（道路与铁道工程专业论文）钢桥面铺装防水粘结层研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 防水粘结层是钢桥面铺装的重要组成部分，合理的防水粘结层设计是钢桥面铺装方 案成功与否的关键。我国现有防水粘结层的理论研究和实践研究尚不完善，造成大量钢 桥面铺装由于防水粘结层而导致破坏，因此从材料试验和力学分析的角度深入研究钢桥 面铺装防水粘结层具有重要的理论意义和实用价值。 本文以润扬长江公路大桥为工程背景，采用有限元方法对铺装层和防水粘结层进行 力学分析。分析在最不利荷载情况下，水平荷载和垂直荷载共同作用下铺装结构的受力 状况，尤其是钢板与防水粘结层间最大剪应力、最大剪应变。分析了防水粘结层的各项 计算参数对铺装层受力的影响，为防水粘结材料的选择和防水粘结层的设计提供理论指 导。 本文通过剪切、拉拔等试验综合比较了美国环氧沥青粘结材料和德国钢桥面铺装环 氧树脂类防水粘结材料，根据润扬长江公路大桥钢桥面铺装方案及相关技术要求，推荐 采用环氧沥青粘结材料。针对环氧沥青防水粘结剂施工中可能出现的一些问题进行了试 验研究，为润扬长江公路大桥的施工提供技术指导。 关键词 润扬长江公路大桥 大跨径钢桥 桥面铺装 防水粘结层 有限元法 第一章绪论 a b s t r a c t t h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fs t e e lb r i d g ed e c kp a v e m e n t a n a p p r o p r i a t ed e s i g no fw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ri st h ek e yo fg e t t i n gs u c c e s s f u li na s t e e lb r i d g ed e c kp a v e m e n tp r o g r a m b u tn o w a d a y si nc h i n a ，t h et h e o r i e sa n d p r a c t i c e so f w a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ri so nal o wl e v e l m a n yb r i d g ed e c k sh a v ed i s e a s e sc a u s e db y t 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 dc o h e s i v el a y e ns oi th a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l a 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 i a la n dl o a d b a s i n go nr u n y a n gy a n g t z ir i v e rb r i d g e ，i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c s m e t h o di st a k e nt oa n a l y z et h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ra n dp a v e m e n ts t r u c t u r e t h i s d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e si nd e t a i lt h es t r e s so fp a v e m e n tu n d e rc r i t i c a ll o a d ，e s p e c i a l l yt h es h e e r s t r e s sa n ds t r a i nb e t w e e nt h es t e e ld e c ka n dw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e r , w h e nh o r i z o n t a l a n dv e r t i c a ll o a da r et a k e na c c o u n t t h ep a r a m e t e r so fw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ra r e c h a n g e d t og e tt h em o s tc r i t i c a lo n e i tc a ng i v eat h e o r e t i c a lg u i d ef o rd e s i g n e p o x ya s p h a l t i s c o m p a r e dw i t