毕业设计（论文）-新型桥面防水技术的研究.doc

辽宁工程技术大学毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 研究背景 我国正处于大规模基础设施建设的高峰时期 桥梁作为公路的重要组成部分 其结 构的安全性 耐久性及桥面使用性能越来越受到重视 截止到 2006 年底 我国高速公路 通车里程已经超过了 4 5 万公里 根据我国政府通过的 7918 高速公路网 发展规划 2010 年之前 中东部省份的所有村庄以及西部省份的所有乡镇已建成全天候的公路并与 公路网连接 2020 年前 西部所有省份的村庄要建成全天候的公路并与公路网连接 从 而为公平发展建立一个平衡的公路网络 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 桥梁结构不 断创新 桥梁施工技术不断提高 这促进了我国桥梁建设水平的快速提高 据有关部门 统计 我国最近 15 年共修建了 15 万座公路桥梁 总长 3 8 万多公里 平均每年修 l 万 座大桥 速度和长度均居世界前列 桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分 它一方面可分散荷载 参与桥面板的 受力 另一方面起联结各主梁共同受力的作用 既是桥面保护层又是桥面结构的共同受 力层 铺装层质量的好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性 舒适性 桥梁的耐久 性及投资效益 对桥梁的使用性能影响很大 桥面铺装层直接暴露在环境下 承受行车 荷载 梁体变形和环境因素等的作用 因此 它必须具有足够的强度和良好的整体性 并具有足够的抗裂 抗冲击 耐磨等性能 对于钢筋混凝土来说 裂缝几乎是不可避免的 除了设计不当 施工质量低劣 荷 载过大使钢筋混凝土产生非正常裂缝外 由于水泥混凝土材料本身的原因 温度变化 干燥收缩 碱集料反应 硫酸盐作用 冻融作用都可能使桥梁梁板产生各种各样的裂缝 由于这些裂缝的存在 雨水很容易侵入混凝土中问 从而腐蚀其中钢筋 作用时间长后 减小了钢筋截面积 相应地减少了梁板的含筋率 最终造成桥梁的结构性损坏 雨水进 入水泥混凝土中问还会加重混凝土的冻融损坏 特别是对于辽宁地区冬季撒盐化雪 盐 水对钢筋的腐蚀更为致命 例如辽宁省朝阳市某桥北侧边梁梁底主筋腐蚀十分明显 多 张志明 新型桥面防水技术的研究 2 处翼缘混凝土因锈水渗出形成锈斑 主要原因为桥梁表面原来存在裂缝 梁板翼缘受雨 水侵蚀最为严重 混凝土表面既有裂缝成为渗水通道 加速了钢筋的腐蚀 沥青混合料铺装层的物理与力学性能同桥梁结构相比有着明显的差异 即一柔一刚 这一特性导致二者在温度变化及荷载作用下应力与位移不连续性 尤其是水平剪应力往 往主要由铺装层承担 如果桥面与铺装层 刚柔界面 之间的粘结不够牢固 或者铺装层 层间 抗剪强度不足 极易在铺装层中产生剪切破坏 表现为推移 车辙 拥包 撕裂 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 由此可见 对于桥 面铺装层而言 水泥混凝土铺装层与沥青铺装层之间的粘结至为重要 为了方便施工工艺 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 和粘结层并为一层 称作防水粘结层 为了减少桥面铺装的破坏 进行桥面铺装防水粘 结层的分析与研究是极为必要 本文将对新型防水粘结材料 CCCW 高粘高弹 SBS 改性沥青的应用进行研究 1 2 国内外研究与应用状况 桥面防水层属于桥面铺装结构的组成部分之一 防水层与铺装结构的关系是部分与 整体的关系 因此 研究防水层必须结合对铺装结构的研究进行 下面先简述国内外桥 面铺装结构的设计与应用状况 然后综述国内外对桥面防水粘结层的研究状况 1 2 1 国外的研究状况 桥面防水体系的修筑是提高桥梁使用寿命的重要保证 不容忽视 它与面层的设计 与施工是有机的整体 许多国家重视防水粘结层的应用 二十世纪二十年代 丹麦和美国堪萨斯州开始在混凝土桥面采用较为原始的防水层 四五十年代 伴随发达国家大规模的公路建设 防水层逐步得到应用 防水系统的概念 在六十年代出现 由于认识到防水系统对保证桥梁耐久性的重要意义 英国于 1965 年开 始强制在混凝土桥面设置防水系统 从 1971 年起防水材料和防水系统须满足 1970 年颁 布的道路和桥梁工作规范 DTTMBE27 自 1975 年 起为了获得 BBARB 使用资格认证 材料必须接受一系列检侧 至 1986 年 须满足专门的公路工作规范 在这期间 欧美等 国相继制定类似政策 并对防水系统进行了大量的研究 掀起了桥面防水研究和应用的 高潮 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 3 为完善和提高桥面铺装的使用性能 许多国家展开新一轮的桥面铺装特别是对防水 粘结层及其体系的研究和应用 如英国 TRRL 于上世纪 80 年代末 90 