（材料学专业论文）水泥混凝土桥面防水粘结层性能研究.pdf

摘要 防水粘结层是桥面铺装的重要组成部分，防水粘结层的设置是保证和提高桥梁使用 性能的有效措施之一。我国目前对防水粘结层的研究尚不完善，施工设计中也存在较大 的盲目性，导致大量的桥面铺装层因防水粘结层设置不当而出现了早期破坏，因此有必 要对其进行深入研究。 本文针对溶剂型粘结剂、水性沥青基涂料和s b s 改性沥青三种代表性涂膜类防水粘 结材料的抗剪性能和抗拉性能进行了系统试验研究。对抗剪性能考虑了防水材料类型、 试验条件、水泥混凝土界面处理、沥青混合料类型和剪切速率等因素的影响，对抗拉性 能考虑了防水材料类型、试验条件和水泥混凝土界面处理等因素的影响。此外还对三种 防水粘结材料的疲劳性能和不透水性能在室内进行了研究。 研究结果表明，防水材料类型、试验条件、水泥混凝土界面处理和沥青混合料类型 四种因素对抗剪性能都有显著影响，且大部分两因素、三因素交互作用对试验结果也有 显著影响。防水材料类型和试验条件对抗拉性能有显著影响，水泥混凝土界面处理及因 素间交互作用对试验结果没有显著影响。防水粘结层剪切疲劳性能研究表明，应力比与 对数疲劳寿命呈线性关系。防水粘结层不透水性能研究表明，成膜厚度是影响不透水性 能的最为重要的因素。综合分析三种防水材料的各项性能后，推荐采用溶剂型粘结剂作 为防水粘结材料。最后结合云南思小高速公路实体工程，对溶剂型粘结剂的施工技术进 行了研究，为防水粘结层的施工质量控制提供了依据。 关键词：水泥混凝土桥面、防水粘结层、粘结性能、剪切试验、拉拔试验、剪切疲劳、 不透水性能、施工技术 a b s t r a c t t h ew a t e r p r o o f i n ga n db o n d i n gl a y e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fb r i d g ed e c kp a v e m e n t i ti s a ne f f e c t i v em e a s u r ef o re n s u r i n ga n di m p r o v i n gt h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fb r i d g e st os e t w a t e r p r o o f i n ga n db o n d i n gl a y e r n o w a d a y si nc h i n a ，t h es t u d yo nt h i st o p i ci sf a u l t y , a n di t r e s u l t si nac o n s i d e r a b l eb l i n d n e s si nt h es t a g e so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n m a n yb r i d g e d e c k sh a v ed 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 f i n ga n db o n d i n gl a y e r ，s oi ti s n e c e s s a r yt om a k em o r es t u d yo ni t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h et h r e er e p r e s e n t a t i v et y p e so fw a t e r p r o o f i n ga n db o n d i n g m a t e r i a l s ，s u c ha ss o l v e n tb i n d e r , w a t e ra s p h a l t i cp a i n ta n ds b sm o d i f i e da s p h a l t ，ag e n e r a l t e s tp r o g r a ma b o u ts h e a ra n dt e n s i l es t r e n g t hw a sm a d e f o rs h e a rs t r e n g t h s ，i tc o n s i d e r e df i v e d i f f e r e n tf a c t o r s ，s u c ha st y p eo fm a t e r i a l ，t e s tc o n d i t i o n ，c o n c r e t ed e c ks u r f a c et r e a t m e n t ，m i x t y p ea n ds h e a rr a t i o f o rt e n s i l es t r e n g t h s ，i tc o n s i d e r e dt h r e ed i f f e r e n tf a c t o r s ，s u c ha st y p eo f m a t e r i a l ，t e s tc o n d i t i o