haw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v em a t e r i a la p p l i e di n s t e e l b r i d g ei ng e r m a n yb yu s i n gs h e e rt e s t sa n do t h e rt e s t s a c c e d i n gt ot h er e q u i r eo fr u n y a n g y a n g t z ir i v e rb r i d g e ，e p o x ya s p h a l ti sr e c o m m e n t t ob et h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v em a t e r i a l o fr u n y a n gy a n g t z ir i v e rb r i d g e t h ep r o b l e m st h a tm a yh a p p e ni na p p l i c a t i o no fe p o x y a s p h a h a r es t u d i e dt o o ，w h i c hc a ng u i d e p r a c t i c e k e y w o r d s r u n y a n gy a n g t z i r i v e r b r i d g e l o n g s p a ns t e e lb r i d g e s t e e ld e c k p a v e m e n t w a t e r p r o o f a n dc o h e s i v el a y e r f i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm e t h o d h 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：李新纹日期：翌竺丝， 关于学位论文使用授权的说明 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。 签名：奎叠鳖 导师签名：趁象 日 第1 章绪论 从七十年代末的马房大桥开始，中国开始了钢桥面铺装的研究。特别是从上个世纪末，我国 进入了大跨径钢桥建设的高速时期，相继建成了广东虎门大桥、厦门海沧大桥、江阴大桥、南京二 桥、武汉军山大桥、武汉白沙洲大桥等世界一流大桥，在建和拟建的还有润扬大桥、杭州湾大桥、 苏通大桥、南京三桥等大桥。钢桥快速建设的同时，相应的钢桥面铺装技术也得到了巨大的发展， 形成了较为完善的钢桥面铺装技术。 钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上保护钢板并提供满足汽车行驶要求的路面表面功能，与 钢桥面结构共同承重，厚度约为3 5 1 0 0 m m 的单层或双层的承重构造物，一般由防锈层、防水粘结 层、沥青混凝土铺装层等构成1 2 1 。钢桥面铺装技术研究是一项技术含量高的工作，主要表现为钢桥 面铺装的工作环境与使用条件比其他铺面更为不利。经过多年的试验和研究。国内外已经形成了较 为完善的大跨径钢桥面铺装方案。目前用作钢桥面铺装的材料主要有高温拌和浇注式沥青混凝土 ( g u s s a s p h a l t ) 、环氧沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 和改性沥青碎石玛蹄腊混凝土( s t o n e m a t i c a s p h a l t ) 等，而目前钢桥面铺装从结构组合来分主要有两种类型，即单层铺装体系与双层铺装体系。由于双 层铺装体系能够对铺装上下层材料分别进行设计，充分利用和发挥材料特性，最大限度地避免对同 种材料矛盾地双向性能( 高温和低温) 要求，越来越多的大跨径钢桥面铺装趋向于使用双层铺装体 系。 1 1 问题的提出 一般钢桥面铺装结构如图1 - 1 所示，由铺装上层( 表层) 、封层、铺装下层( 基层) 、防水层以 及粘结层构成，如要提高抗滑性能则需要在上层上设置表面处理层”1 。 注入的 填缝料 成形 填缝料 放水层 粘结层 防锈层 图1 - 1 典型钢桥面铺装结构形式 粘结层是钢桥面铺装的重要组成部分，它将铺装层与钢桥面板粘结成一个整体，充分发挥铺装 第一章绪论 层与钢桥面板的复合作用，改善钢桥面板与铺装层之间的受力状况，增强铺装的疲劳抵抗性能。 目前粘结层采用的材料主要有环氧沥青、改性沥青、聚氨脂、橡胶，聚氨脂等。这些材料的性能 同一般路用沥青类似，随温度的升高，其强度大幅度f 降，呈现粘塑体性质，因此必须严格控制粘 结层的高温稳定性及高温强度。目前在实际施工中，为了增加粘结层与铺装层间的力学咬合力，通 常在粘结层上铺洒一层预拌沥青碎石e 4 1 。 从铺装或者铺装与构造物的连接部位渗入的雨水以及防冻溶液，会引起钢板腐蚀锈化，从而显 著降低钢桥面板承受交通荷载的疲劳作用，防水层就是为此而设置的铺装结构层1 3 l , 防水层采用的 材料主要有橡胶系列、沥青系列以及树脂系列等，在实际工程中使用沥青、橡胶系列的居多。