年代初开展了一项 庞大的 系统的研究计划口 1 美国 SHRP 对防水系统的使用性能和无破损检测技术进行 了研究 美国的 NCHRP 也于 1995 年对混凝土桥梁的防水情况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 欧美国家一直对混凝 土桥面铺装进行深入和系统的研究 如 1996 年 英国的 THOEGERSEN 专门对桥面防水 层的气泡问题进行研究 H1 在 1998 年 Johnson 针对防水层的破坏特征进行了大量的野 外观测和研究 为修订阿拉斯加州防水施工规范提供依据 新英格兰的 Huston DR 于 1999 年对防水材料及检验等进行深入研究 同年 瑞士的 Koichi 和 Manfred 研究了不同 因素对沥青混凝土铺装层与水泥混凝土铺装层粘结力的影响 采用了一些新的性能试验 方法用于判断防水薄膜与桥面混凝土粘结力口 至今 许多发达国家仍在进行研究 这 一阶段研究工作的特点是与工程实际紧密结合 目标明确 内容细化且深入 总的说来 国外对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的研究还是以经验法 为主 偏重于应用 侧重防水粘结层材料的筛选和大规模室内外现场试验的应用研究 计算理论涉及的很少 1 2 2 国内的研究状况 与国外的研究状况相比 我国混凝土桥面防水粘结层的研究要晚得多 目前 桥面 渗水的问题在我国日益严重 但对于桥面的排水 防水粘结层的研究 还非常欠缺 国 内最早是从 20 世纪 80 年代认识到桥梁防水粘结的重要性 开始在北京 天津等地铺设 柔性防水粘结层 但是当时未对此做系统研究 1994 年 北京市政设计总院针对北京城 市立交的桥面渗漏问题做了一些初步的研究 主要对比以下的四种防水粘结材料 阳离 子胶乳沥青涂料 盘锦禹王防水卷材 北京奥克兰防水卷材和 HJ 型聚氨酯防水涂料 使 用效果表明 卷材类防水粘结材料具有铺装速度快 施工工艺简单等特点 被广泛应用 于屋面 地下 水库等 但是 在桥面铺装的应用中受到限制 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 但是铺装工艺较之卷材类复杂 1996 年 上海内环线工程建设处对内线高架道路桥面防水涂层技术进行了研究 研制了 以沥青为基料 JWP 1 和 5WP 2 型防水涂料 取得了一定效果 2000 年 3 月 长安大学公 路工程学院在 107 国道郑州市跨机场高高架桥 对北京禹王 FYT 等四种国内外防水材料 张志明 新型桥面防水技术的研究 4 进行了桥面防水实验 为水泥混凝土的桥面防水粘结系统工程的设计 施工提供了一定 的依据 2002 年 由重庆交通科研设计院承担的交通部西部交通建设科技项目 桥面铺 装材料与技术研究 中 根据我国桥面铺装的具体情况从桥面铺装病害调查 受力分析 室内试验 到实体工程进行了较为系统的研究并取得不少有应用价值的研究成果 目前一般高速公路桥面防水粘结层防护主要分为物理防护和化学防护两种方式 物 理防护有防水涂料 胶体 卷材等 靠防水涂料 胶体 卷材等本身形成防水层的物理 作用来隔断水份 但是防水层的局部破损和老化都会影响防水效果 同时存在和沥青混 凝土的相容问题 如果粘结性能不好 易形成软弱夹层 影响整个结构层性能 化学防 护就是靠防水材料的结晶渗透作用 堵塞混凝土毛细管 形成自密性混凝土防水层 来 达到防水的效果 但是如果混凝土出现裂缝 该防水层一般没有延性 裂缝处的渗水无 法解决 并且对减缓裂缝的产生 效果也不佳 总之 目前对于水泥混凝土桥梁铺装层的结构层尤其是防水粘结层的研究设计还没 有形成完整体系 所以需要参照已有的方法 借鉴其合理方面 改进其不足 将力学计 算和试验结合起来 相互验证 从而得到行之有效的研究方法 1 3 辽宁地区桥面防水状况 1 3 1 辽宁地区气候特点 辽宁省地处欧亚大陆东岸 属于温带大陆性季风气候区 由于地形 地貌较为复杂 省内各地气候不尽相同 总的气候特点是 四季分明 寒冷期长 雨量集中 东湿西干 平原风大 日照丰富 全省各地年平均气温多在 5 10 之间 自沿海向内陆逐渐递减 辽东半岛及沿海各 地年平均气温均在 9 以上 而西丰至新宾一带以东地区在 5 以下 最高气温历史极值 朝阳市 2009 年 7 月 14 日 43 3 最低气温历史极值 铁岭市西丰县 2008 年 1 月 13 日 43 4 气温年较差 最热月与最冷月平均温度之差 由于海陆分布的影响 内陆大于 沿海 南部沿海地区在 27 31 之间 其余地区在 31 38 之间 最低气温 0 日数 沿海地区为 140 180 天 其他地区在 180 220 天之间 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 5 年平均降水量一般在 500 1000 毫米之间 由东向西逐渐减少 东南部地区多达 800 1050 毫米 西北部地区在 400 500 毫米之间 全年降水量主要集中在夏季 6 8 月降雨量约占全年降水量的 