na n dc o n c r e t ed e c ks u r f a c et r e a t m e n t a l s o ，t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c e a n dw a t e r p r o o fp e r f o r m a n c eo f w a t e r p r o o f i n ga n db o n d i n gl a y e r sw e r es t u d i e di nl a b o r a t o r y b a s e do nt e s tr e s u l t s ，t h ef o u rm a i nf a c t o r sa n dm o s to ft w o w a yi n t e r a c t i o n sa n d t h r e e w a yi n t e r a c t i o n sw e r es i g n i f i c a n tt os h e a rs t r e n g t h s t y p eo fm a t e r i a la n d t e s tc o n d i t i o n w e r es i g n i f i c a n tt ot e n s i l e rs t r e n g t h s ，b u tc o n c r e t ed e c ks u r f a c et r e a t m e n ta n df a c t o r i n t e r a c t i o n sw e r en o ts i g n i f i c a n t t h es t u d yo ff a t i g u ep e r f o r m a n c ei n d i c a t e dt h el i n e a r r e l a t i o no fs t r e s sr a t i oa n dl o gf a t i g u el i f e ，a n dt h es t u d yo fw a t e r p r o o fp e r f o r m a n c ei n d i c a t e d t h a tt h et h i c k n e s so fm e m b r a n ew a st h em o s ti m p o r t m e n tf a c t o r b a s e do nt h eg e n e r a la n a l y s i s ， s o l v e n tb i n d e rw a ss u g g e s t e dt ob eu s e di nt h ee n g i n e e r i n gp r o je c t a l s o ，t h ep a p e rs t u d i e d t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fs o l v e n tb i n d e ra n di n t r o d u c e dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o r r e a l - t i m ec o n t r o la n dt oe n s u r et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y k e y w o r d s ：c o n c r e t ed e c k ，w a t e r p r o o f i n ga n db o n d i n gl a y e r ，b o n d i n gp e r f o r m a n c e ， s h e a rt e s t ，t e n s i l et e s t ，s h e a rf a t i g u e ，w a t e r p r o o fp e r f o r m a n c e ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 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： 张张 埘年占月p e l 论文知识产权权属声明 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： 专长柏力汐缉z 月产e t 别雅轹1 一脚吼叫日 长安人学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 桥面铺装是为了防止车辆轮胎直接接触行车道板，减小车辆荷载对行车道板的剪切 应力，保护桥面板不受雨、雪等外来因素影响而设立的桥面结构层。铺装层不仅直接承 受行车荷载，还起分布车轮集中荷载的作用，与桥面板一起参与受力，同时又起到联结 各主梁达到共同受力的目的，既是桥面的保护层又是桥面的受力结构层【l 】。防水粘结层 是桥面铺装重要的组成部分，若防水粘结层设置不当，雨水会沿着缝隙渗入桥面板，影 响桥面板与铺装层的粘结，在荷载作用下铺装层容易发生脱离，同时雨水的渗入也加快 了桥面板钢筋的锈蚀，结果影响桥梁的使用功能，改变了桥梁的受力状态，甚至降低桥 梁的使用寿命。 