防水 层与粘结层两者相辅相成，它们的正常工作是防止钢板腐蚀，避免铺装层发生早期损坏，尤其是剪 切破坏的关键。 实际上现在铜板采用的防锈漆、粘结层均具有防水层的功能，为了减少层间接触面，不少国家 取消了专门的防水层，或将防水层与粘结层并为一层，称作防水粘结层，承担防水和粘结双重功能。 但这样对粘结层材料、钢板防腐防锈层材料的防水性能提出了更高的要求。目前国内的钢桥面铺装 的防水粘结体系主要以防水粘结层为主，本文所研究分析的也为此类。 国内外钢桥面铺装研究人员都对防水粘结层进行了大量的研究，取得了一定的成果，但从已建 成大跨径钢桥铺装的使用状态来看，对防水粘结层认识和研究还远远不够。许多大跨径钢桥铺装在 通车后不久就产生脱层、推移和拥包等病害，如我国的第一例钢桥面铺装应用的桥梁广东肇庆 市北江马房大桥。脱层是指因铺装防水粘结层与钢板间以及粘结层与铺装层问的粘结力较低或粘结 力丧失而造成铺装脱开，在行车荷载作用下，铺装不断拍打钢桥面板并相对钢桥面板发生部分或整 体错动的病害现象，是防水粘结层的最主要破坏之一1 5 1 0 铺装脱空之后不停拍打钢桥面板，破坏钢 板防锈层，造成铺装出现水损坏，此外铺装在拍打过程中也易产生开裂、坑洞等病害。广东虎门大 桥在建成通车后的三个月内，桥面铺装产生了横向推移的热稳定性问题，与防水胶底部脱层与鼓包 等病害。厦门海沧大桥钢桥面铺装于2 0 0 2 年入夏以来，铺装表面迅速出现了开裂、推移及坑洞等 病害，经铣刨后发现部分铺装与钢桥面板已完全脱空。 在对江阴长江公路大桥使用状况进行调查时发现：铺装的开裂、碎块、推挤、脱胶等现象十分 严重，水分已直接进入铺装层底部。在行车荷载的冲击下，已脱层的沥青混凝土碎块不断拍打钢桥 面板，导致部分碎块下面的钢桥面板防腐涂装遭到破坏，钢板表面出现明显的暗红色锈斑，见图1 - 2 。 靖江一江阴方向慢车道上坡段的桥面铺装已完全损坏，行车道上坡段的桥面铺装大部分都已碾成碎 块。铺装碎块与钢板之间粘结力几乎完全丧失，轻轻用力即可将铺装碎块掀起，并可见其下开始锈 蚀的钢桥面板，如图1 3 所示。另外，在调查过程中还发现部分己开裂的铺装被挤出，这也表明铺 装与钢桥面板之间缺少必要的粘结力t o l o 2 东南大学硕士学位论文 固1 - 2 破坏的铺装下面钢桥面板已出现锈斑 虎门大桥破坏的主要原因之一就是采用的粘结材料软化点偏小，初始剪切强度较低，而且用量 较大，此外虎门大桥桥面板防锈漆油污染严重，造成粘结层与钢板间粘结力的损失也是虎门大桥破 坏的主要原因之一。由江阴长江公路大桥室内复合粱试件的拉拔试验结果可知，常温时现场修复的 浇注式沥青混合料铺装与钢板面板之间的粘结力最大值仅为1 2 8 m p a ，最小值则只有0 7 1 m p a 。因 此防水粘结层的粘结力不足是导致江阴长江公路大桥调查时所见的结构性破坏的重要原因”1 。 国外许多钢桥的破坏也归咎于防水粘结层，如澳大利亚的西门桥。西门桥总体情况是好的，但 由于铺装层和钢板之间粘结力丧失造成了脱层病害，脱层的铺装层在行车荷载作用下不断拍打、摩 擦钢板而使铺装层发生破坏。此外出现脱层病害的钢桥还有美国的m a c k a y 、r i o n i t e r i o 大桥和h a l e b o g g s 斜拉桥等i u j 。 鉴于目前国内外许多大跨径钢桥桥面铺装都存在由于防水粘结层而导致的破坏造成了极大的 经济损失和不良的社会影响，因此在当前我国大跨径钢桥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，进行钢桥面铺装防水粘结层的力学分析与试验研究具有重要的理论意义 和使用价值。 圈1 - 3 破碎的沥青块及其下操露出已锈蚀的钢桥面板 1 2 国内外防水粘结体系的研究成果 钢铺装铺装防水粘结体系的选择与铺装混合料类型有关，目前防水粘结体系主要有采用防水层 与粘结层共同组成防水粘结体系以及由防水粘结层独自承担防水和粘结功能的防水粘结体系两种。 铺装结构的防水粘结体系因各国的条件不同以及研究者重视程度不同而各异。 1 日本钢桥面铺装的防水粘结体系 日本的钢桥面铺装方案主要采用浇筑式沥青混凝土( g u s s a p h a l t ) 上面铺筑改性沥青混凝土。由 于浇筑式沥青混凝土空隙率很小，具有良好的密水性，因而未设防水层，仅在钢板喷砂除锈后涂布 溶剂型粘结材料作为粘结剂。些使用改性沥青密级配混凝土作为铺装下层时，均需设置防水层。 防水层一般用改性沥青卷材，包括薄膜型防水材料和涂膜型防水材料。在日本，使用s m a 作为铺装 下层时，也不设置防水层，因为s m a 混合料也有良好密水性。 粘结层的主要作用是使桥面板和防水层或铺装下层成为一体。为此，所用的粘结材料必须具有 较强的粘结力。日本的粘结层所采用的材料如表1 - 1 所示的分类，根据桥面板，防水层，铺装下层 混合料的种类来选择粘结层材料。 表1 1 日本铺装用粘结材料的分类” 种类形态 沥青乳剂系列乳剂型 沥青橡胶系列溶剂、乳剂型 橡胶系列溶剂型 硬化树脂系列( 环氧、尿烷系列)变性无溶剂型 在日本，当下层采用浇注式沥青混合料或者防水层采用沥青系列防水材料时粘结层建议使用沥 青橡胶系列溶剂1 8 1 o 2 德国钢桥面铺装的防水粘结体系”1 应该说，国外所有钢桥面铺装体系中，德国钢桥面铺装的种类最多，有采用湖沥青或聚合物改 性沥青的g u s s a s p h a l t 、s m a 沥青混凝土、改性沥青混凝土等组合的铺装结构( 底面层不允许用密级 配沥青混凝土) 。