（道路与铁道工程专业论文）桥面铺装粘层防水层材料与施工工艺应用研究.pdf

摘要： 桥面铺装粘层，防水层材料与施工工艺应用研究 在现行桥梁及路面设计规范中，对于桥面辅装材料、结构组合设计、防水及措施 以及施工工艺，只是轻描淡写地给予指导性说明，导致桥面铺装设计与施工的无章可循， 各行其是。随着交通量及轴载越来越大，以及气候条件越来越苛刻。我国的桥面铺装层 普遍出现了严重的早期病害，极大影响了桥梁的服务品质，造成了巨大经济损失。对于 一些重点工程或有重大影响的桥梁，其桥面早期损坏严重影响了业主乃至政府的形象。 因而，桥面铺装问题近年来在我国受到了各方面的普遍重视 结合对桥面铺装层使用情况的调查，分析了桥面铺装层损坏的原因，讨论了位于桥 面板与沥青混合料铺装层之间的粘结层与防水层对于桥面铺装的使用性能与寿命所起 得作用。分析了常用桥面铺装粘层与防水层如卷材，防水涂料，涂料土工织物等材料与工 艺的优缺点，认为热喷s b s 改性沥青再均布石屑所形成的粘层防水层能够很好地满足桥 面铺装的使用要求。设计了抗剪实验夹具及拉拔实验夹具，分别研究了粘结层的抗剪与 抗拉拔强度，并确定了粘层与防水层沥青的合理用量，对粘层防水层材料提出了技术指 标与要求，并结合设备与材料特点，提出了相应的施工工艺。 以上技术指标与工艺在焦新高速公路得到了成功地应用。 关键词：桥面铺装；沥青混合料；损坏机理；粘结层与防水层；抗剪与拉拔实验： 应力与温度场分析；技术要求：旌工工艺 i i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t ： i nt h ec u r r e n tb r i d g ea n dp a v e m e n td e s i g nc r i t e r i a ，t h e r ei so n l yb r i e f d e s c r i p t i o na b o u tb r i d g ed e c kc o n c r e t eo v e r l a y ，s t r u c t u r a li n t e g r a t ed e s i g n ， w a t e r p r o o f ，a n dc o n s t r u c t i nm e t h o d t h i sh a sc a u s e dt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o fb r i d g ec o n c r e t eo v e r l a yn og u i d e l i n e st of o l l o w w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a f f i c v o l u m na n da x i a ll o a d ，a n dt h es e v e r ew e a t h e rc o n d i t i o n ，i th a sb e c o m ec o m m o n t h a tt h eb r i d g es u r f a c eg o tf a i l u r e ，t h i sh a ss e r i o u s l ya f f a c tt h eq u a l i t yo f s e r v i c e ，t h u sc a u s ee n o m o u se c o n o m i c a ll o s s d a m a g eo ft h i sk i n dh a ss e r i o u s l y d a m a g e d t h er e p u t a t i o no ft h ee m p l o y e r ，e v e nt h eg o v e r n m e n t s t h e r e f o r et h e b r i d g es u r f a c eh a sb e e nab i gc o n c e r ni n r e c e n ty e a r s b a s e do ns u r v e y so ft h eu s eo fb r i d g ed e c kc o n c r e t eo v e r l a y ，a n a ly s isw e r e m a d et od e t e r m i n et h ec a u s e so fs u r f a c ef a i l u r e ，r e v i e ww a sa l s om a d eo nt h e u s ea n de f f e c t so ft a c kc o a ta n dw a t e r p r o o fm a t e r i a l sb e t w e e nc o n c r e t eo v e r l a y a n da s p h a l tc o n c r e t e a f t e rm a k i n ge v a l u a t i o no nt h ec o m m o n l yu s e dt a c kc o a t a n dw a t e