近年来，随着我国经济的迅猛发展，车辆数量猛增，车辆日趋大型化、重型化，车 速明显提高，使桥梁经受的荷载等级、冲击力不断加大。在运营过程中，桥面铺装层的 破坏已成为桥梁早期主要病害之一，维修周期越来越短，严重影响了高速公路的行车舒 适性，并成为诱发交通事故的主要原因之一。 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装主要存在以下病害： 1 、开裂 开裂是桥面铺装层中较为常见的病害，裂缝形式多种多样，如横向裂缝、纵向裂 缝( 图1 1 ) 、龟裂、网裂( 图1 2 ) 等。两梁端相邻的接头处是薄弱环节，又位于盖梁 上，处于负弯矩区，在车辆作用下较容易出现横向裂缝。在相邻两片梁之间的铰接缝处 由于箱梁腹板的加劲作用也经常出现应力集中，造成铺装层出现纵向裂缝，当铰接处出 现松动，该处的铺装层将出现严重的纵向裂缝【2 1 。龟裂、网裂是铺装层破坏较为严重的 情况之一，可导致桥面坑槽的出现。 开裂的主要原因，一方面是施工中结构缝处理不当，留下隐患，在车辆荷载的作 用下导致铺装层的损坏。如果铺装层下的结构缝处首先出现裂缝，在车辆荷载的反复作 用下，沥青混凝土铺装层中产生反射裂缝；另一方面由于桥面系中加劲部件的作用，在 铺装层中出现负弯矩区，导致铺装层中局部应力集中，在车辆荷载作用下出现疲劳裂缝。 2 、表面变形 表面变形是指沥青混凝土在高温时流动变形而导致的在车轮带出现的车辙及其附 第一章绪论 近的推移。表面变形是高等级公路渠化交通的主要早期损坏形式之一。 产生这类病害的外因主要有气温过高、车辆超载严重以及山区公路纵坡较大等。温 度越高，沥青混合料的劲度模量越低，抗变形能力就越差，因而容易出现车辙、推移等 病害，如图13 所示。此外，桥面铺装大量车辙、推移现象发生在大纵坡、弯坡桥面上， 这是因为我国许多载重车辆超载严重，上坡时车速较低。在下坡段，超重车辆踩着刹车， 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。 图1 3 推移和车辙 睦安大学硬上学位论文 表面变形病害的内因主要是用于层间结合的防水粘结体系性能欠佳以及铺装层高 温稳定性不足。防水粘结层采用的材料多为乳化沥青类材料，该类材料具备一定的封水 能力，但是在常温下与水泥混凝土板的粘结强度一般不超过03 m p a 而与沥青混凝土 的粘结强度在02 m p a 左右，而且该类材料随着温度的升高粘结强度大幅度降低，从而 导致桥面铺装层的推移和脱层。 3 、水损害现象 潮湿多雨地区的桥面铺装层与沥青路面一样，在雨季也会出现严重的水损害现象， 如铺装层松散，车辆带走松散脱落的矿料形成坑槽如图1 0 所示。桥面铺装层出现松 散、坑槽等水损害现象的主要原因是铺装层的密实及防水性不足，沥青混合料的抗水损 害能力较差等。 调查发现，水是导致沥青铺装层损坏尤其是早期损坏的主要原因之一。一方面，由 于空隙率过大或铺装层开裂导致水分渗入到沥青面层及水泥混凝土桥面与沥青面层的 界面之间，在行车荷载及温度变化下产生水损害，从而出现唧浆、剥落、松散、坑洞等 病害；另方面，由于空隙水产生的动水压力降低了界面间的粘结强度，造成沥青层出 现脱落、起皮等现象，从而使铺装层失去强度和防水能力。图15 中沥青铺装层已经脱 落，露出水泥混凝土桥面板。产生该类病害的主要原因是水泥凝土桥面板和铺装层层问 粘结力不足，桥面板和铺装层不能成为一个整体，在行车荷载作用下，沥青混合料铺装 层逐渐脱落。 图l - 4 桥面坑槽 陵 4 、桥面板损坏 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，在桥梁的使 用过程中，混凝土早期产生的裂缝会随着车辆荷载的反复冲击逐渐扩展。如果没有完善 第一常结论 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流入混凝土中，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，从而导致混凝土结构从内部胀裂，甚至破坏。如图16 所示。 此外，雨水进入裂缝后导致钢筋锈蚀，引起整个桥梁结构受力状杏的变化，因此， 一旦桥面铺装层出现水损害，如果没有设置完善的桥面防水系统，可能引起桥梁结构的 破坏。 图16 边粱及桥面板下的白色析出物 从上述水泥混凝土桥面铺装的损坏类型来看，导致桥面铺装损坏的原因是多方面 的，贯穿于设计、材料选择、施工、使用和养护等各个环节。桥面铺装层设计不合理、 施工工艺和旌工组织不到位、超载超重车辆通行、养护不及时、部分技术规范滞后等都 是造成其损坏的原因。 12 设置防水粘结层的必要性 上述桥面铺装常见病害中，推移、拥包、铺装层脱落、水损害和桥面板损坏等主要 是由于铺装层与桥面板粘结性能差及桥面防水性不足引起的，其它病害也可能与防水粘 结性能有关。桥面铺装层与桥面板间粘结力不足导致层间抗水平剪切力小，容易在水平 方向上产生相对位移发生剪切破坏，从而产生推移、拥包等病害，通车后车轮的剧烈冲 击和荷载的作用还易使桥面出现松散、脱落等病害。防水粘结层的设置可将桥面板和沥 青铺装层粘结成一个整体，改善各层的受力情况，提高层间抗剪性能口】。 