德国对防水粘结体系的完善也非常重视，其防水粘结体系主要有以下几种：1 、两 层反应性树脂防水层，上面再用沥青类粘结荆；2 、一层反应性树脂防水层上洒布改性沥青粘层( 沥 青防水层与反应性树脂防水层的结合) ；3 、沥青类防水粘结层( 洒布改性沥青) ；4 、反应性树脂防水 层上撒小碎石( 未固化前) ，在其上洒布改性沥青形成缓冲层。 3 ，美国钢桥面铺装的防水粘结体系 美国的钢桥大多采用双层环氧沥青混凝土铺装体系，美国还制定了相应的钢桥面铺装草案。环 氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂与基质沥青经复杂的化学改性所得的混合物。由于环氧树脂是热 固化性树脂，相应的施工特性咀及与桥面板之间的粘结都需要环氧沥青作为结合料的铺装使用热固 化性树脂类粘结剂。由于环氧沥青粘结剂以及环氧沥青混凝土的致密不透水，所以不设置防水层。 1 3 国内外防水粘结层的发展与现状 国内的钢桥面铺装是从八十年代开始的，最早是采用普通密级配沥青混凝土，防水粘结材料也 多采用乳化沥青，但使用后发现，一般使用寿命只有几个月。此后，逐步开始钢桥面铺装以及防水 粘结层的研究。 为了提高防水粘结层的粘结性能，延长钢桥面铺装的使用寿命，钢桥面铺装一方面开始寻求比 4 东南大学硕士学位论文 乳化沥青性能更优良的防水粘结材料，改性乳化沥青粘结剂以及环氧煤焦油等粘结性能更优良的防 水粘结材料逐渐取代了最初的乳化沥青。另一方面改进钢桥桥面板的焊接方法，使之能够增强铺装 层和铡板之间的粘结力和层间抗剪强度，如西藏妥峡大桥、天津海门大桥、山东东营黄河公路桥等 钢桥就改用了点焊抗剪钢筋网，上海延安路高架钢桥桥面则加焊变形钢筋 1 0 lo 此类措施都大大提高 了钢桥面铺装防水粘结层的性能，延长了钢桥面铺装的使用寿命。但是由于此时的钢桥跨径都不大， 要在大跨径钢桥桥面铺装上取得成功，还必须进行进一步的研究。 1 9 9 1 年，由同济大学和广东省肇庆市公路局联合研究对马房北江桥钢桥面铺装进行了翻新。铺 装层采用p e + 废橡胶粉改性沥青作为结合料，以同样的材料作为防水粘结材料1 1 0 。铺装无损使用 了两年，后虽产生了严重的病害，但是相对以前的钢桥面铺装使用寿命已大大延长了，改性沥青防 水粘结材料的使用也得到了进一步的发展。 从虎门大桥开始，我国正式开始了大跨径钢箱粱桥的建设，也相应地开展了钢桥面铺装以及防 水粘结层的系统研究。虎门大桥建设人员在认真研究了当时国内钢桥铺装的使用情况以及仔细分析 德国、日本等国的相关技术资料和经验的基础上，确定采用s m a 沥青混凝土对虎门大桥进行铺装。 防水粘结体系则由e l i m i n a t o r 防水胶与改性沥青粘结层组成t i l l 。由于属于国内首次以及对虎门大桥 的气候条件以及交通条件认识不足，虎门大桥桥面铺装以及防水粘结层设计并没有取得成功。由于 对虎门大桥地区持续高温气候认识不足，以及过分强调了粘结材料的韧性，忽略了粘结剂的硬度和 初始抗剪强度等原因，造成了选用的粘结剂软化点偏低，无法适应虎门大桥夏季持续高温的气候； 而且粘结剂用量较大，而作为粘结层一部分的预拌沥青碎石洒布较少，粘结剂无法在粘结层内“消 化”，降低了粘结层的性能以及铺装层的高温性能；此外虎门大桥桥面防锈漆油污染严重，也造成了 粘结层与钢板问的粘结力损失。由于上述种种防水粘结层原因导致了虎门大桥在通车后约年后不 得不进行了全桥处治1 。 其后的厦门海沧大桥、武汉白沙洲大桥、宜昌长江公路大桥以及重庆鹅公岩大桥等钢桥吸取了 虎门大桥铺装失败的教训，都对防水粘结层十分重视，分别对防水粘结层进行了大量的试验和研究， 并取得了一定的成果。 厦门海沧大桥桥面铺装采取双层s m a 沥青混凝土铺装结构，由于s m a 沥青混合料致密不透水， 桥面铺装没有设置防水层。厦门海沧大桥将防水粘结层作为研究重点之有针对性地对防水粘结 层开展了大量的研究：一是针对厦门海沧大桥钢桥面采用双层s m a 铺装的结构形式，结合厦门海沧 地区的气候条件，在参照国外如日本、德国等有关钢桥面铺装技术规范的基础上，提出了厦门海沧 大桥钢桥面铺装防水粘结层材料的主要性能要求。二是自主研究开发了专门用于s m a 沥青混凝土作 为铺装下层的大跨径钢桥面铺装防水粘结材料。考虑到s m a 结构的表面构造深度且与钢板接触面存 在孔隙( 这种现象在室内和实桥监测试验中均得到了证实) ，重庆公路科学研究所通过大量配方试验 研究开发了专门用于铺装下层采用s m a 的桥面铺装的热熔型防水粘结层材料w - 1 9 1 1 3 1 o 宜昌公路大桥在总结厦门海沧大桥等大桥研究成果的基础上，着重进行了两个方面的工作： 是改善热熔型粘结剂的低温性能，以适应宜昌地区的气候条件：二是研制溶剂型粘结剂，达到及时 施工，保护防护漆免受污染，进一步降低防水粘结层的施工难度的目的 1 4 1 。 