60 70 年日照时数多数地区为 2300 2900 小时 日照时数自西北向东南减少 无霜期除东部山区在 140 天以下 大连南端和长海在 200 天以上 其他地区一般在 150 200 天之间 辽宁省主要遭受的灾害性天气为 大风 沙尘暴 暴雨 洪涝 台风 低温冷害 大风雪 干旱 冰雹 霜冻 大雾等 其中夏冬两季气候反常 对桥面铺装的危害最大 现将辽宁地区夏冬两季的气候特 点介绍如下 夏季 6 8 月 主要气候特点是雨量充沛 高温潮湿 由于太平洋副热带高压势 力增强并逐渐北移 潮湿的东南季风则沿着高压的西侧向北输送 受它的影响 辽宁省 夏季降水频繁 且雨量集中 季平均降水量一般可达 300 600 毫米 全省平均 414 9 毫 米 但东西差异较大 辽西山区 西北风沙区不足 400 毫米 而凤城 宽甸最多达 600 毫米以上 夏季三个月以 7 月气温最高 8 月次之 7 月平均气温除新宾 宽甸 长海低 于 23 外 其他地区均达 23 25 极端最高气温西部地区达 40 以上 其余各地在 35 38 之间 夏季暴雨的暴雨的地理分布有三个中心 最多的在千山山脉以南的丹 东 大连地区 其次在辽 浑 太子河流域的下游 再次在葫芦岛松岭山的东南 暴雨 的极值分布与次数分布很相似 也是有三个中心 即千山山脉以南 辽西松岭山东南 辽 浑 太子河流域地区 以千山山脉以南地区极值较突出 冬季 12 2 月 主要气候特点是干冷 为期漫长 入冬以后 由于北方冷空气势 力不断增强 干冷空气源源不断地由北 西方向侵入辽宁省 因此辽宁省空气干冷 降雪 稀少 1 月平均气温除鞍山及沿海地区在 4 9 外 其他各地均在 10 17 极端最 低气温辽东山区一般为 36 40 西丰最低达 43 4 大连南部地区最高在 20 左右 其他地区在 25 35 之间 冬季多晴天 降水量少 一般只有 6 40 毫米 仅占全年 总量的 2 4 此时大地 江河封冻 土壤封冻期除大连地区只有两个月时间外 其他 地区可达 3 个月左右 另外 由于强冷空气入侵 易出现大风或暴风雪 辽宁省东西部 山区 辽北及中部平原寒潮次数较多 年平均为 5 8 次 其中西丰最多达 10 次 东南 部沿海 葫芦岛 锦州地区寒潮次数较少 年均不足 2 次 其中兴城 绥中最少不到 1 张志明 新型桥面防水技术的研究 6 次 其他地区为 3 4 次 辽宁在每年的 9 月至翌年 5 月各月均可出现寒潮天气 大部地 区 11 月出现最多 1 3 2 辽宁地区高速公路桥面铺装及破损情况 1 高速公路桥面铺装的结构形式 高速公路桥面铺装由沥青混凝土桥面铺装 防水层和水泥混凝土桥面铺装组成 2004 2005 年以前 我省部分桥面铺装由 4cm 厚 AK 型沥青抗滑表层 5cm 厚 AC 型沥青 混凝土组成 防水层为聚合物沥青玛蒂脂卷材 水泥混凝土桥面铺装为 8 lOcm 厚 C40 水 泥混凝土 2cHD5 年以后经过改进 上层沥青混凝土桥面铺装改为 4cm 厚 SMA 沥青玛蒂脂 碎石混凝土 水泥混凝土桥面铺装改为 8 lOcm 厚 C50 水泥混凝土 其余不变 2 高速公路桥面铺装破损调查 经过取样检测 沥青混凝土桥面铺装 防水层和水泥混凝土铺装均满足设计要求和 施工要求 改进后的桥面铺装使用质量优于以前的桥面铺装 但仍有损坏发生 特别以 交通量大的高速公路为甚 桥面铺装出现破损的时间是在通车后 2 4 年内 桥面铺装破 损主要以坑槽形式出现 在春融期间或雨后 沥青混凝土铺装表面在车道处出现白色圆 斑 有白浆浮出 然后沥青混凝土脱粒 形成直径 20 30cm 的白色坑槽 同时 在该处 前方每隔 l 3m 出现第 2 个 第 3 个 坑槽 直径逐渐减小 形成沿车道方向有数个坑 槽的破损带 如不及时修补 破损坑槽就会连成一片 从桥面铺装破损处钻取芯样 沥 青桥面铺装和防水层已经损坏 水泥混凝土铺装上层 l 3cm 厚已经剥蚀或疏松 但下面 混凝土强度满足设计要求 3 辽宁省桥面铺装及主要病害举例 A 辽宁省某高速公路桥梁 该桥梁为简支板桥结构 桥跨组合 3 20m 桥梁总长为 65 9m 桥面净宽左右幅均 为 11 5m 外侧防撞墙宽为 O 5m 内侧护栏宽为 1 00m 上部结构 左右幅均为 lO 片带 翼缘预应力混凝土空心板 下部结构 钢筋混凝土三柱式桥墩 埋置式肋板台 基础采 用钻孔灌注桩基础 沥青混凝土桥面 设计荷载等级 汽 超 20 挂 120 桥面主要病害 a 桥面铺装现浇 6cm 混凝土 铺装层内布嘶 6 20cm 20cm 钢筋网 板间铰缝仅用 2 8 纵向筋与预制板预留伸出筋搭接 其上铺 4cm 沥青混凝土 属半刚性柔性桥面 桥 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 7 面铺装层及铰缝刚度不够 不能有效传递荷载作用力分布 致使绞缝严重损坏 车道板 产生裂缝或断板 b 桥面伸缩缝构造简单 原设计为板式橡胶伸缩缝 使用中虽将其改造为型钢缝 但 其与桥面板锚固不牢 缝内未设传力杆 当车辆移动活载作用于桥面时 沿桥面纵向活 载无法传递于伸缩缝两侧相邻行车道板 