通常桥梁防水系统由刚性防水( 混凝土本身的自防水) 和桥面防水层两部分组成。 刚性防水材料常见的有水泥基或有机硅渗透结晶型防水材料，与水作用后材料中含有的 活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体填塞毛细 孔道，从而使混凝土致密、防水。一般来说，无论桥面混凝土旅工质量如何好，均不能 完全保证不开裂，水泥混凝土干燥收缩或空隙水冻结膨胀使水泥混凝土中裂缝增加，融 长安人学硕士学位论文 雪剂或雨水进入裂缝后导致钢筋锈蚀和碱集料反应，钢筋锈蚀后体积膨胀，使裂缝进一 步增加，导致水泥混凝土脱落及铺装层剥落，同时钢筋锈蚀导致钢筋有效截面积减小， 降低桥梁承载能力，严重影响桥梁使用寿命。设置防水层后，可防止雨水和融雪剂进入 桥面板，减少或防止这种现象的发生，因此桥面防水层的设置尤为重要。 1 3 防水粘结层性能要求 防水层不仅要将混凝土梁上的毛细孔隙和细小裂缝完全封闭，还要阻隔水分自上而 下从铺装层渗入到水泥混凝土桥梁中。同时，防水层还要具有较好的粘结性能，下面能 牢固地与水泥混凝土面板粘结，上面能很好地与沥青混凝土粘结，否则防水层就会成为 一个抗剪性能差的薄弱夹层，导致桥面铺装层拥包、滑移等病害的出现。 作为桥面铺装的一部分，防水层应具有以下工作性能： a 、良好的粘结性能，防水层应与水泥混凝土桥面板和沥青混合料铺装层之间有足 够的粘结力； b 、不透水性能，防水层应做到完全不透水； c 、抗冲击性能，防水材料在桥面应具有抵抗车辆等产生的振动、冲击的柔韧性； d 、耐高、低温性能，公路桥面的防水层不仅要适应热铺沥青混合料1 8 0 左右的高 温，同时还必须满足低温柔度的要求，此外还要满足碾压铺装沥青混合料施工 的无破损要求； e 、抗老化性能，要求其抗拉强度；延伸率不低于桥面设计寿命的耐老化能力； f 、抗疲劳性能，在车辆荷载的反复作用下，桥面防水层应具有良好的抗疲劳能力； g 、抗桥面裂缝性能，在车辆等荷载反复作用下，桥面的防水层要具有良好的抗裂 缝能力； h 、抗冻融性能，桥面防水层应具有满足冬季严寒低温下的抗冻融破坏能力； i 、良好的适用性能，防水层在桥梁现场施工时应具有方便、简单、快捷等特点。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 国外研究概况 桥面防水层的应用在国外已经历了较长时间的探索和研究。2 0 世纪2 0 年代，丹麦 开始在混凝土桥面采用较为原始的防水层，4 0 、5 0 年代，伴随着发达国家大规模的公路 建设，防水层逐步得到应用，6 0 年代出现了防水系统的概念。美国于6 0 年代认识到桥 5 第一章绪论 面腐蚀的严重性，随后防水层开始广泛应用于桥面铺装，英国于1 9 6 5 年开始强制在混 凝土桥面设置防水系统【4 】。 1 9 7 2 年7 月经合组织十四个国家联合就“混凝土桥面防水 发表了一份研究报剖习， 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( 柔性防水材料敷设于桥面板形成不透水层统称为防水膜) 进行了系统的 研究，提出了一些检测防水材料的具体标准。 英国t r r l 于八十年代末九十年代初开展了一项庞大而系统的研究计划，是迄今 为止规模最大、手段最现代化的研究【6 1 。t r r l 的试验方法分为材料性能、抵抗施工损 伤性能和长期的吸水性三部分，这样的分类充分考虑了桥面防水材料的施工和使用环境 特征，具有合理性。整套试验方法不仅评价了材料的外观质量、力学性能和施工难易性 等一些短期指标，而且还针对系统长期的防水性能和稳定性作了一定研究，对各项长期 指标都给出了详细的评价方法。在每项指标的试验中都涵盖了防水材料使用阶段温度的 变化范围，通过试验可以描述出材料性能随外界环境变化的规律。 t r r l 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检测和研究，认为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，涂膜类防水层的厚度不 宜小于2 0 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。在t r r l 整个性能试验方法研究中，缺乏 对防水材料路用性能方面的系统研究，只考虑了材料高温和抗施工损伤性能，忽略了对 防水层层间稳定性的研究【7 ，钔。 7 0 年代中期，美国n c h r p 对北美的大多数防水系统进行了充分的研究，它的研 究成果至今对美国的防水系统产品和应用仍有重要影响，n c h r p l 6 5 报告对材料性能试 验大部分是作为研究而提出的，据此制订的标准只是提出了具体材料的要求而没有提出 相应的性能指标标准【9 1 。最新的防水材料试验标准是9 0 年代a s t m 编制的防水材料试 验标准。a s t m 的试验标准是分别针对材料的某些性能评价而设计的，在每项性能试验 中都提供了准确的试验条件和试验尺寸，对试件的制备过程作了详细的描述，每项试验 都有相应的试验设备，关于设备的要求规程也作了详细的说明，并针对不同指标分别给 出数据的处理方法和评价数据有效性的依据。 