武汉白沙洲大桥和重庆鹅公岩大桥等同样采用双层s m a 沥青混凝土铺装结构1 1 5 1 , 也在已有研 究成果基础上对防水粘结层做了研究和改进，从使用状况看，取得了一定的成效。 江阴长江公路大桥桥面铺装采取单层浇注式沥青混凝土，防水粘结体系由厚1 5 2 5 m m 的沥青 橡胶基层防水层和s u m ：的可溶性橡胶沥青粘结底层组成e 1 6 1 0 此防水粘结体系是国外成功应用的防 水粘结体系，但由于不适应我国长江中下游的气候条件等一系列原因，厦门海沧大桥在通车后不久 就发生了脱层、开裂等病害。 南京长江二桥研究人员在国内首次成功地使用环氧沥青混凝土对南京长江二桥进行了铺装，使 用配套的环氧沥青粘结材料作为防水粘结材料”1 。南京长江二桥自开放交通至今仍使用性能良好。 5 南京长江= 桥桥面铺装的成功实施为我国钢桥面铺装提供了新的铺装结构和新的防水粘结材料。 1 4 本文研究内容以及技术路线 本文结合润扬大桥钢桥面铺装的工程实际，对防水粘结层进行力学分析和试验研究，以此指导 防水粘结材料的选取和防水粘结层的设计，解决防水粘结层施工中的技术问题，本文主要研究内容 如下： 1 针对防水粘结层进行力学分析，分析防水粘结层计算参数对铺装受力特别是钢板与防水粘 结层问最大剪应力的影响，以指导防水粘结材料的选取和防水粘结层的设计； 2 对比不同防水粘结材料的性能，推荐性能优良的防水粘结材料作为润扬长江大桥的防水粘 结层材料： 3 通过试验解决环氧沥青粘结剂施工中可能出现的问题。 本文采取理论分析与试验研究相结合的方法，具体实施如下： 1 通过可利用的科技查新以及检索手段，收集国内外有关防水粘结层的研究成果； 2 实地调查我国部分大跨径钢桥面铺装防水粘结层的使用状况； 3 收集润扬长江公路大桥的气候条件、交通条件以及钢桥面板构造等资料，并根据收集的资 料确立有限元分析模型的各项参数，分析防水粘结层各项参数对铺装受力的影响，以及带 裂缝工作的铺装层的受力状况； 4 通过防水粘结材料的相关试验，比较不同防水粘结材料的性能，推荐性能最优良的防水粘 结材料作为润扬长江大桥的防水粘结层材料； 5 通过剪切和拉拔试验，对环氧沥青防水粘结剂施工中可能出现的技术问题提供性能评价以 及解决方案。 6 东南大学硕士学位论文 第2 章防水粘结层概述 钢桥面板与柔性铺装层之间的防水粘结层在钢桥面铺装中起着至关重要的作用，这一层不仅起 承上启下的过渡功能，同时还可兼作防水层以及应变吸收层。调查和研究表明，钢桥面铺装许多损 坏是由这一层诱发的，它性能的好坏直接影响着整个钢桥面铺装的使用性能以及使用寿命，对防水 粘结层深入全面的研究对提高钢桥面铺装的使用性能及使用寿命意义重大。 2 1 防水粘结层的作用 防水精结层是整个桥面铺装结构形成有机整体的关键，其性能的好坏对钢桥面铺装的耐久性有 若直接影响。防水粘结层除了粘结钢桥面板与铺装层，使之成为一个整体协同工作之外，还应具各 如下功能： 1 ) 用作防水层，防止水分下渗锈蚀钢板； 2 ) 用作应变吸收层。防水粘结层多用变形能力大的弹性材料。当桥面钢板在温度变化下或行 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钢板之间的部分相对位 移，从而减小铺装层内应力； 3 ) 用作分层铺装中上下铺装层的粘结层”1 。 基于防水粘结层的以上功能，对防水粘结层有如下要求： 1 )很高的粘结强度，并且在桥面温度变化范围内性能稳定。保证在面层传来的各种荷载应力 下( 包括垂直应力和水平剪力) 铺装层与钢板不会脱离，井在桥面可能遇上的温度范围内 保证力学性能稳定； 2 )致密不透水。在桥面可能遇到的所有情况下都应该是不透水的，包括交通荷载促使面层结 构内孔隙水造成的瞬间高压。另外，面层、主梁、防水粘结层上的接缝处尤其应注意； 3 1良好的适应变形能力。能够吸收铺装层和钢板之间的部分相对位移，减少铺装层的内应力； 4 )耐久性。防水粘结材料多为有机材料或者高分子改性沥青，而有机物最大的缺点就是容易 老化。在热、光、风雨、微生物和氧等各种因素综合作用下，材料会发生以过氧基为中阔 体的链式反应。老化后。材料会丧失原先的一些优良性能，弹性、韧性、强度等都会逐渐 退化。如果耐老化性能过差，还会降低与其他层次的粘结力，导致铺装层早期破坏； 5 )与其他材料的协调性。防水粘结层位于桥面板与铺装层沥青混合料之间，因此，它与上下 层间的协调配台性能就显得尤为重要，不仅表现在力学性能上，而且表现为物理、化学性 质的协调上。当沥青混台料施工时防水粘结层材料在这种高温碾压的骨料作用下，仍应具 有上述各项优良性能； 6 、施工可操作性。野外现场施工，必须在大面积的桥面板上洒布很薄的防水牯结层，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，在正常的机械设各作用 下不应破坏1 1 7 1 。 7 第二章防水粘结层概述 2 。2 防水粘结材料的种类 目前钢桥面铺装防水粘结层使用的材料可分为：热熔型粘结材料、溶剂型粘结剂和热固性粘结 材料”。 热熔型粘结材料由沥青掺加树脂( 如松香) 和各种聚合物( p v a 、p e ) 等组成。这类材料具有 一定的变形能力，也具有良好的防水封闭作用。但是在高温下容易变软，粘结力下降，在剪切应力 作用f ，铺装容易在这层产生推移。