致使伸缩缝两侧车道板产生不均匀的扰度 导 致车道板损坏严重 B 沈阳环城高速公路桥梁 沈阳环城高速公路是于 1993 年设计完成 1997 年建成通车 2006 年某研究院对其 中特大 大 中桥梁 60 座 进行了系统检测 沈阳环城高速公路的特大桥占 3 大桥 占 17 中桥占 50 而匝道桥占 30 共计 60 座桥梁按上部承重结构可分 7 种结构 类型 沈环高速公路的桥梁上部结构中无翼缘空心板所占的比例较大 达到了 50 a 桥面病害 1 桥梁墩台顶桥面连续处多出现横向裂缝 一般结构在墩台顶为桥面连续 在垂直荷载的作用下 结构表现为简支梁特性 相 邻两梁 板 的转角位移正好相反 同时桥面连续处构造较弱 这就可能造成桥面铺装的 横向开裂 2 在车辆荷载的反复作用下 沥青混凝土骨料间首先失去粘性 松散 破损 并逐 渐形成小坑槽 对于桥面中出现的小坑槽 在重车的强烈冲击下 使得原来的小坑槽逐 渐变大 会进一步加剧桥面铺装的破坏 b 上部结构内积水 导致混凝土白化 有多数桥空心板 箱梁内有积水 且板内积水较多 积水沿箱梁底板较薄部位或离 析处 或从腹板侧面混凝土离析或工作缝位置 向外渗出 空心板或箱梁内积水主要原因 为桥面铺装防水性能较差 水透过部分质量较薄 较差的顶板 以及从板端封孔处侵入 板内 板内积水对整个梁体混凝土污染较为严重 混凝土表面已经白化 剥皮 表面呈 现多条细小网状裂缝 结构的耐久性已经大大降低 板内积水已沿板破损处形成冰锥 最后导致上部结构空心板板底混凝土渗水白化 是桥梁上部结构的通病 混凝土白化主 要是板内积水通过与混凝土裂缝处中 CaO 发生化学反应生成 Ca OH 2 Ca OH 2 溶解水后 沿裂缝渗出 在结构表面与空气中的 CO2 等酸性气体发生化学反应生成 CaCO3 晶体 大 量晶体沉积在裂缝周围表面 从而在结构表面形成白化 当渗水严重时 结构中 CaO 断 发生化学反应 导致 CaCO3 大量结晶堆积 长时间后形成钟乳石 张志明 新型桥面防水技术的研究 8 C 营口互通式立交桥 营口互通式立交项目 1996 年设计完成 2000 年建成通车 2007 年 6 月我院对桥梁 进行了检测 发现的主要问题是冬季除雪用盐腐蚀桥梁 造成多处破损 影响了桥梁的 安全运营 桥面铺装病害 伸缩缝漏水 盐腐蚀现象 营口互通式立交桥梁的伸缩装置均设计采用的是板式橡胶伸缩缝 BF 80 BF 120 两 种型号 它主要由橡胶与内置钢板组合而成 依靠上下钢板和橡胶剪切及橡胶高弹性来 完成所需的伸缩量 但实践证明 这种装置防水性能非常差 桥面水部分通过伸缩缝下 渗 尤其是冬季采用除冰盐时 对桥梁的破坏非常严重 桥面盐水下渗对上面箱梁和下 部桥墩的腐蚀 伸缩缝局部破损 附近一片泛白 D 丹东高速公路沿线桥 丹本高速公路沿线大 中 小桥梁共 136 座 总桥长 24347 15m 该高速公路沿线 桥面铺装总体使用状况良好 但部分桥面铺装存在破损 其中双向共计有 35 座桥桥面铺 装存在不同程度的破坏 以坑槽为主 少数桥面铺装存在网裂 有过维修养护历史的桥 面铺装比例为 12 78 桥面铺装破损面积累计约为 131 8 占桥面铺装总面积的 2 m 0 02 桥面铺装出现的问题主要原因有以下几方面 1 热 SBS 改性沥青洒布不均 桥面防水层局部缺失 失去防水粘结作用 2 沥青混凝土铺装时防水层被硌破 3 桥面沥青混凝土铺装层间结合不好 4 部分沥青混凝土铺装层透水 5 对防水层的施工质量控制重视不够 1 4 本文研究内容 本文的主要研究内容有 1 桥面铺装病害调查 原因分析 对我国尤其是辽宁地区现有的桥面铺装病害进行 调查 分析 2 基层混凝土自防水设计 从提高混凝土密实度 抗渗性的角度探讨加强基层混凝土自身防水性能的方法 3 新型桥面防水粘结层的设计 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 9 结合实验和已有经验分析新型防水粘结材料 CCCW 高粘高弹 SBS 改性沥青的 设计思想及效能 4 桥面防排水系统的设计 张志明 新型桥面防水技术的研究 10 2 水泥混凝土桥面铺装病害调查及原因分析 2 1 桥面铺装常见病害形式 目前我国高速公路沥青混凝土桥面铺装破坏的最大特点是早期破坏且较为普遍和严 重 因此 水泥混凝土桥桥面损坏状况调查的主要目的是了解桥面铺装易于出现的典型 病害类型 分析桥面铺装损坏的原因 为铺装结构和材料技术的研究提供技术基础 鉴 于国内桥面防水层使用中存在的主要问题 桥面沥青混凝土铺装层的早期破坏形式主要 有以下四类 2 1 1 桥面铺装层脱落 图 立交桥面沥青混凝土层脱落 Fig2 1 Asphalt concrete layer desquamation of cloverleaf junction deck 从图 2 1 可以看出 桥面上的沥青铺装层已经脱落 露出原混凝土面板 这类病害 在高速公路及其他一些等级的公路桥梁上 市政桥梁上非常普遍 该类病害产生的主要 原因是水泥混凝土面板和铺装层的层间结合力不足 桥面板和铺装层不能成为一个有机 