9 0 年代，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，n c h r p 6 长安人学硕士学位论文 也于1 9 9 5 年对混凝土桥面防水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【6 l 。 美国的r m a r t i n e l l i 曾对桥面防水层破坏形式、气温和沥青混凝土施工温度、桥面 准备状况等对防水层与桥面的粘结力的影响进行研究，认为当沥青混凝土层厚度大于 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【1 0 】。 美国的c c a r r 和b v a l l e r g a 1 1 】在广泛调查的基础上结合室内实验对桥面防水 层进行了系统的研究后发现，不设置任何保护层的防水层在施工后其防水性能会有大幅 度的下降，因此建议在防水层上加铺保护层，并在实验室对防水材料进行不透水性和抗 冲击性试验。 瑞士的k o i c h i 和m a n n e d 1 2 1 研究了表面平整度、混凝土含水量、防水层铺设方式、 底涂层等不同参数对防水层与桥面混凝土粘结力的影响，并采用了一些新的性能试验用 于判断防水薄膜与沥青混凝土的粘结力，如抗压试验和气泡生成模拟试验等。 世界各国对防水层都十分重视，但侧重点各有不同。例如荷兰注重桥面混凝土面层 的修建及质量，日本则有选择性地应用防水层，德国则更重视防水体系的完善和铺装结 构组合特别是防水层的结构形式的多样性【1 3 1 。 1 4 2 国内研究概况 国内是在2 0 世纪8 0 年代初开始认识到钢筋腐蚀的严重性和桥面防水粘结层的重要 性，并陆续在北京、天津等地铺设柔性防水粘结层，主要以乳化沥青或热融沥青为防水 粘结层，辅以密级配沥青混凝土，以此构成桥面防水系统。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 使用的产品也大都为屋面防水而生产。桥面防水比屋面防水要求的条件要苛刻得多，除 要求防水粘结材料具有不透水、耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐老化、与上下接触层粘结 良好外，更重要的是能承受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。实践证明，此类防水系统起不到对 桥梁结构的防水保护作用。 9 0 年代中后期，各地开始发展改性沥青及改性乳化沥青，并开始研究和尝试性应用 防水卷材及其他高分子液体防水材料作为防水层。1 9 9 4 年，北京市政研究总院针对北京 市立交桥的桥面渗漏问题作了初步研究，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、盘锦禹王牌防水卷材、北京奥克兰防水卷材和h j 型聚氨酯防水涂料。 7 第一章绪论 研究发现卷材类防水材料虽然具有铺装快、施工简单等特点，但是施工质量难以控制， 大面积推广较为困难；而涂膜类材料的总体防水效果强于卷材类材料，但是施工过程中 难免遭到破坏，因此推荐其上加铺保护层【1 4 】。1 9 9 8 年，东南大学交通学院路面排水课 题组就柔性喷涂型防水材料的选择及应用技术进行了初步论证，同时开发了一些试验设 备，并对国内已有材料进行筛选，初步提出防水材料性能指标要求及试验检测方法。 2 0 0 0 年，长安大学公路学院课题组在1 0 7 国道郑州市跨机场高速公路高架桥，以自 粘卷材、s e r v i d e k s e r v i p a k 涂膜系统、热熔性a p p 改性沥青防水卷材和水乳型氯丁胶乳 沥青防水涂料等四种国内外防水材料为基础，对防水材料进行了比较系统的试验，为水 泥混凝土桥面防水粘结系统工程设计、施工提供了一定的依据【l5 1 。该课题组借鉴国外经 验研发了专门用于桥面防水层现场检测的试验仪器，主要包括剪切仪、拉拔仪、9 0 0 剥 离仪和防水材料不透水仪等，并结合实体工程对现场检测指标进行分析。此外，他们结 合室内试验对防水材料的高低温性能、拉伸与延伸性能、粘结性能、不透水性能、吸水 性能、抗冻性能、耐老化性能及疲劳性能进行研究，探讨和确定了相关性能指标；通过 不透水试验、抗热集料刺破试验、模拟轮碾和车辙试验，对常见防水材料的抗施工损伤 性能进行对比和评价，提出了相应的试验方法和评价指标；通过铺装层间直剪试验和拉 拔试验，研究了不同条件下层问抗剪强度和粘结强度的变化规律与关系，分析了材料类 型、用量、垂直压力、剪切速率、环境温度等对层间稳定性的影响规律【l 2 1 。 2 0 0 2 年，东南大学交通学院在滨博高速公路上对北京禹王等专用粘结剂进行了桥面 防水试验研究，通过室内试验对防水材料的基本性能和剪切、粘结性能进行研究，并对 各项指标进行了探讨。此外还对防水粘结层的施工工艺进行了研究，为质量控制提供依 据1 2 】。此后，交通学院在2 0 5 国道宾州黄河大桥项目对f y t 防水材料、s b s 改性沥青和 环氧改性沥青进行防水试验研究。课题组采用4 0 。斜面剪切试验，以模拟刹车时粘结层 的受力情况。 近几年，一些高校及科研院所对防水粘结材料的路用性能进行了进一步的研究和探 讨。