r p r o o fm a t e r i a l ss u c ha sg e o t e c h n i c a lm e m b r a n ea n ds e a lc o a t ，i ti s c o n c l u d e dt h a tt h em a m b r a n et h a ti sc o n s i s t e do fs b sm o d i f i e da s p h a l ta n dr o c k g r a n u l a rw i l lb e s ts a t i c f yt h er e q u i r e m e n t w i t ht h es p e c i a le q u i p m e n td e s i g n e d t oa n a l y z es h e a rs t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h et a c kc o a t ，a n di d e a l q u a n t i t y o ft h em a t e r i a l sh a sb e e nd e t e r m i n e d t e c h n i c a lc r i t e r i ao ft h e m a t e r i a l sa n dc o n s t r u c t i o nm e t h o dw e r ea l s os u g g e s t e d t h ea b o v ec r i t e r i aa n dc o n s t r u c t i o nm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ye m p l o y e di nt h e c o n s t r u c t i o no fj i a o x i ne x p r e s s w a y k e yw o r d s ：o v e r l a y , a s p h a l tc o n c r e t e ，r e a s o n so fd a m a g e ，t a c k c o a t ，w a t e r p r o o f , s h e a ra n d t e n s i o nt e s t s ，t e n s i o na n d t e m p e r t u r ea n a l y s i s ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，c o n s t r u c t i o nm a t h e d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作发取得 的研究成果。尽我所知，除r 文中特别加以标注和敛谢的地方外，论文中小包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也小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j ，明确的说明并表示r 谢意。 研究生签名：量生日期：坦! ：仝 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：垦生导师签名：日期： 前言 日u罱 随着高等级道路在我国大规模兴建，桥梁建设取得了突飞猛进的发展，造型优美而 结构新颖的大、中型桥梁在我国各地屹立如林。不论从美学上还是从结构设计上，设计 与施工部门都倾注了大量心血，为保证质量所付出的努力也是显而易见的。近来一些高 速公路桥面铺装发生损坏，社会反响较大，引起人们的极大关注。实际上，为数不少的 采用沥青混凝土桥面铺装的大中桥在开放交通不足一年内，就往往发生铺装层的损坏。 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，产生的缺陷形式有所不 同。主要有： 1 ) 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 装层与桥面板层问结合面粘结力差。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。 2 ) 因温度变化及桥面板或梁结构产生过大挠度而产生的裂缝；在车辆荷载作用 下及水的渗入造成面层松散和坑槽破坏。 3 ) 铺装层较簿或采用单层式沥青混凝土，因桥面板不平整造成铺装层平整度达 不到规的要求。 桥梁一旦遭到破坏就是灾难性的，可能大家都还记得1 9 9 4 年汉城市桥梁坍塌事故的 大量报导。1 9 9 4 年1 0 月2 1 日，位于汉城市交通要道的圣水大桥( 圣水大桥建成于1 9 7 9 年，主孔跨径为1 2 0 米。四车道钢筋混凝土铺装桥面，宽1 9 4 米，设计使用年限为5 0 年) 。在交通高峰时期，轰然坍塌，桥体的整段挂孔突然断裂，坠入江中。致使1 0 余辆 汽车追尾相继坠入江中，交通立时中断，造成3 2 人死亡，伤1 7 人的恶性事故，造成极 为重大的损失，震动世界。