因此，要求此类粘结材料在铺装高温范围以内较硬，具有足够 的抗剪切能力。 热熔型粘结材料施工难度相对较大。热熔性粘结材料必须在施工前充分融化，升温至规定的温 度后搅拌均匀，再用沥青洒布车均匀洒布。热熔型粘结材料施工温度较高，而且不易控制。白沙洲 大桥使用的防水粘结材料是交通部重庆公路科学研究所研制的一种专门用于钢桥面铺装的热熔性防 水粘结材料，是一种特殊的具有高粘度、高弹性的改性沥青。由于洒布温度和机械等方面的原因， 白沙洲大桥的防水粘结层施工中曾出现过未能均匀洒布的情况，最后不得不采用溶剂型粘结剂进行 了人工补涂。造成了不必要的浪费。 热熔性防水粘结材料具有良好的防水密闭作用，常作为铺装下层为s m a 沥青混凝土的桥面铺装 的防水粘结材料。此类防水粘结材料在国内使用较多，如厦门海沧大桥使用的防水粘结材料w - 1 9 。 厦门海沧大桥铺装早在2 0 0 2 年入夏以来就出现了脱层、开裂、坑洞等病害，经刨铣后发现病害部位 下钢板和铺装层已经完全脱空。铺装层在行车荷载的作用下拍打钢板，摩擦冲击钢板防锈层，在空 气和水分作用下使钢板表面发生锈蚀 6 1 0 下图2 - 1 即为刨铣后的海沧大桥铺装层脱层病害。海沧大 桥最后不得不采用最新粘结材料环氧树脂胶粘剂对大桥进行彻底修复“”。可见，热熔性防水粘 结材料在国内的大跨径钢桥上成功使用还须进一步的研究。 图2 - 1 海沧大桥铺装层与钢板脱层病害 溶剂型粘结材料多指乳化沥青和可溶性橡胶沥青1 9 1 。这种材料除了同样具有高温软化的缺点外， 其内部含有的热敏性物质在沥青铺装层高温摊铺时会释放出气体，使铺装层产生气泡a 香港的青马 大桥由于采用了可溶性橡胶沥青作为粘结剂，在铺装过程中铺装层产生了大量气泡，最后不得不在 每个气泡中注射环氧聚硫橡胶粘结剂，加热沥青混合料并压实1 9 1 8 一查堕查兰堡主兰垒丝苎 可溶性粘结材料在日本使用较多，日本桥面铺装规范推荐使用沥青橡胶系列溶剂型防水粘结材 料和橡胶系列溶剂型防水粘结材料”1 ，明石海峡大桥粘结层采用的即是橡胶沥青牯结剂。乳化沥青 粘结材料在国内使用较少，较早的西陵长江大桥即采用改性乳化沥青作为防水粘结捌料，此外厦门 海沧大桥、重庆鹅公岩大桥、武汉白沙洲等大桥桥面铺装的封层采用的材料都是改性乳化沥青。 热固性粘结材料主要指环氧沥青。它将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成 不可逆的固化物。这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质，赋予沥青全新的优良物理力学性能。 同前面两类材料相比，这种材料无论在粘结能力、变形能力，还是在热稳定性方面，都具有明显的 优势。 美国钢桥的防水粘结层大多采用这种粘结材料，都取得了很好的使用效果。南京长江二桥的防 水粘结层也使用的这种材料，南京长江二桥自2 0 0 1 年3 月通车以来，经历了三个寒暑的检验，至今 使用性能良好。 2 3 防水粘结材料技术指标及技术要求 帝8 定适宜的防水粘结材料技术指标十分重要。制定防水粘结材料技术指标时，既要考虑技术指 标与钢桥面铺装防水粘结层实际需要紧密相关，能够正确反映钢桥面铺装对防水粘结材料的要求， 又要使技术指标能够正确全面反映防水粘结材料的性能并通过它可以比选出性能优良的防水粘结 材料。 防水粘结层是为了使钢板和铺装层粘成一体提高合成效果，增加铺装的疲劳抵抗性，以及改善 耐久性而设置的结构层。因此首先防水粘结材料应具备较强的粘结力以及较强的变形适应能力：其 次防水粘结材料应具有良好的相容性，能够与不同化学、物理性质的铺装材料及防腐涂装材料有良 好的相容性；再次防水粘结材料应具有不透水性，能够起到防水层的作用；最后防水粘结层材料应 具备良好的高温性能以及低温性能，而且在一定的温度范围内保持性能稳定。 各钢桥都根据实桥的使用条件提出了相应的技术指标以及技术要求以比选和检验防水粘结材料 的相关性能。技术指标随着防水粘结材料的不同以及实桥使用条件的不同有所不同，但大多是通过 防水粘结材料的针入度、软化点、回弹率、延度、与钢板的粘附力、粘度、抗拉强度等指标来检验 防水粘结材料性能的。 日本的钢桥下层多采用改性沥青混凝土或者浇注式沥青混凝土，上层用的混合料材料一般是改 性沥青混合料。其规范对于防水粘结材料的指标及要求如下表2 - 1 所示。 裹2 _ 1 日本钢桥所用的肪水粘结材料品质要求“” 要求试验方法 指标 不挥发( )5 0 以上 j i sk 6 8 3 3 粘度( 2 5 。c ) ( p a * s )5 ( 0 5 ) 以下 j i sk 6 8 3 3 接触干燥时间 8 5 针人度( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) ( 0 1 m m ) 4 0 3 0 延度( i o 。c ，5 c m m i n ) ( c m ) 5 7 5 3 0 回弹率( 2 5 c ，2 0 c m ，3 0 m i n ) ( ) 9 6 7 8 0 与防水胶粘附力( m p a ) 0 8 0 5 2 0 弯曲9 0 度不断裂 不断裂 表2 - 3 海沧大桥等桥粘结层技术要求。