沥青路面设计规范( j t g d 5 0 一2 0 0 4 ) 规定：为提高桥面使用年限，应在桥面铺装 层上设置防水层，桥面防水层可采用下列形式：为避免防水层在施工过程中被损坏和减 少雨雪渗入水泥混凝土铺装层，宜铺设厚度为1 0 - 一2 0 m m 的砂粒式或细粒式沥青混凝 土，或单层式沥青表面处治；铺设防水粘结层，一般洒布改性沥青1 1 6 k g m 2 ，再洒 4 7 5 9 5m l r l 单粒径预拌沥青碎石，用量3 5k g m 2 ，碾压稳定成型；防水层与粘结层可 合二为一形成防水粘结涂层，再喷洒桥面专用防水涂料或涂刷聚氨酯胶泥、环氧树脂、 8 长安大学硕士学位论文 阳离子乳化沥青、氯丁胶乳等高分子聚合物涂胶。 我国已发布的路桥防水粘结材料行业标准有路桥用水性沥青基防水涂料 ( j t t 5 3 5 2 0 0 4 ) 、道桥用改性沥青防水卷材( j c t 9 7 4 2 0 0 5 ) 、道桥用防水涂料 ( j c t 9 7 5 2 0 0 5 ) ，但这些标准中只有部分防水材料的技术要求和检测方法，没有关于 防水粘结层的设计、施工方面的内容，防水材料试验操作方法和性能评价指标还不完善。 总之，目前国内已明确桥面铺装必须由防水粘结层和面层组成，但对桥面防水粘结 层的研究还不成熟，桥面防水粘结材料和施工工艺主要参照房屋建筑防水工程，尚未建 立一套完善的性能指标和试验方法。我国高等级公路建设日益发展，对防水粘结材料的 研究亟需加强和完善。 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究下面三个方面的内容： 1 、针对桥面防水粘结层的性能要求、破坏特征和工程使用现状，选用溶剂型粘结 剂、水性沥青基涂料和s b s 改性沥青三种防水粘结材料进行技术性质试验研究，并对试 验方法及指标参数进行探讨。 2 、路用性能是防水粘结材料的重要性能，路用性能的好坏直接关系着防水粘结层 能否满足桥面使用要求。在室内模拟不同外部条件，通过对三种防水粘结材料的粘结性 能、疲劳性能和不透水性能等进行试验研究，分析比较后为工程技术人员合理选择防水 粘结材料提供依据。 3 、在大量试验研究的基础上，结合实体工程的铺筑，总结分析了防水粘结层的施 工技术及病害防治措施，以实时进行施工控制，确保防水粘结层的施工质量。 9 第二章原材料技术性质及防水粘结层最佳用量确定 第二章原材料技术性质及防水粘结层最佳用量确定 2 1 防水材料组成及特点分析 目前国内的防水材料以柔性材料为主，主要有路桥专用防水卷材、防水涂料、防水 密封材料等。防水卷材耐高温性、抗渗性、耐老化性、抗刺破性优于防水涂料，但卷材 在施工时易起鼓，引起路面滑移；而防水涂料具有施工简便、造价低、对路面平整度要 求不高、粘结性好等特点。根据国内目前水泥混凝土桥面防水粘结层的应用情况和发展 方向，本文选择了g s - i 型溶剂型粘结剂、水性沥青基防水粘结涂料和s b s 改性沥青三 种涂膜类材料作为防水粘结材料进行研究。 2 1 1 溶剂型粘结剂的组成及特点 溶剂型粘结剂是沥青与多种高分子树脂、胶粘剂及助剂经特殊工艺溶解于特定的溶 剂中而形成的一种低粘度、高强度的单组分溶液。主要用于复合式桥面铺装，如水泥混 凝土桥面板与沥青混凝土之间的防水和粘结，也可用于隧道路面及其他复合式路面铺装 层间的防水和粘结【16 1 。 当低粘度的溶剂型粘结剂喷涂到处理后的水泥混凝土桥面时，材料迅速渗透到水泥 混凝土表层2 5 m m 深度范围内的微孔中，并完成固化，形成与水泥混凝土相互贯穿的 致密结构，从而实现溶剂型粘结剂与水泥混凝土基面之间的有效粘结，同时起到良好的 防水作用。由于溶剂型粘结剂属高分子热塑性材料，与同为高分子材料的道路沥青有着 较好的相似相容性，面层施工时，在热拌沥青混合料的热作用和压路机的碾压作用下， 溶剂型粘结剂薄膜部分溶化，与热拌沥青混合料融为一体。随着温度逐渐降低，溶剂型 粘结剂与沥青混合料一起发生第二次固化，从而实现与沥青铺装层之间的有效粘结。 溶剂型粘结剂的主要特点有：粘度低、渗透力强，可有效渗入水泥混凝土微孔形 成致密的防水层，不仅能有效保护桥梁结构，而且能形成较高的强度；涂膜柔韧性好， 对基层收缩和变形开裂具有较强的追从性；涂膜强度高，不仅与水泥混凝土的粘结强 度高，而且铺装沥青混合料之后的组合结构的层间抗剪性能及粘结性能优良；常温施 工，施工工艺简便。 2 1 2 水性沥青基涂料的组成及特点 水性沥青基涂料是以优质进口沥青为基料，采用高分子聚合物橡胶树脂改性的阳离 子水乳型桥面防水涂料，属改性乳化沥青类材料。改性沥青乳化后突出的特征是常温可 1 0 长安大学硕十学位论文 流动性，改善了改性沥青的使用性能，具有节约能源和资源、减少环境污染、改善施工 条件等优点。水性沥青基涂料既保留了乳化沥青的特性，又具有改性材料的优点，有较 好的路用性能，可用作桥面防水粘结层、半刚性路面基层的透层油，也可用于稀浆封层、 表面处治等。 水性沥青基涂料通过水分蒸发，经过固体微粒接近、接触、变形等过程而成膜，可 在稍为潮湿的基层上施工。