0 9 0 1