的受力整体 在行车荷载的作用下 沥青混合料铺装层逐渐脱落 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 11 2 1 2 桥面推移 出现车辙 拥包 图 2 2 桥面推移 Fig2 2 Bridge pavement process 图 2 3 桥面推移后形成车辙 拥包 Fig2 3 The formation of track and upheaval by the bridge pavement process 图 2 2 图 2 3 是典型的桥面铺装层间推移现象 桥面铺装的沥青混和料在汽车的作 用下被推起 挤揉堆积成一堆 产生这类病害的外因是气温过高 超载车辆严重以及山 区公路纵坡较大等 温度越高 沥青混和料的劲度模量越低 抗变形能力就越差 这是 沥青路面出现车辙的原因 在桥面铺装层上也表现为车辙 推移 另外桥面铺装大量车 辙 推移现象发生在大纵坡 弯坡桥面上 我国许多载重车辆超载严重 上坡能力差 车速较低 使车辙迅速产生 下坡段 超重车辆均要踩着刹车 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 内因是铺装层沥青混 和料的抗变形能力差 当荷载应力超过沥青混和料的稳定度极限 沥青混和料出现流动 性变形 形成推移 张志明 新型桥面防水技术的研究 12 2 1 3 桥面铺装水损害 潮湿多雨地区的桥面铺装层容易出现严重的水损害现象 导致铺装层材料松散 车 辆带走松散脱落的矿料 从而形成坑洞 如图 2 4 图 2 4 桥面坑洞 Fig2 4 Pavement kettle hole 桥面铺装层出现松散 坑洞等水损害现象的原因是由铺装层的密实及防水性不足与 沥青混和料的抗水损害能力较差而引起的 一旦桥面铺装出现水破坏 如果再没有完善 的桥面防水设置 将引起桥梁结构的破坏 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 在以后的使用过程中 早期产生的裂缝会随着车辆反复荷载 的冲击下逐渐扩展 如果没有完善的防水系统 带有腐蚀性物质的水就会渗入到混凝土 中或从裂缝中流入到混凝土中去 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 从而造成混凝土结构从 内部开始的涨裂 甚至破坏 2 1 4 裂缝 桥面铺装层产生裂缝在病害现象中比较普遍 裂缝形式多种多样 有横向裂缝 纵 向的裂缝 龟裂 网裂 病害原因极为复杂 裂缝形式见图 2 5 横向裂缝 见图 a 桥面铺装横向开裂的主要原因是 1 温度收缩应力导致铺装层横桥向开裂 2 当水泥混凝土桥面板薄弱且没有足够的纵向钢筋承受冲击荷载时 横向裂缝必然 要发生 在车辆荷载重复作用下横向裂缝发展成为横向开裂 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 13 纵向裂缝 见图 b 纵缝是桥面普遍和典型存在的 也是处于继续加剧与恶化的主要病害形式 几乎发 生在每座桥的上下行和每幅桥面 且其横向分布和表现形态一致 病害程度较轻的桥跨 纵缝一般发生在行车道和汽车轮迹线附近 2 3 块空心板间的横向企口缝上方的桥面附近 病害程度严重的桥跨 桥面空心板横向企口缝上方附近普遍发生纵缝 尤其是在行车道 的汽车轮迹线附近纵缝更为严重 已经造成桥面沥青混凝土铺装层的纵向沟槽 其原因 主要是铺装层沥青混和料的抗疲劳强度偏低 在车轮荷载的反复作用下产生较大的重复 拉应力 导致疲劳开裂 龟裂 网裂 见图 c 图 d 龟裂 网裂则是因为铺装各结构层以及桥面板之间的粘接力不足 各层的材料的热 膨胀系数也不尽相同 粘接强度不足以抵抗层间的相对变形要求 各层也满足不了变形 的随从性 铺装层产生裂缝差别 或由于荷载的作用使处于负弯矩区的桥面铺装层受到 拉力的作用而产生负弯矩区裂缝 桥梁墩台沉降拉裂铺装层 高等级公路大跨桥梁的横 向越来越宽 在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析 对桥梁横向刚度重视不足 横 向构造措施不利使桥面铺装分担了过多的次内力导致铺装层开裂 桥面铺装横向裂缝 桥面铺装纵向裂缝 桥面铺装网裂 龟裂 d 桥面铺装纵向沟槽 图 2 5 桥面的裂缝形式 Fig2 5 Cracks of Bridge deck pavement 张志明 新型桥面防水技术的研究 14 2 2 沥青混凝土桥面铺装病害原因分析 影响桥面铺装破坏的因素很复杂 从广义上可概括为 所选择的铺装材料与桥面表 层的受力状况不相适应 造成这种不一致又有几方面的原因 有铺装层结构设计方面的 原因 又有施工方面的原因 包括沥青混凝土本身的内部因素 如材料 级配选择的不舍 适等 和外部因素 如超载 水损坏 等 2 2 1 桥面铺装层结构设计理论不足 合理的控制指标是进行结掏设计的重要依据 然而目前关于桥面铺装的研究还很不 成熟 并且现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面 