聚合物乳液成膜过程主要分为三个阶段：首先聚合物乳液中 的水分挥发，乳胶颗粒相互靠近而达到密集的充填状态，水和水溶性物质充满在乳胶颗 粒的空隙之间；随着水分继续不断地挥发，聚合物颗粒表面吸附的保护层被破坏，直至 颗粒间的界面消失；最后，水分继续挥发，直至压力达到能使每个乳胶颗粒中的分子链 扩散到另一颗粒分子链中时，乳胶颗粒中聚合物链段开始不断相互扩散，逐渐形成连续 均匀的乳胶涂膜1 7 】。水性沥青基涂料作为防水粘结材料的作用机理与溶剂型粘结剂类 似。 水性沥青基涂料的主要特点有：较好的耐热和稳定性能，在设定的沥青混合料摊 铺温度下其组成成分与性能不会发生变化；在低温条件下仍具有较好的柔韧性；具 有较好的粘结性能，可将沥青混凝土与水泥混凝土粘结成统一整体；具有较高的抗拉 强度和抗变形能力，能承受荷载冲击及结构变形；常温下喷涂施工，施工工艺简单， 工期短。 2 1 3s b s 改性沥青的组成及特点 s b s 改性沥青在实验室制各，改性剂为岳阳石化生产的s b s 线型改性剂，用量为 5 ，基质沥青为埃索a - 7 0 型沥青。s b s 是苯乙烯一丁二烯一苯乙烯的嵌段共聚物，属热 塑性弹性体，兼具橡胶和塑料的特性，具有弹性好、抗拉强度高、低温变形性能好等优 点。将s b s 改性剂加入热沥青中，在一定的温度和机械剪切力作用下，改性剂与沥青形 成均匀混合体，该混合体为s b s 改性沥青。 改性沥青的性能是聚合物改性剂、沥青性质及它们相互作用的综合结果。s b s 改性 剂与沥青混合后，除保持原有沥青防水的可靠性外，还大大改善了沥青的低温脆性和高 温稳定性，具有了橡胶的弹性、柔韧性、延展性及粘附性等特征1 8 】。 与普通沥青相比，s b s 改性沥青提高了防水层的高温抗剪强度，改善了防水层的低 温抗裂性与延缓反射裂缝上升的能力。在防水层上撒布单一粒径的碎石，与其他防水层 形式相比，在上层沥青混凝土施工过程中经过高温碾压，使s b s 改性沥青上浮，将“白 第二章原材料技术性质及防水粘结层最佳用量确定 碎石”变成“黑碎石与上层沥青混凝土融为一体，消除了面层与防水层之间的软弱夹 层，进一步提高了面层的整体强度1 9 ，2 0 1 。 s b s 改性沥青防水层的主要特点有【1 9 】：使上覆沥青混凝土的下部形成富沥青层， 同时其下部还有一层薄沥青膜；富沥青层与薄沥青膜共同形成防水粘结层，防水效果好； s b s 改性沥青的弹性恢复好，可显著减轻下层或上层裂缝对其的破坏作用；能起到 应力吸收层的作用，可延缓桥面板收缩开裂所引起的反射裂缝；可采用机械化施工， 施工速度快，质量易控制； s b s 改性沥青防水层与其上沥青面层形成一个整体，不会 出现软弱夹层；采用改性沥青不会产生泛油问题。 2 2 防水材料基本性能检测 作为桥面防水材料，首先在桥面所可能遇到的各种情况下都应该是不透水的，其次 应具有优良的物理力学性能，使整个桥面系统在自然环境中、在各种行车荷载作用下保 持良好的整体性，不至于因为车辆的水平剪切力造成层间滑移，引起桥面拥包、坑槽、 “两张皮 等病害。而防水材料要在道路使用年限内发挥良好的防水粘结作用，材料本 身应满足一定的要求。 根据中华人民共和国建材行业标准道桥用防水涂料( j c t 9 7 5 2 0 0 5 ) ，检测溶剂 型粘结剂和水性沥青基涂料的外观、固体含量及干燥时间等l o 项技术指标【2 l 】。下述标 准试验条件是指：温度为( 2 3 4 - 2 ) ，相对湿度为4 5 0 6 7 0 。 1 、固体含量 防水材料的主要成膜物质为材料中的固体，固体含量与成膜厚度有直接关系，而成 膜厚度关系到桥面的粘结性能和防水性能，因此防水材料的固体含量不能太低。此外， 施工时也可通过固体含量确定防水材料的实际用量，便于施工控制。在喷涂防水材料前 可在桥面铺一层已称量重量的土工垫子，喷涂完成后取出垫子干燥至恒重，根据材料的 固体含量可反算出材料的实际用量与目标用量的差别。 ( 1 ) 试验方法 取3 9 + 0 5 9 样品倒入已干燥称量的培养皿( 眦) 中刮平，立即称量( m 1 ) ，然后在 标准试验条件下放置2 4 h ，再放入1 0 5 c 2 电热鼓风干燥箱中，恒温3 h ，取出放入干 燥器中，在2 3 * ( 24 - 2 c 冷却2 h ，称量( m 2 ) 。 ( 2 ) 试验结果 按下式计算结果： 1 2 长安大学硕士学位论文 式中：x 一固体含量( ) ； x ：t 里! 二竺! 1 0 0 m l m o m o _ 培养皿的质量，( g ) ； m l 一干燥前试样和培养皿的质量，( g ) ； m 厂干燥后试样和培养皿的质量，( g ) 。 表2 1 固体含量试验结果 汰 溶剂型粘结剂( )水性沥青基涂料( ) 试验组数 第一组5 04 8 第二组4 8 4 8 均值4 94 8 ( 2 1 ) 2 、干燥时间 涂料成膜是涂覆在基材表面的涂料由液态( 或粉末状态) 转化成为无固定形态薄膜 的过程，这一过程也被称为涂料的固化或干燥。涂料成膜是一个相当复杂的物理或物理 化学过程，按成膜机理的不同，一般可分为溶剂挥发成膜、热溶成膜、化学成膜、乳胶 凝液成膜等几种方式，而对于不同的涂料体系，由于其组成及成膜物质结构各不相同， 其成膜方式可能是单一的，也可能是上述几种成膜方式的综合体现【1 7 】。 对溶剂型涂料而言，当涂料涂覆在基材上后，随着溶剂的挥发，聚合物分子浓度逐 渐增大，分子逐步靠近，最后聚合物分子紧密堆积，从而形成一层均匀连续的涂膜。