事故发生，汉城市市长及工程人员受到审讯处理，为此政府 总理也呈请辞职，总统也发表讲话自担责任。与此同时，还成立了专门机构对全国的桥 梁、隧道等结构进行全面安全检查，提出要为后代留下安全可靠的建筑物。1 9 9 7 年8 月2 4 日中国电视新闻报导，南京长江大桥桥面铺装仅i 年多就破坏得面目全非，不能 正常使用，必须翻修，损失重大。 如果说桥梁结构是桥梁的“形体”那么桥面铺装可谓是桥梁的“脸面”了。行车道 上的桥面铺装是直接受车轮作用的。桥面铺装的作用在于防止车轮轮胎直接磨耗行车道 板，保护主梁免受雨水侵蚀，并对车辆轮重的集中起分布作用。因此，桥面铺装要求有 一定强度，并能满足抗裂、抗冲击、具有耐磨性等各项要求。考虑到分缝处各板块角部 东南大学硕士学位论文 易产生开裂，也要求桥面铺装具有一定的抗弯曲能力。桥面铺装层与行车道板通过粘结 层使其紧密结合成整体。然而，现实情况是桥梁技术发展的不平衡导致了桥梁建设中的 “重形体，轻脸面”的局面，至今尚无专门的而且行之有效的桥面铺装设计与施工规范。 在现行桥梁及路面设计规范中，对于桥面辅装材料、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。 随着交通量及轴载越来越大，以及气候条件越来越苛刻，我国的桥面铺装层普遍出 现了严重的早期病害，极大影响了桥梁的服务品质，造成了巨大经济损失。对于一些重 点工程或有重大影响的桥梁，其桥面早期损坏甚至影响了业主乃至政府的形象。因而， 桥面铺装问题近年来在我国受到了各方面的普遍重视，但对于相关课题的研究却远远不 够，不能满足实际生产的需要。 由于混凝土桥的沥青混合料铺装层承受温度应力及荷载应力的共同作用，且受力情 况复杂，对水损坏的影响更为敏感，因此，桥面铺装层会产生各种病害，因而相关课题 也成为国际性难题。 2 第一章沥青混合料桥面铺装层损坏类型 第一章沥青混合料桥面铺装层损坏类型 1 1 桥面铺装病害调查 为了分析桥面铺装的主要损坏形式和损坏成因，本人对河南地区主要桥梁的桥面铺 装出现的病害进行了调查和统计，现将有代表性的桥面破坏桥梁介绍如下： 贾鲁河桥 贾鲁河桥坐落在国道1 0 7 郑州过境段，建成于1 9 9 0 年。桥面铺装结构型式为：二 布六涂防水层1 2 m m + 沥青砂保护层i 5 c m + 沥青混凝土4 c m + 沥青石屑磨耗层1 5 c m 。桥 面的主要病害： a 、路面与桥面连接处，有5 7 c m 深度5 0 c m 左右的沉陷带，造成桥头跳车。 b 、齿形钢板伸缩装置两侧水泥混凝土脱皮严重，骨料外露、钢梳齿翘起，车辆经 过产生很大冲击作用。 c 、两侧人行道开裂十分轻微。 d 、主桥部分纵向裂缝比较严重。 e 、大面积开裂，每8 l o m 有一条裂缝，相距3 m 左右就有不连续纵缝，缝宽小于 5 m m 。 f 、面层抗滑骨料脱落严重，路边缘有很多石屑。 g 、桥面底部大面积漏水，水泥混凝土表皮脱落，表面有自斑析出，其中间纵向裂 缝处尤为严重。 沙花干沟桥 沙花干沟桥位于国道1 0 7 郑州过境段，建成于1 9 9 0 年，桥面铺装结构型式为：8 c m 的钢筋混凝土，1 9 9 8 年改造时加铺5a n 中粒式沥青混凝土。经过几年的使用后，桥面出 现病害： a 、四周网裂普遍，由于未及时养护而造成混凝土面层脱落，骨料外露，路面有石 屑，缝宽0 5 c m 左右。 b 、桥面接缝有宽达5 c m 左右的裂缝，附近龟裂严重。 c 、桥面板角隅处混凝土脱落普遍，钢筋外露。 d 、桥面板接缝处混凝土表皮脱落普遍，骨料外露，接缝内填料被挤出，路边堆满 大量石屑，桥面补丁多，且有些又重新破坏。 3 东南大学硕士学位论文 e 、行车道板防撞护栏混凝土脱落，钢筋外露锈蚀，护栏断裂严重。 f 、伸缩缝钢板断裂，两侧角钢高低不平，形成台阶，车辆通过产生很大震动。 g 、桥面底部有大面积的白斑析出，梁接缝处渗水严重，混凝土表皮脱落锈蚀，表 面有大量白斑锈斑析出。 h 、两根位于伸缩缝处的柱子根部混凝土开裂，用钢筋捧敲击有大面积空鼓声音， 判断为桥梁伸缩位移造成柱子弯曲变形，使混凝土开裂导致破坏，没有位于变形缝处的 柱子仍保持良好。 i 、站在桥上晃动剧烈，使人产生强烈不安全感。 京广铁路立交桥 京广铁路立交桥位于连霍高速公路郑州境内。跨陇海铁路，建成于1 9 9 5 年。桥面 铺装结构层型式：8 帆防水砼上加铺，5 a m 厚的沥青混凝土。经过几年的使用后，桥面 出现病害。 a 、龟裂严重，裂缝宽达3 c m 左右。 b 、每隔3 4 m 就有一条横向裂缝，纵向裂缝轻微。 c 、桥面坑槽多，沥青混凝土表面脱落。 d 、桥头连接处沉陷，造成桥头跳车。 e 、南幅桥面轻微裂缝、坑槽、补丁，此半幅路曾重修过。 f 、北幅每1 3 m 就有一条横向裂缝与不连续的纵缝构成庞大的网状体系，缝宽5 m m 左右。 g 、伸缩缝钢板断裂，两侧角钢高低不平，形成台阶，车辆通过产生很大震动。 金水立交桥 金水立交桥坐落在郑州市金水路，建成于1 9 9 4 年。桥面铺装结构型式为：二布六 涂防水层2 m m + 沥青砂保护层l _ s a m + 沥青混凝土4 3 a m + 沥青石屑磨耗层3 a m 。桥面的主 要病害为：全桥共有3 个坑槽，l 处车辙。但整个桥面平整度好，车辆行使仍舒适、安 全、稳定。 