1 指标要求 试验方法 环球法软化点* c 1 0 0 针入度( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) 0 1 m m 3 0j t j 0 5 2 9 3 5 c 扯断伸长率( 5 c m m i n ) ， 2 0 2 5 回弹率， 5 0 j 1 j 0 3 6 9 8 与桥面板粘附力( 2 5 c ) m p a 1 2参照日本本四桥 1 9 0 c 粘度( m m s ) 1 5 0 0a s t m d 2 1 7 0 刁a 南京长江二桥采用双层环氧沥青混凝土铺装结构，其防水粘结材料技术指标及要求如下表2 - 4 所 表2 - 4 南京长江二桥防水粘结层技术要求“1 指标温度 技术要求 极限抗拉强度 2 3 1 5 2 m p a 断裂时的伸长率 2 3 2 0 0 热固性 3 0 0 不熔化 粘度增至1 0 0 0 c p 1 2 1 5 0 分钟 粘结 0 2 7 5 m 【p a 2 5 2 7 5 m p a 强度 6 0 1 7 5 m p a 制适度的防水粘结层技术要求也同样十分重要。对于技术要求最重要的是保证满足钢桥实际使 用性能要求。如果技术要求过低，则会出现满足技术要求的防水粘结材料不满足实际的使用性能要 求，从而导致铺装破坏。部分钢桥就由于制定的防水粘结层粘结强度技术要求过低，无法满足铺装 层与钢板之间粘结强度要求，导致钢板与防水粘结层脱层。当制定的技术要求过高，则会出现满足 实际使用要求的材料不满足技术要求，造成不必要的浪费，甚至是找不到满足技术要求的材料。 广东虎门大桥通车后不久，桥面铺装层即出现了病害，主要是产生了横向推移的热稳定性问题， 轮迹带j ：形成了光面的泛油和车辙问题以及防水胶底部的局部脱层和鼓包问题1 1 2 1 , 由于对虎门大桥 1 0 东南大学硕十学位论文 所处地区的高温气候以及防水粘结层认识不足，制定的技术要求与大桥的实际使用条件有偏差：对 防水粘结材料提出的软化点技术要求为不小于8 5 c ，根据此技术要求选择的粘结材料无法满足虎门 大桥的实际高温条件，通车后不久就产生了横向推移的热稳定性问题。其后厦门海沧大桥等大桥总 结了虎门大桥失败教训，结合铺装实际气候条件，将粘结材料的软化点技术要求提高到不小于1 0 0 。c ， 使问题得到解决。因此在制定技术要求时，一定要充分考虑实际的使用条件，以免出现技术要求不 满足实际使用性能的情况。 2 4 防水粘结材料的试验检验 除了常规沥青以及沥青混合料试验以外，检验防水粘结材料性能的试验主要还包括防水粘结材 料的拉伸试验、剪切试验、拉拔试验、以及抗流动性试验等试验。 2 4 1 拉伸试验 钢桥而铺装在荷载、温度、裂缝等外界因素作用下发生变形，防水粘结层应能够随着上下接触 层协调变形，这就需要防水粘结材料能够有一定的抗拉强度以及一定的变形能力。防水粘结材料的 断裂延伸率和抗拉强度表征着防水粘结材料与铺装以及钢板之间的协调工作能力。 防水粘结材料的拉伸试验用以反映防水粘结材料受拉破坏的应力和应变，测得的主要指标为防 水粘结材料的抗拉强度和破坏时的应变即断裂延伸率。 我国沥青和沥青混合料试验规程中没有拉伸试验的具体要求，南京长江二桥在防水粘结层 研究中进行了此项试验，试验参照a s t m 的标准进行。试验的具体步骤如下： 成型如图2 - 2 所示的哑铃型防水粘结材料试件。然后在拉力试验机上将试件的两端夹住，夹具 以5 0 0 + _ 5 0 m m m i n 的速度匀速分离，直至断裂。测量试件工作部分拉伸到断裂时的负荷和延伸值， 根据下式计算抗拉强度和断裂延伸率。 抗拉强度按下式计算 式中 厂、 l 、 p 0 2 一 s p _ 抗拉强度( p a ) 卜一断裂时的负荷( n ) s 试件的截面积( m 2 ) 圈2 - 2 拉伸试验哑铃型试件 兰三量堕查堑堕墨塑鲨 断裂延伸率按下式计算： l l l 式中：e 断裂延伸率( ) ； l 试件断裂时的标距( m m ) i - 试件初始标距( m m ) 。 2 4 2 剪切试验 桥面铺装剪切破坏分为铺装层材料剪切破坏和防水粘结层剪切破坏两种情况，铺装层材料剪切 破坏体现为铺装表面发生推移、拥包，这和普通路面常见的破坏形式相同，而防水粘结层剪切破坏 却是桥面铺装特有的一种破坏类型。体现为一般桥面铺装发生铺装层与桥面板之间粘结力丧失。究 其原因均是在车辆荷载行驶车辆的冲击、振动等引起的垂直力和水平力的综合作用使结构层内产生 的剪应力超过材料的抗剪强度。对于铺装表面局部的拥包和推移，只是影响到桥面铺装的使用性能， 而防水粘结层的剪切破坏会导致整个铺装层结构失效，因此必须严格控制铺装层剪切破坏。 当重车特别是超载车在桥面减速制动时，施加于铺装层的水平荷载很大，在钢板与防水粘结层 界面产生的剪应力也很大，此时如果防水粘结层界面的抗剪强度不够就会使车轮触地面积周边界面 的沥青混凝土铺装层承受了额外的剪力和拉力，当铺装层承受的总剪力和拉力大于铺装材料所能够 承受的抗剪或抗拉强度时就会产生裂缝“”。为了防止此类裂缝的发生，必须检验防水粘结层的抗剪 切能力，防水粘结层的抗剪切强度是其粘结性能的一项重要技术指标。 测出剪切试件的剪切面积，然后其放入如图2 - 3 所示的剪切试验仪器中，使待检验试件的剪切 面与仪器的剪切面保持在一个平面上。