而关于理论分析和结构计 算的研究很少 在对高速公路进行交通组织管理中 由于车道功能的不同 人为强制地 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高得多 量值可达三 至四倍 的运营应力水平 因此加快了主车道铺装层的疲劳 特别是随着私营运输业的发 展 货运业主为追求短期经济利益 通过改变车厢结构如加长车厢和加高车轴弹簧等使 汽车的载重 轴重及轮载成倍增加 这些车辆对铺装层具有严重的毁坏作用 并使桥梁 结构局部超载 加快了主车道铺装层的病害发展 桥面铺装受桥梁结构的约束 受荷后 其边界条件与一般路面相差甚大 加之梁体的挠度 扭曲等形变的耦合作用 给铺装层 的工作性能造成不利影响 桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击 桥面铺装部分或全部 参与了主梁结构的变形 因此桥面铺装是一个受力复杂的动力体系 各种形式的主梁及 铺装本身的构造均影响其应力的分布 然而现行规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料 做法及厚度等方面作了指导 性的说明 关于具体的设计理论与方法还是空白 铺装层的设计无章可循 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 从 而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患 因此 应加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研 究 在分析铺装层破坏形式的基础上 确定关键因素 提出控制指标 明确桥面铺装层 各结构层计算模型 力学特性及相关参数 并建立相应的破坏准则 为设计提供依据 保证设计模型的准确性 从根本上解决桥面铺装早期损坏问题 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 15 2 2 2 防水粘结层的设置不合理 桥面铺装的早期破坏与防水材料的选择 防水层的厚度 结构设计及施工技术和质 量密切相关 在影响桥面铺装质量的原因中 水的深入是造成冻融破坏 钢筋腐蚀 碱 集料反映 混凝土碳化等的最直接最主要的原因之一 因此 在桥面铺装中需设置防水 层 应从根本上切断水的来源 防止面层渗入的水进入桥面而破坏桥面板和腐蚀主梁钢 筋 从而有效保证混凝土桥梁免遭破坏 延长桥梁的使用寿命 提高桥梁上部结构的耐 久性 由于柔性防水层的强度与桥面板和铺装层的强度有差异 它的存在使上部结构形成 刚 柔 刚的板体受力体系 中间柔性夹层会增大桥面板中部的板底拉应力 处于防水 层上的铺装层一经开裂 在车轮的动载作用下 彼此间的缝隙越来越大 直到松散脱落 防水层的使用使铺装层发生剪切破坏的机率大大提高 沥青面层内和层间抗剪强度不足 常造成面层的推移 拥包 两层皮等病害 因此大幅提高层间抗剪强度 粘结力 和防水 性能是保证结构质量的关键措施 桥面防水层在行车荷载的多次反复作用下引起铺装层同上下层混凝土产生滑移 造 成桥面铺装层间的疲劳剪切破坏 桥面防水层在行车作用下 一方面承受循环水平剪切 应力 另一方面 桥面铺装层在荷载的反复作用下底面产生拉应变造成开裂 会对其产 生力的撕裂作用 加速了层间的剪切破坏 特别是箱梁 桥面板的变形使纵向肋 横隔 梁等刚性大的部位与桥面板连接处成为高应力区 并在这些位置处的铺装层内产生较大 的负弯矩 此处成为应力集中区 在高频率的弯拉应力作用下 防水材料不断地反复拉 伸变形 再随桥面混凝土协同变形 其与混凝土的粘结力不断衰减 随着循环应力的增 加 此区域有不断扩大的趋势 铺装层会出现疲劳破坏 因此 应确定粘层和防水层的 合理用量 在设计中 以粘结层的疲劳剪切破坏作为桥面层间设计标准将桥面铺装层与 桥面板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超过粘结层材 料相应的容许抗剪强度 即 max R 式 2 1 式中 max 理论计算得到的桥面铺装层与桥面板层间的最大剪应力 R 粘结层材料或防水层的容许抗剪强度 张志明 新型桥面防水技术的研究 16 2 2 3 施工原因 1 桥面厚度不足 桥梁上部结构施工时 主梁厚度控制不严以及预应力张拉起拱无 法精确地预测 施工中主梁顶面标高超限从而使桥面铺装厚度变薄 再与板面结合不好 遇荷载变形就造成网裂和渗水 2 混凝土施工配比不合理 原材料不合格或混凝土拌和不均匀的影响 水灰比偏大 造成混凝上干缩性大 砂石料级配不合理 少数混凝土质苗控制不严 含泥量大 振捣 不均匀使混凝土不密实 均造成桥面铺装渗水 3 主梁顶面未全面凿毛和铺装混凝土前没有彻底清理 使梁与铺装层形成隔离层 这些薄弱处在倚载反复作用下会造成混凝十破裂渗水 4 桥面连续处钢筋过密使得混凝七振捣不密实 连接缝因不做断缝和断缝不规则都 使水通过桥面由连接缝渗到梁体及盖梁 使得桥面及上部构造出现早期破坏 5 