1 2 桥面铺装结构的基本破坏型式 从对桥梁的桥面铺装病害调查结果可以看出，桥面铺装结构的基本破坏型式根据铺 装层材料不同，主要有以下几种主要形式： 1 沥青混凝土铺装层的破坏型式 第一章沥青混合料桥面铺装层损坏类型 a 、裂缝类荷载或环境因素造成了沥青桥面的开裂，破坏了桥面结构的完整性。 b 、变形类桥面结构仍保持其完整性，但由于材料的稳定性等原因，使桥面形 状发生了变化。 c 、耗损类由于轮胎与桥面的作用，使桥面表层材料部分或全部丧失。 d 、其它，如修补等。 各类损坏又可进一步具体表现为： a 、泛油：桥面出现泛油后，车辆过桥时粘轮，下雨时易打滑，使行驶安全度降低。 b 、裂缝：有纵缝、横缝或网裂。 c 、高低不平、产生跳车；一般出现在桥跨结构物的连接部位。 d 、松散、露骨：桥面出现锯齿状的粗糙状态。 2 水泥混凝土铺装层的破坏型式 a 、裂缝类贯通面层厚度的断裂裂缝，把板分割成数块，破坏了面层结构的完 整性： b 、变形类面层板的整体性未破坏，但出现较大的竖向位移，影响行车的舒适 性： c 、接缝损坏类纵缝或横缝附近局部深度范围内混凝土的碎裂或裂缝，填缝材 料的丧失或失效： d 、表层损坏类厩层表面或上部的局部损坏，如：裂纹、起皮、坑洞等； e 、修补类对上述损坏进行修补后再次出现病害的状况； 各类损坏又可进一步具体表现为： a 、纵向、横向、斜向裂缝、交叉裂缝、破碎板： b 、板角断裂、错台、拱起、接缝破裂； c 、填缝料损坏、纹裂、网裂、起皮、坑洞。 东南大学硕士学位论文 第二章沥青混合料桥面铺装层受力特点 及损坏成因分析 2 1 桥面铺装层受力特点 无论是钢桥还是水泥混凝土桥，沥青混合料铺装层同桥梁结构在材料性能上差异较 大，即一柔一刚，因此会导致在外力作用成下应力与变形的不连续。在刚度大得多的桥 梁结构上，柔性铺装层必须具有足够的强度和稳定性，尤其是抗剪强度更为关键。此外， 桥梁挠度大，震动剧烈，温度应力显著，有时还存在负弯矩，这些外力条件都比材料在 路面中所经受的要严苛。这就要求桥面铺装层材料必须更柔韧耐久。 分析实地调查结果，则将桥面铺装损坏的原因可归纳为以下几种主要原因： 1 桥梁的结构理论中对桥面铺装层的计算分析论述几乎为零。现行规范中推荐采 8 c m 厚的混凝土铺装层。但随着交通量的增大，重型、超重型汽车的增多和车速增快， 现行的桥面铺装已不能满足要求。通过对铺装层本身的计算分析表明，铺装层厚4 c m 与 8 c m 混凝土中的应力大致相等，当厚8 c m 与1 2 c m 相比时，拉应力则提高2 0 。对8 c m 厚 的铺装与主梁结合在一起的分析表明，单纯考虑铺装施工后由于铺装与主梁混凝土收缩 的不一致，造成铺装与梁的结合面内剪应力及法向上拉应力接近临界状态，局部已超出 容许值，造成了铺装的病害隐患，应力大的部位在桥宽1 3 处，而纵横锯缝的交角处产 生严重应力集中，结合面处纵横剪应力值为0 2 6 m p a - 1 1 8 m p a ，法向上拔应力为 一2 1 m p a - 1 5 m p a 。 2 负弯矩的影响。对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等结构，由于荷载的作用而产生 负弯矩或拉力，使桥面板铺装层受到拉力作用而容易产生裂缝，从而造成桥面铺装的损 坏。 3 支承梁不均匀沉陷的影响。 4 桥面铺装层与梁表面混凝土未粘结好。在桥面铺装前没有将梁表面的松散砂石粒、 泥污等物清洗干净，没有在梁表面凿毛或凿毛的密度和深度不够，这些都大大降低了桥 面铺装层与梁面之间的粘结力，破坏了混凝土的整体性，通车后车轮的剧烈冲刷和荷载 的作用容易使桥面出现脱皮、裂缝、剥落等现象。 5 桥面铺装层的厚度过薄。由于施工因素造成梁表面高出设计标高或由于调熬桥面 6 第二章沥青混合料桥面铺装层受力特点及损坏成因分析 纵横坡等原因，造成了桥面铺装层厚度局部过薄( 一般不宜小于8 c m ) ，削弱了桥面铺装 层的刚度和承载能力。 6 混凝土内布置钢筋的作用是，当混凝土内应力较低时，使其应力分布均匀；当混 凝土应力较高时，承担局部应力，使混凝土中应力重分布，以改善应力集中现象。但该 配筋应有一个最小值，较小的配筋量又不足以抵抗混凝土本身收缩所产生的应力，防止 混凝土结构表面因温度变化引起开裂的构造钢筋间距应小于1 4 d ( d 为钢筋直径) 。由于 构造钢筋太少而引起表面的收缩开裂在跨径1 6 米的普通钢筋混凝土t 梁的腹板中较为 常见。其次，在施工过程中，钢筋网在进行绑扎和浇注混凝土时，由于种种原因导致桥 面钢筋层内的钢筋网走位，削弱了钢筋网的分布筋作用和承载荷载的能力，尤其对于出 现负弯矩的桥面铺装层，容易因此而出现桥面裂缝等损坏现象。 7 混凝土的干缩作用。目前，大桥桥面铺装多采用泵送混凝土工艺，为满足泵送混 凝土较大塌落度的要求，除掺加外加剂外，还常用加大水泥用量和适当加大水灰比的办 法，这两者都是影响混凝土干缩并成正比关系的主要因素。水泥用量大时，水化热大， 引起行车道板和桥面铺装的温差而产生变形约束。由于混凝土硬化初期的抗拉强度小， 若干缩和冷缩产生的拉应力超过其抗拉强度，则将导致混凝土内部及表面产生裂缝，从 而造成桥面过早损坏。 8 混凝土质量的影响。混凝土的旌工质量直接影响桥面铺装层的使用寿命。