然后施加荷载，直至试件发生剪切破坏。记录破坏时施加的 荷载，根据下面的计算方法计算抗剪切强度。 图2 - 3 剪切试验 当对试件施加荷载p 时，试件受剪切面剪切强度 p s i n a t = 一 s 式中：p _ 一作用荷载( n ) ； 1 2 一一至堕奎堂堡圭堂垡堡苎 s 试件受剪面积( m2 ) ； t 剪切强度f p a ) ； 口一剪切面与水平面的夹角。 由于桥面铺装完全暴露在空气中，夏季钢桥面板的温度要比一般路面更高，冬季钢桥面板的温 度相对要低。所以要求桥面铺装材料特别是防水粘结层材料能够在桥面铺装可能的气候范围内都能 够满足技术要求。因此应检验试件在高温( 7 0 c ) 、低温( 1 5 1 2 ) 和常温( 2 3 c ) 等温度条件下的 的抗剪性能。 不同剪切试验采取的加载速率有所不同，南京长江二桥采用的加载速率为5 0 r a m r a i n ，瑞典的霍 加库斯藤大桥( h i g hc o a r s e ) 采用则是1 0 r a m r a i n 。在i u c 石大桥钢桥面铺装研究中，采取了不同的 加载速率对同种防水粘结材料进行水平剪切试验，发现材料的水平剪切强度随加载速度变化而变化， 当加载速度从l m m m i n 加大到5 0 r a m r a i n 时，其粘结材料承受的剪切强度也从0 7 6 m p a 加大到 32 m p a ，增大4 倍以上”。可见剪切试验的加载速率对于防水粘结材料的抗剪强度是有很大影响的。 由于设备的性能规格所限制，加载速度不能加得很大，但为了尽量模拟汽车快速行驶时的情况，一 般的剪切试验采用5 0 m m m i n 。 剪切试验除了直剪以外，还有6 0 0 斜剪、4 j d o 斜剪以及4 5 。斜剪等劈切方式。斜剪得到在有侧向 压力情况下的剪切强度，更能模拟铺装的受力情况，4 5 。斜剪与汽车一般行车状态下铺装层的受力 模式相近，目前剪切试验多采用此类剪切方式。而4 0 。斜剪试验与刹车情况下铺装层的受力模式相似， 可以检验为最不利情况下的抗剪强度，厦门海沧大桥剪切试验采用的即是4 0 0 斜剪。 2 4 3 拉拔试验 拉拔试验可用于检验防水粘结层与钢桥面板以及防水粘结层与铺装层之间的粘结性能，同时也 能反映铺装层的抗拉性能，因而拉拔试验是钢桥面铺装研究中一项重耍的试验内容。在材料比选阶 段拉拔试验作为材料比选的重要依据之一，同时也是确定防水粘结层的合理撒布量的主要试验之， 在复台粱结构研究阶段拉拔试验作为一项基本评价指标用于检验铺装的粘结性能是否达到了相应的 技术要求。 在钢板j 二成型铺装层，养护一段时间后钻取芯样，再用快凝环氧树脂将一个带有拉杆的圆形钢 板粘贴在芯样的表面，待固化后对拉杆加力，直至破坏。 南京长江二桥采用图2 4 所示试验方式。芯样的半径采用5 0 m m ，以1 0 0 2 0 0 n s 的速率施加 拉力。 笙三里堕查塑堕星塑堕 环氧沥青 2 4 4 高温抗流动性试验 田2 - 4 拉拔试验示意图 为了保证防水粘结材料在高温的情况下能够正常的工作，不至于熔融、软化、流动，需要进行 高温抗流动性试验以检验防水粘结材料的高温稳定性。 抗流动性试验：试件尺寸为2 0 0 r a m x 2 3 0 m r n ，将试件放在具有1 5 倾斜度的支架上，在7 0 c 的环境室中静置1 2 0 h 后测定铺装层与钢板的相对位移量，以此来判断防水粘结层材料的高温抗流动 性能。各国采用的温度条件和时间稍有不同，德国规范中规定抗流动性试验条件即为6 0 下1 0 0 h t 2 ”。 国外采用此类试验较多，瑞典的霍加库斯藤大桥( h i g hc o a r s e ) 等大桥都进行了此试验，国内 较少采用此试验。厦门海沧大桥在进行防水粘结层方案设计时进行了抗流动性试验，在长时间( 1 2 0 h ) 高温( 7 0 ) 下，比选的3 种防水粘结层方案的铺装层与钢板几乎无任何相对滑移现象，试验说明3 种方案都具有良好的抗高温流动性。能够适应海沧大桥气候特性及纵坡达3 5 的使用条件1 2 0 1 0 2 4 5 低温抗裂试验 在寒冷地区，防水粘结材料低温性能的好坏直接关系到钢桥面铺装的耐久性，冬天气温的骤降可 能会使防水粘结材料的抗拉性能降低，收缩变形发生脆裂。为此，防水粘结材料必须满足一定的耐 低温性能。 试验方法：在牛皮纸上分别涂刷防水粘结材料层，在2 5 。c 室温下放置7 d ，剪成2 5 m m x1 2 0 r a m 的柔度试件，每组三条，然后将试件放入已达到规定试验温度的环境箱中冰冻2 h ，于该温度下将试 件绕金属棒2 3 s 内均衡弯曲1 8 0 。，肉眼观察试件有无裂纹。 2 4 6 不透水试验 1 4 东南大学硕士学位论文 防水粘结层的一个主要功能即为防水。因此，在原始状态下要求防水粘结材料必须具备不透水 性能。 在规定面积的牛皮纸一面，均匀涂刷正常用量的粘结材料，在室温下放置实干，将准备好的试 件置于平整板面，使用路面渗水仪检测5 7 c m 水柱下3 0 m i n 后牛皮纸的另一面是否潮湿，注意水的 渗透情况。 2 5 防水粘结层的施工控制 防水粘结剂的洒布是整个钢桥面铺装施工的关键工序之，必须保证严格依照设计正确施工。 在实验室中表现良好性能