安装伸缩装置时 两端各 50era 宽混凝土面低于桥面出现积水 造成桥面渗水 6 桥面沥青混凝土在护栏边缘处压路机碾压不到位使得沥青混凝土不密实而透水 在冬季产生冰冻 使桥面铺装早期破坏 7 桥面钢筋网定位不准确 使部分钢筋网压于底部不能参与桥面铺装混凝土受力导 致混凝土受荷载作用产生裂缝而渗水 8 良好的养生是使水泥混凝土达到设计要求的保证 本桥桥面铺装混凝土作为桥梁 最后一项工程 当时被某一目标工期所制约 使得养生质量未得到保证 其强度也就不 能达到设计要求 9 本桥桥面施工后期 施工车辆过早的占用桥梁工程作为施工便道 也是造成桥面 铺装破坏产生渗水的原因之一 2 2 4 道桥防水材料标准的问题 制定标准的目的是为了规范和统一设计 施工方法 更好地满足工程要求 全面维 护消费者的利益 但仔细阅读分析目前实施的三个道桥防水材料标准 不难看出 三个规 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 17 范的缺陷不仅在于防水层厚度规定上各异 而且在规范的制定过程当中 材料生产企业 参与标准制定 竭力降低材料性能指标以符合本企业的需要 如某些标准条文列出 按 生产商要求 或者 在生产厂控制值之内 这种运动员与裁判员合一的做法对标准 产生了负面影响 失去了标准的意义 降低了标准的权威 2 2 5 交通荷载及其它原因所引起的损害 随着私营运输业的发展 货运业主为追求短期经济利益 通过改变车厢结构如加长 车厢和加高车轴弹簧等使汽车的载重 轴重及轮载成倍增加 车辆超载造成桥面铺装层 结构应力增大 加剧结构的损坏 目前车辆超载严重 轴载高达 20 30t 而路面设计标 准轴载为 10t 力学分析与实践证明 超载是桥面严重损坏的一个重要方面 此外 在对高速公路进行交通组织管理中 由于车道功能的不同 人为强制地使桥 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高得多 量值可达三至四 倍 的运营应力水平 因此加快了主车道铺装层的疲劳 桥面铺装的损坏一般是上述某几 种因素综合作用下而产生的 因而找原因时 要从各个方面来进行综合分析 张志明 新型桥面防水技术的研究 18 3 混凝土自防水设计 针对上述桥面铺装渗水的原因 应采用必要的和可行的措施对桥面铺装进行整治 本文主要从以下三方面介绍混凝土自防水的新技术 3 1 混凝土浇筑时采用渗透性模板 3 1 1 渗透性模板简介 渗透性模板的应用实质是在传统的钢模板 或木模板 与混凝土接触面上附着一层透 水模板衬垫 模板衬垫是一种表面接触性材料 它的两面有不同的功能 靠模板一面具 有排水 储存作用 把空气和多余的水分收集到与模板接触的表面 通过带有粗糙纤维 或网格的网纹表面清除 靠混凝土一面具有孔状结构 有保留水泥的作用 使表面更致 密 气孔更少 见图 1 模板衬垫只排除过多的水和空气 不会产生真空效应 水分通过 重力作用排出 在覆盖层的 20mm 内形成理想的 W C 水分 水泥 比值 如此 水泥的 水合作用更快 更完全 其结果是更高浓度的水泥和粉末降低了气孔的形成 最终获得 更紧密的混凝土表层 防止水分渗透到混凝土内部 衬垫与模板接触面 衬垫与混凝土接触画 图 3 1 渗透性模板衬垫的两面 Figure3 1 The template pad permeability 在使用常规模板时 混凝土的浇捣振动会将混凝土间隙中的空气和过多的水分赶到 模板的表面 导致气孔 其他表面瑕疵 W C 比值增加和混凝土覆盖层水泥浓度降低等 情况出现 使得这种多孔混凝土更易提早被侵蚀性有害物质穿透和受到破坏 而使用有 衬垫的模板 会以调控形式排出混凝土表面多余的水分和空气 水泥粉末被保留在表面 其结果是表面瑕疵和气孔很少 W C 比值降低 水泥成分增加 使得外覆盖层混凝土更 加致密 坚固 水分渗透性降低 钢筋构件受到更好的保护 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 19 3 1 2 渗透性模板的施工方法 1 根据箱梁形状 将衬垫分成五部分 即两侧翼板 两侧腹板和底板 除底板一次 性裁剪粘贴外 两侧翼板和两侧腹板每次裁剪粘贴 2 nl 长 2 衬垫打开和剪切后 至少 让衬垫平展并温热 10 min 在阳光直射下 内衬会伸展 变得更容易安装 3 用红蓝铅 笔在衬垫上精确画出需裁剪的形状 确保内衬和模板大小一致 防止衬垫扭曲 4 根据 已画出的模板形状和大小 用裁纸刀裁取模板衬垫产品 5 先将底板衬垫粘贴在已清理 干净的底模上 再绑扎钢筋 绑扎钢筋时必须穿干净工作鞋 防止污染钢筋 6 再粘贴 两侧翼板和腹板的衬垫 用胶黏剂将模板衬垫固定在钢模板上 网格面与模板相临 每间 距 20 40 cm 满涂一道胶 注意检查并确保模板衬垫固定牢靠 7 箱梁钢筋绑扎完毕并 验收合格后 开始安装钢模板 在钢模板运输和安装工程中必须小心谨慎 防止将粘贴 好的模板衬垫碰坏 8 箱梁模板拼装牢固 经检查合格后再开始浇筑混凝土 3 1 3 效果检查及注意事项 1 渗透性模板使用效果 