原材料 质量低劣、砂率过大、水灰比控制不好、砂石级配差、混凝土拌和物和和易性差以及施 工时漏振、模板漏浆等造成混凝土中出现蜂窝、麻面、强度降低等缺陷。这些缺陷破坏 了铺装层的整体性，降低了铺装层的抗裂、抗冲击、抗弯曲及耐磨的能力。 9 混凝土的养生不当。 1 0 纵向桥面铺装的施工分缝处是否有钢筋穿过是引致桥面病害的重要因素，对桥 面铺装本身的分析表明，当桥面收缩完成( 计算时按- 1 5 c 的温降) 缝间拉应力值可达 6 0 7 o m p a ，若钢筋穿过缝，则钢筋附近混凝土应力值可降低1 3 。若缝间无钢筋约束， 则缝显然要拉开，缝断开后铺装层底面与梁顶面间剪应力如结合良好可达2 5 m p a ，若结 合差仅为0 2 m p a 。重车轮作用于纵向施工缝边缘，当缝拉开后若铺装层底结合欠佳，则 铺装层内最大拉应力产生于离缝边约1 8 2 2 c m 处，值为4 5 m p a 。 1 1 荷载过大、偏载及冲击影响。近年来汽车的大型化及超载违章车辆的增加，加 重了桥面铺装层的负荷，并且，轮荷载的大型化会产生大的冲击，而在路面不平整或桥 7 米南大学硕士学位论文 面伸缩缝等有高差的地方，冲击就更大了。其次，为便于交通组织管理，划分了超车道、 主车道及路肩，人为强制地为桥梁荷载横向分布划定了某一比例，并使桥梁结构运营始 终处于偏载状态，使主车道的铺装承担了比超车道大得多的运营应力水平，因此加快了 主车道混凝土的疲劳。 随着材料工业的发展，桥梁承重结构的改进，使桥梁主梁能以较柔的结构达到受力 的要求，桥梁的横向亦越来越宽。特别在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析，较少 进行横向分析计算，对桥梁横向结构刚度重视不足，横向结构措施不力。使部分桥梁横 向刚度过小，使混凝土桥梁铺装分担了过多的次应力。 2 2桥面铺装层裂缝类型 通过桥面板开裂类型及成因分析，根据裂缝产生的原因可将裂缝分为干缩裂缝、温 度裂缝和疲劳裂缝。 1 ) 干缩裂缝 在水泥混凝土中，水在水泥石中以化学结合水、层间水、物理吸附水和毛细水等状 态存在当这些水在混凝土硬化过程中失去时。水泥浆体就会收缩，如果自由收缩，一 般不会导致裂缝产生，唯有收缩受到限制产生收缩应力时，才会产生裂缝。桥面铺装层 产生收缩应力主要是由于受到了两方面的限制：一方面，水泥浆干缩的内部限制，主要 是集料对水泥浆体的约束。在普通水泥混凝土中，水泥浆体的收缩率被限制了9 0 ，所 以，混凝土经常处在有干缩裂缝的应力状态。另一方面，桥面板干缩的外部限制，主要 是预制板和侧面路面的约束。一般水泥混凝土高等级公路面板的自由收缩约为o o o 0 0 6 - - o 0 0 0 0 8 。因此。铺装层常常产生反射裂缝。 2 ) 温度裂缝 水泥混凝土具有热胀冷缩性能，桥面的热胀冷缩是在相邻的部分或整体性限制条件 下发生的。混凝土材料的抗折强度远较抗压强度小，因而板中产生拉伸变行形时，很容 易引起开裂。温度裂缝的产生一般是在温度降低过程中产生的。温度降低时，桥面板发 生翘曲翘曲应力的大小取决于板的温度梯度和结构约束情况。 混凝土桥面板受到急剧降温时，应考虑两种情况：一是桥面板受预制板约束而不能 自由收缩，层内沿轴向将产生拉应力及拉应变。在般温度范围内，“由于降温出现的 拉应力，受应力松弛而减少，可是当温度降至应力松弛极限点时，应力就很难松弛。当 第二章沥青混合料桥面铺装层受力特点及损坏成因分析 由于温度下降的累计拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，将产生横向裂缝：二是当桥 面板较厚时，沿厚度方向将产生温度梯度，此时，路表面温度低于层底温度，如果无约 束条件将出现上翘曲现象，不产生温度应力。 3 ) 疲劳裂缝 桥面板经常处于振动变形中，由于在混凝土材料内部存在局部缺陷或不均匀性，在 荷载作用下会发生应力集中而出现微裂纹。当应力反复作用时使微裂纹逐步扩展，从而 不断减少承受应力作用的有效面积，终于在车辆的重复荷载反复作用一定次数后导致破 坏，使混凝土出现疲劳裂缝。 以上桥面板的种种裂缝会反射到沥青铺装层使之形成反射裂缝。 桥面铺装层同路面结构层在受力特征方面有明显的差异，因而对材料及结构设计有 更高的要求。而习惯上却并没有根据其受力特点进行专门的设计与处理，而往往根据高 程要求经验性地给出沥青铺装层厚度，造成设计安全度上的不足，因而诱发各种早期损 坏。 桥梁结构与柔性面层之间的粘结对桥面铺装层起着至关重要的作用。这一层次应该 能起到承上启下的过渡功能。同时还可兼作防水层。研究表明，许多损坏是由这一层诱 发的，其原因是习惯上用普通沥青作为粘层，用油量控制不好且容易偏高，其软化点一 般都偏低，高温极易软化而变成润滑层导致推挤、拥包、波浪和车辙的产生。由滑移还 可导致桥面撕裂、脱皮等损坏，因此粘结层必须具备足够的粘韧性和合理的用量，而普 通沥青往往难以满足使用要求。 桥面结构因形同“空中楼阁”而完全暴露于空气中。直接受气候条件的影响。因而， 同路面中使用材料相比，铺装层材料夏季温度更高、冬季温度更低，即相同的气候条件 对桥面铺装材料的影响更为苛刻。所以，在路面中使用性能良好的材料，用在桥面铺装 层中时就会产生温度损坏，这就对材料的温度敏感性提出了更高的要求：即高温不软化、 低温不脆硬，而这一相互矛盾的要求，普通沥青往往难以同时满足。 