水 性涂料的成膜过程与溶剂型涂料相比有很大的不同，水性涂料在成膜的同时伴随着水分 的蒸发，且水分蒸发速度会影响聚合物离子的聚结和融合【1 7 】。 防水涂料的干燥时间对施工有一定的影响，一方面是不利于施工控制，车辆行人的 通行易破坏防水粘结层，导致局部防水粘结性能丧失；另一方面可能出现涂膜干燥不充 分的情况，未完全干燥时涂膜硬度不足，面层施工时易被刺破，失去防水的作用，同时 粘结强度也会降低。 ( 1 ) 试验方法 按照建筑防水涂料试验方法( g b t1 6 7 7 7 1 9 9 7 ) 中测定表干时间的方法进行， 防水材料用量为o 5 k g m 2 。 在标准条件下将试样搅匀后涂刷在铝板上，不允许有空白，记录涂刷结束的时间。 经过若干时间后，在距膜面边缘不小于1 0 m m 的范围以手指轻触涂膜表面如感到有些发 1 3 第二章原材料技术性质及防水粘结层最佳用量确定 黏，但无涂料黏在手指上，即为表干，记录时间，该时间则为表干时间。试样表干后， 用单面保险刀片切割涂膜，若底层及膜内均无黏着现象，则认为实干，记下涂膜达到实 干所用的时间，即为实干时间。各做三组平行试验，取均值作为试验结果。 ( 2 ) 试验结果 表2 2 涂膜干燥时间试验结果 二摹芝 溶剂型粘结剂 水性沥青基涂料 试验组数表干时间( h )实干时间( h ) 表干时间( h ) 实干时间( h ) 第一组3 67 82 77 1 第二组3 47 92 7 7 3 篦_ ：绸 3 57 82 87 2 均值3 57 82 77 2 3 、耐热度 通过温度环境分析可知，在桥面防水材料的施工和使用过程中有两种热环境对材料 最为不利，一种是在沥青层铺筑之前，由于太阳直射，致使防水材料自身温度升高，此 时各种施工机械或尖锐物体的作用会使材料产生明显的变形，施工人员在防水层上行走 时感到粘鞋甚至会将防水层带起，此时防水层的温度称之为发粘温度；另一种是在沥青 铺装层施工过程中受到热混合料的冲击作用，材料在瞬间获得大量的热能，使得材料温 度骤然升高，沥青类材料长时间处于软化状态，甚至有些材料会出现流淌、变形的现象， 此时防水层的温度称之为流淌温度。防水层的耐热性能或耐热度是检验防水材料在不同 阶段经受最不利高温的能力，属于感温性指标。耐热度的评价主要指沥青混合料碾压作 业中要求防水层适度的变软、发粘或轻微的流淌以利于提高面层与防水之间的粘结力， 同时又要防止过度的发软和流淌以避免热集料刺破防水层。 在面层沥青混合料施工阶段，防水层的软化或适度流淌与使用阶段的粘结力有重要 关系，而防水层的最低流淌温度与材料种类、施工方法、摊铺温度、防水层顶峰温度及 持续时间等有关，防水层与桥面的粘结力主要依靠防水涂膜提供，若在面层施工中防水 层发生流淌则会降低其与桥面的粘结力。防水层在面层施工阶段的顶峰温度及持续时间 可以较好地反映防水材料面层施工及防水层使用性能的联系。为此，在考察防水材料和 防水层高温性能时，以防水层在面层施工阶段的顶峰温度及持续时间作参考，进行耐热 度试验。 ( 1 ) 试验方法 取表面已用溶剂清洁干净的铝板，将样品搅匀后分次满涂在铝板上，每次涂抹后将 1 4 长安大学硕士学位论文 试件水平放置于干燥箱内，于4 0 c 2 下干燥4 6 h ，最后一道涂层应在干燥箱中于 4 0 。c 2 下干燥2 4 3 0 h ，每一样品制备三个试件。然后将试件悬挂在已调节到1 4 0 。c 的电热鼓风干燥箱内，试件与电热鼓风干燥箱内壁间的距离不小于5 0 m m ，试件的中心 与温度计的探头在同一位置，在规定的温度下放置2 h 后取出观察。 ( 2 ) 试验结果 表2 3 耐热度试验结果 二淡 溶剂型粘结剂水性沥青基涂料 试验组数 第一组无流淌、滑动、滴落无流淌、滑动、滴落 第- 二组无流淌、滑动、滴落无流淌、滑动、滴落 笔= 织 无流淌、滑动、滴落无流淌、滑动、滴落 4 、不透水性 对屋面防水而言，防水材料的不透水性是表示其在原始状态承受水压能力的技术指 标，以一定压力下不渗水为合格，一般要求耐水压o 1 o 3 m p a ，保持不渗水时间为 3 0 m i n 。屋面不透水性试验是模拟防水层用于屋面防水工程所要承受水的压力设计的， 压力大小由屋面承受的水压决定。 对桥面防水工程而言，防水材料的不透水性应该是在热沥青混合料的摊铺和碾压作 业过程后、在行车荷载作用下的不透水性，绝不是在原始状态下的不透水性。故桥面防 水材料的不透水性是指其在经受可能的施工损伤后的不透水性能，即采用屋面防水工程 的不透水指标不能反映桥面防水材料在不透水性能方面的优劣，只能作为参考。鉴于桥 面防水层抗施工损伤性能的重要性，本文将在第五章中对加铺面层后防水材料的不透水 性能作进一步的研究分析。 ( 1 ) 试验方法 试件制备前，将所取样品及所用仪器在标准条件下放置2 4 h ，所取样品质量应保证 固化后涂膜厚度为2 0 m m + 0 2 m m 。在标准条件下将静置后的样品搅拌均匀，在不混 入气泡的情况下倒入规定的模具中涂覆，为了便于脱模，在涂覆前模具表面用硅油或石 蜡进行处理，样品分次涂覆，最后一次将表面刮平，并在标准条件下养护1 6 8 h ，固化后 涂膜厚度为2 0 m m + 0 2 m m ，脱模后用哑铃状i 型裁刀切片机切割涂膜，制得符合 g b t 5 2 8 规定的哑铃状i 型试件。 脱模后切取15 0 m mx15 0 m m 试件3 块，