水是沥青铺装层损坏的主要诱因之一。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害，如松散、坑槽，使铺装层失去强度和防 水能力。如果桥梁及铺装层排水系统设计不当，渗入的水分无法及时排走，加具了铺装 层的损害。如果防水层被破坏，渗水将直接腐蚀桥体，从而危急桥梁的安全。完善的桥 面铺装系统及防水、排水系统确保铺面服务性能的关键措施。 东南大学硕士学位论文 车辆超载现象比较突出，有的车辆轴载高达2 0 0 3 0 0 k n ，而路面设计标准轴载 1 0 0 k n ，力学分析和实际情况都证踢超重是造成铺装层损坏的“杀手”。因此，一方面 严格限制大型超载车上桥，另一方面要提高铺装层材料等级与设计标准。桥面铺装层材 料的受力条件比路面材料苛刻得多，对材料有更高的要求。造成桥面早期破坏的原因是 多方面的，涉及到设计、施工、材料、气候及交通条件诸多方面。针对桥面铺装层的特 点，除了应建立专门的有别于路面结构的设计与施工规程除外，除了应建立专门的有别 由于路面结构的设计，尤其要注意铺装层材料、粘结层及防水层材料的选择与设计，所 用的材料必须同时具有很高的高温抗变形能力、低温抗开裂能力、抗疲劳、抗老化、抗 水损坏，并保持与桥面很好的粘结性及变形适应性。 由此可见，对于混凝土桥面铺装层而言，桥面板与沥青铺装层之间的粘结至为重要。 这一粘结层除了具有“承上启下”的粘结作用外，还应具有对混凝士桥面板的防水保护 功能，因此常被称为粘层防水层。这一层次的损坏将直接导致桥面板与铺装层的各自 独立，铺筑层也会因失去与桥面板的粘结而承受重大的应力，因而更易产生各种损坏。 然而，在工程实践中粘层防水层往往没有受到人们的足够重视，有的宜接在混凝土桥 面上铺设桥面铺装层，有的则采用普通乳化沥青粘结层，而且洒布量控制不严，易导致 粘层油过量。由于天气高温时，混凝土桥的温度远远超过了粘层油的软化点，过量的粘 层油起到了“润滑油”的作用，从而加剧了铺装层的滑移等损坏。 第三章桥面铺装粘层防水层材料的类型 第三章桥面铺装粘层防水层材料的类型 通常情况下，根据建筑物的重要程度采用几道防水设防，以便各道设防互补以增加 防水安全度，满足防水年限要求。如果多道设防，其中一道设防一定要用柔性防水层， 而另一道可以用刚性防水层。桥梁结构属于重要的基础设施，应采用三道防水设防。第 一道为沥青混凝上混合料面层，可以采用密级配沥青混凝土，防止水进入面层内部：第 二道位于面层与桥面结合部，采用防水卷材、防水薄膜或沥青砂胶等柔性防水材料，防 止水渗入水泥混凝土内部，第三道为刚性防水层，采用防水混凝土，防止水渗入桥梁结 构内部。除降雨量极少的地区外，一般地区修建大中桥均应在沥青面层下设置防水层f 即 上述第二道) ，防水层的重要意义在于防止雨水渗入而加速面层的损坏和造成桥面板的 损坏，甚至是主梁钢筋的腐蚀。 此外，沥青混合料铺装层同混凝土桥梁结构在材料的物理与力学性能上有明显的差 异，即一柔一刚。因此，这一特性会导致二者在温度应力及荷载作用下应力与位移的不 连续性，尤其是水平剪切力往往主要由铺装层承担。如果桥面同铺装层之间的粘结不够 牢固，或者是铺装层的抗剪强度不足，则极易在铺装层中产生剪切破坏，即表现为推挤、 车辙、拥包、撕裂，导致形成人们通常所讲的“搓皮”现象，也就是刚柔两部分变形不 一致。因此，柔性防水层除了具有优良的防水功能外，还应该具有刚柔之间承上启下的 过渡作用，起到粘结与应力消减的作用。 常用的防水材料有沥青基防水卷材、高分子防水卷材、聚合物防水涂料和沥青类粘 层防水层材料等四种。 3 1 沥青基防水卷材 沥青基防水卷材主要包括有沥青纸胎油毡和改性沥青防水卷材。 1 沥青纸胎油毡生产及应用 我国的沥青纸胎油毡包括石油沥青纸胎油毡和煤沥青纸胎油毡两大类，目前石油沥 青纸油毡占绝大多数，煤沥青纸胎油毡所占比例已经很小。由于纸胎油毡施工应用仍沿 用传统的热沥青玛蹄脂作粘结，在热玛蹄脂热熔过程和施工操作中产生污染，因环保原 因近年来一些省、市禁止在城区内使用纸胎油毡施工，同时改性沥青防水卷材替代了纸 胎油毡。 2 改性沥青防水卷材 东南大学硕士学位论文 改性沥青防水卷材主要包括a p p 、s b s 改性沥青防水卷材，以聚酯胎和玻纤胎为 主。改性沥青卷材的施工应用，目前多采用火焰热熔施工法及冷玛蹄脂粘结，今后将有 望采用热玛蹄脂粘结。 3 2 高分子防水卷材 我国的高分于防水卷材主要包括e p d m 、p v c 、氯化聚乙烯( c p e ) 、氯化聚乙烯一橡 胶共混、橡塑共混、百生胶、土工防掺片等防水片材。 1 e p d m 防水卷材 2 p v c 防水卷材 p v c 防水卷材已有较长历史，主要有三种生产工艺，分别为压延法、挤出法和 喷泳法。 3 c p e 防水卷材 c p e 防水卷材包括：以玻璃布增强的c p e 卷材( 简称i 聊( _ 一6 0 3 ，用量最大) 。 c p e 弹性体卷材，无增强c p e 卷材，以及c p e 一橡胶共混卷材。 4 土工膜，地下和土木工程的防水和防渗需要各种树脂基防水片材。 5 t p o 防水卷材即热塑聚烯烃类防水卷材。 3 3 聚合物防水涂料 自十九世纪早期以来，市场上即已出现沥青乳化液。产品的成功推广不仅是因为它 便于运输和应用，而且还因为乳化液能有传统沥青所不具备的特点：如冷混、可用于潮 湿条件、无缝沥青涂层等。还应指出的是乳化液安全且不易燃，是一种环保产品。该产 品同精选的沥青以及结合了粘土物系的特殊乳化剂配料j n - r 而成。乳化剂粘土物系会 使沥青在乳化过程中分敖，并在储存期间起着稳定剂的作用，以防止沥青液滴凝聚，并 使有效期延长至一年以上。乳化液的配方可使产品具有一种独特的“糊膏”型流变特 性。可塑性强而且应用简单。可在平面、斜面甚至是竖墙上涂刷或碾压几毫米厚的乳化 液。这种产品对干燥表面具有良好的粘附特性，对潮湿表面也是如此，可十分灵活地用 于各种天气条件。在摊铺期间和施工后，会发生“载体”水蒸发和沥青液滴凝聚的现象。 这一过程将持续到一层均匀的沥青薄膜与基层完全粘结为止，形成具有涂层和防水薄膜 作用的封层。在干透的薄膜中，粘土颗粒被沥青完全覆盖住，形成一种能提高强度的蜂 第三章桥面铺装粘层防水层材料的类型 窝状结构，并具有优异的热流特性。总的说来，乳化液能提供一种可迅速固化的沥青涂 料，并能通过明火试验。使用方法简单灵活，并可以在潮湿或干燥表面上施作，可在环 境温度下摊铺，无需加热，且不易燃。 1 聚氨酯防水涂料为应用较成功的涂料之一，包括煤焦油聚氨酯和纯聚氨酯两种。 2 丙烯酸乳液防水涂料是近几年发展较快的一种新型涂料，目前己发展有系列产 品如丙烯酸外墙防水装饰涂料、丙烯腔屋面防水涂料和丙烯酸厨卫间墙防水涂料等系列 弹性涂料。此外，一些企业还提供丙烯酸乳液一水泥复合型防水涂料。 3 橡胶防水涂料。 3 4沥青类粘层防水层材料 1 、稀释沥青 稀释沥青是以煤油稀释沥青的液体材料，因其细度为分子量级，在粘度适当的情况 下，可以在防水混凝土表面实现理想的渗透。但粘度不可太低，如果粘度过低即使渗透 深度大也不能达到最佳效果。稀释沥青需要大量的油质溶剂，而汽油、煤油、柴油等都 是宝贵的资源；稀释沥青铺到路上后要让这些溶剂挥发掉才能成型，这会污染环境，遇 雨还会污染周围水源，鱼塘及农田。残留的油分会降到沥青的粘结能力，渗入表面的沥青 也含有大量的油分，并没有明显的粘结与加固作用，此外稀释沥青因易燃而不安全，所 以在公路工程中应尽量少使用稀释沥青。 2 、稀浆封层 早在1 9 3 0 年，德国就有将细骨料、乳化沥青和水混合摊铺在道路上作封层的养护方 法，这一路面的养护的新技术标志着稀浆封层发展的开始。然而在1 9 6 0 年以前，这些 技术的发展并不是连续的，在这以后，随着先进的乳化剂、连续式摊铺机和控制破乳添 加剂的出现，稀浆封层开始得到广泛应用。由于拌和方法、乳化沥青和机械设备的持续 发展。今天的稀浆封层完全可以作为桥面铺装粘层防水层。 稀浆封层混合料主要组成是：碎石、乳化沥青、水和特别的添加物如矿物填料，液 体或固体的控制破乳的添加剂，以上这些材料根据是实验室确定的配合比进行混合。更 高级的和特别的稀浆混合料可包聚合物纤维或其他材料，每一种改变或添加材料都是为 增强稀浆封层的某些特定的性能。 稀浆混合料由特别设计的设备拌和而成，它既能装载货物又能自由移动，这就是稀 浆封层摊铺机。摊铺机装载一定量的未拌和的材料，由连续式搅拌箱将材料混合，拌和 13 东南大学硕士学位论文 与摊铺机连续进行，通常在数小时或更短的时间内重新开放交通。技术先进的摊铺机保 证高温下的拌和质量与稠度。 通常用于桥面铺装粘层防水层的稀浆封层可分为三种：稀浆封层、聚合物改性稀浆 封层、微表处。 稀浆封层是用细粒式的级配石料或砂作骨料，以乳化沥青为粘结料，加填料和水冷 拌后摊铺( 用稀浆封层机) 或沥青表处薄层。另外根据试验结果可适当添加矿料填料或 液体添加剂。 稀浆混合料的主要组成材料是骨料、乳化沥青和水，还可根据需要适当添加矿物填 料和化学添加剂，所有的材料都有各自特定的要求，应遵照相关规范要求选择合适的材 料。 3 、乳化沥青 乳化沥青桥面铺装粘层防水层是指：在成型好的桥面铺装表面喷洒一定量的乳化沥 青，然后撒石屑并碾压而形成的封层。其特点是：简单易行，不需要高温加热，在潮湿 的状态及温度稍低( 1 0 0 c ) 也能正常工作。 由于不需要加热，这就大大改善了操作人员施工环境、劳动强度高的问题。在倡导 节省能源、节约资源、保护环境、减少污染的今天，乳化沥青的应用将会更加广泛。 4 、热喷改性沥青( 或沥青) 热喷改性沥青的主体是改性沥青，因此，改性沥青的性能对桥面铺装的使用质量起 着决定性的作用。改性沥青是指在沥青中添加一定的改性剂，使其性能发生改变，以提 高路用性能。有的改性剂能提高其高温稳定性，有的则使其低温抗裂性大为改善，而有 的则明显提高其粘附性。但是，在我国许多地区，既有高温病害。又有低温病害兼有水 损坏等，这就需要能全面而不是单方面改善沥青性能的改性剂或复合改性剂。但是从经 济和技术方面考虑，s b s 改性沥青能全方面的改善沥青的路用性能而被普遍认为最适合 我国的气候条件路面结构的特点。 $ 8 s 改性沥青的有利性能归功于s b s 在沥青介质中发生一系列物理变化。当几个苯 乙烯分子靠范德华力吸引在一起时。便形成聚苯乙烯“节点”中间由类似弹簧的聚丁二 烯链接而形成三维网状结构。 加热后热能将克服范德华力而打断聚丁二烯网链，使得改性剂充分溶解于沥青中 从而确保改性沥青在运输、拌和及压实时不会因为粘度太高而影响操作和易性；而冷却 14 第三章桥面铺装粘层防水层材料的类型 后网状结构将重新形成，这使得改性沥青的实际应用与操作同普通沥青十分相似。s b s 在沥青中形成的这种三维网状结构使得沥青的高温粘度和低温柔性得到了全面改善，从 而扩展了沥青的温度适应范围。这一流变特性在沥青试验数据b t d c 上有很好的体现。 如图3 1 所示； 图3 - 1 ：漉鬻瀛藏戴撼斓 图中常规沥青指标如软化点、脆点、和粘度表达为温度的函数，对于非改性沥青而 言，其流变性能在b r d c 图上唯一直线，而s b s 改性沥青则呈现为曲线由此可见，在低 温地区，改性沥青较柔，脆点明显降低；在沥青应用高温区( 3 0 7 0 0 c ) 改性沥青曲线 呈驼峰，即粘度增加量增大，有利于抵抗流动变形；在成型高温区( 1 4 0 1 6 0 0 c ) ，粘度 增加量减缓，便于施工；在常规拌和温度区，粘度较大，需要提高拌和温度。 对改性沥青的混合料性能测试表明，s b s 改性沥青能够抗车辙能力1 0 倍以上，抗疲 劳寿命2 5 倍，此外抗开裂能力及愈合能力也有较大的改善。 s b s 是一种热塑性弹性体，对于优质的s b s 改性沥青，s b s 能均匀地分散在沥青介质 中，并形成空间三维网状结构。s b s 的奇特之处在于苯乙烯和丁二烯互不相溶并试图分 开，但由于化学联接，它们只能在微小程度上分离，当几个苯乙烯分子靠范德华力吸引 在一起时，便形成聚苯乙烯“结点”，中间由类似弹簧的聚丁二烯链联接而形成三维网 状结构。当加热到一定温度时，热能将克服范德华力而打断聚丁二烯网链，使得改性剂 充分溶解于沥青中，从而确保改性沥青在泵送、运输、拌和及压实过程中不会因粘度太 高而影响工作和易性，而当冷却到一定温度时，三维网状结构将重新形成，以充分发挥 s b s 的效能。当加入到沥青中时，s b s 聚合物能显著地改变沥青的粘度弹性特性。 在较高的温度下，沥青会变得更粘稠，而在较低温度下，聚合物会更有弹性，从而使沥 青更坚韧。总之，s b s 聚合物会使沥青对温度不太敏感，提高了( 粘附) 强度，使沥青 东南大学硕士学位论文 具备优良的防水特性。s b s 改性沥青在低温抗开裂、高温抗车辙等方面比非改性沥青有 明显优势，具有比较理想的温度敏感性，能够很好地兼防水与粘结功能，适合于在桥面 铺装中应用。 卷材类防水材料其本身通常具有较好的防水能力，大都适用于建筑物的屋顶、厨卫 间墙等，若应用于桥面铺装中，卷材与下承层之间的介面往往是一薄弱面，容易造成整 个防水层的损坏。更起不到粘层与过渡层的作用。涂料类防水材料具有较好的可施作性， 但对于桥面铺装这种荷载应力与温度应力都十分严苛的场合，需要采用改性沥青粘层防 水层。 16 第四章桥面铺装粘层防水层技术指标与施工工艺应用研究 第四章桥面铺装粘层防水层技术指标与施工工艺 应用研究 4 1粘层防水层技术指标 对于桥面沥青 胎料防水材料的使用性能，其主要评价指标是：抗剪性能和低 温抗裂性。 1 防水材料与桥面板及沥青混合料铺装层的抗剪性能：防水层一般铺设在铺 装层与桥面板之间，要承受车辆行驶时所产生的垂直压力和水平方向的剪力，其 间必须具有足够的剪切强度，特别是在夏季高温状态下，相应的指标见表4 - 1 。 表4 - 1防水层抗剪强度指标 【温度( )抗剪强度( m p a )垂直压力( m p a ) i 6 00 0 4 以上0 1 以上 2 低温抗裂性能 桥面铺装层一般主要承受压力，但在连续梁桥等具有负弯矩的桥梁结构中，对 防水材料及桥面铺装层要求应有一定的抗裂性，特别是一般防水材料在低温状态 下具有脆性，更容易开裂，为此对防水材料的低温抗裂性提出相应的技术指标， 见表4 2 。 表4 - 2 防水层抗裂性能指标 l 温度( )抗拉强度( m p a )延伸率( ) i 2 06 8l o 以上 a 、防水卷材的技术指标 防水卷材使用于温度为4 5 0 c 至8 0 0 c 的环境，厚3 , 4 m m 卷材防水层的主要技 术性能见表4 - 3 。 17 东南大学碰士学位论文 表4 3 防水卷材主要技术性能 序号项目指标 l 抗拉强度( m p a ) 纵向8 0横向8 0 0 2断裂延伸率( )4 0 3耐热性( o c )1 3 0 4 低温柔度( 0 c ) 1 5 5 不透水性( m p a ) 0 2 * 2 4 6耐久性良好 b 、涂料防水材料的技术指标 ( 1 )阳离子乳化沥青氯丁胶乳防水材料可用在3 0 0 c 至8 0 0 c 的环境， 其主要技术指标见表4 4 。 第四章桥面锗装粘层防水层技术指标与施工工艺应用研究 表4 - 4 氯丁胶乳防水材料主要技术性能 序号项目指标 1附着力( 对水泥砂浆面)合格度1 0 0 2延伸率4 0 0 以上 3 粘结性( m p a ) 0 2 5 0 4 4 抗压强度( m p a ) 06 5 剪切强度( m p a ) 02 o 3 6 抗张强度( m p a ) 0 2 0 3 5 7 粘度( 8 ) u 也0 8成膜时间( r a i n )2 0 曲o 9 不透水性( m p a ) 0 5 耐热性( 8 0 0 c ，5 h )无发粘，无起泡 1 0 ( 1 6 0 0