模板衬垫保留了混凝土自身中的水分 形成一层固化膜 直到模板被移走 覆盖区 的气孔减少 将水分丢失降低到最小 并使混凝土中的水泥充分固化 提高了混凝土的 表面强度 使用渗透性模板衬垫与使用普通钢模板后的箱梁混凝土表面效果对比 见图 3 2 图 3 2 使用钢模板 左 与使用渗透性模板 右 后混凝土表面效果对比 Figure 3 2 steel template left and osmotic template right after the concrete surface effect 2 渗透性模板使用注意事项 张志明 新型桥面防水技术的研究 20 在粘贴衬垫到模板上时 注意衬垫两面的不同 切勿反向使用 并注意粘贴牢固 已粘贴好衬垫的钢模板在重复使用时 必须使用高压水枪进行清洗 将附着在衬垫孔格 内的水泥浆等杂物清洗干净 清洗过程中内衬如有松动 等钢模板晾干后重新用胶将衬 垫固定牢固 3 2 添加剂在桥梁混凝土中的应用 3 2 1 现存误区 部分设计人员采用混凝土膨胀剂而不是防水剂来配制自防水混凝土 并错误地认为 膨胀剂可提高混凝土的密实度 从而达到防水的目的实践证明 用膨胀剂配制的自防水 混凝土的防水功能是十分不可靠的 因为膨胀剂与水泥反应生成的膨胀组分是含有 32 个 结晶水的钙矾石晶体 它只有在氢氧化钙饱和溶液的弱碱性条件下才是稳定结构 根据水泥的凝结硬化理论 钙矾石属粗大型结晶矿物 是一种初级水化产物 在自然 状态下 随着水泥石的水化硬化 尤其是在混凝土碳化失水和中性化的过程中 包括软 水侵蚀条件 钙钒石还会继续转化为最终产物 3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 此时 由于钙矾石失去一部分结晶水 新生成的结晶产物体积会收缩 致使混凝土内部的孔隙 率提 高 强度下降 耐久性 尤其是抗渗性 抗冻性和耐侵蚀性 大大降低根据研究 掺有 钙矾石类膨胀剂的混凝土 只有长期在封闭的弱碱性潮湿环境条件下 才能保持其体积 的稳定性而不收缩 但干燥条件混凝土的碳化 以及软水的侵蚀均能引发其后期的体积 收缩 从而导致混凝土孔隙率的增加和强度的降低 此时如继续有渗透压力下流动的软 水侵蚀 则会加速混凝土的渗漏破坏进程 近年来 在部分地下有软水的地区 使用这 类混凝土膨胀剂所做的自防水混凝土工程 渗漏情况严重 就证明了这一点 3 2 2 关于自防水混凝土所用外加剂的讨论 1 在设计自防水混凝土时 应优先考虑使用混凝土防水剂而非膨胀剂 因为防水剂 在混凝土中产生的是凝胶体 其防水效果是持久可靠的 而膨胀剂产生的结晶体是相对 不稳定的 用其防水的条件也是有限的 且风险很大 尤其是在混凝土的耐久性方面是 十分不利的 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 21 2 虽然膨胀剂生成的水化硫铝酸钙 钙矾石 在混凝土凝结硬化过程中的微膨胀性 能起着提高混凝土早期强度和密实度 补偿混凝土收缩的作用 但由于其晶体结构的不 稳定性 在国际学术界却被公认为是危害混凝土耐久性的有害组分 水泥杆菌 因此 露天的 有耐久性要求 有冻融破坏和软水侵蚀可能的结构混凝土 均应避免使用普通 混凝土膨胀剂 3 若设计时须考虑控制混凝土的硬化收缩问题 如后浇带 最好的办法是采用复 合防水剂方案通常是将混凝土防水剂与一些新型低碱高效膨胀剂复合使用 或是用高分 子聚合物 水泥基渗透结晶型防水材料与低碱高效膨胀剂复合使用 使其能发挥各自的 优势 避免单独使用混凝土膨胀剂易造成的缺陷 3 3 硅烷浸渍混凝土防水技术 水在混凝土材料的整个服役过程中起着至关重要的作用 尤其是在混凝土结构的各 种劣化作用 冻融 碳化 化学侵蚀 碱 骨料反应 钢筋锈蚀等 中 水更是不可或缺 的必要条件和大多数失效机理与模型的控制因素 由此可见 对混凝土进行防水处理是提 高混凝土耐久性的有效途径之一 硅烷 硅氧烷有机硅防水剂是一种理想的混凝土 砖石 等建材的新型防水材料和表面密封剂 可以溶液 乳液 膏体等形式喷涂在混凝土结构 建筑物表面上 提高其防水 防污 防尘 防腐蚀等性能 可广泛应用于道路 桥梁 隧道 水工 海工等工程中硅烷浸渍技术在国外应用非常广泛 在国内也已经在许多重 点工程中成功使用 如北京五环高架 天津公路大桥 上海东海大桥 深圳盐田港二期 和三期工程 江苏连云港庙三码头以及嘉兴电厂二期码头 杭州湾大桥等工程应用实践 证明 硅烷浸渍混凝土防水技术对建筑结构物具有良好的防水 防护作用 因此 正确认 识与理解这项新技术对提高混凝土工程耐久性与服役寿命具有重要的意义 本文综述了目前硅烷类材料的防水机理 产品类别 防水效果评价及其施工技术 并 针对目前存在的问题 提出硅烷防护材料的发展方向 为其在各类混凝土防水 防护工 程中推广应用提供理论和实际指导依据 3 3 1 硅烷防水机理和类别 硅烷防水机理 张志明 新型桥面防水技术的研究 22 硅烷的防水机理在学术界已达成共识 首先硅烷在碱性物质激发下与混凝土中的水 分发生水解反应生成带有 3 个羟基的活性硅醇 还可与邻近的硅醇分子起交联反应 然 后 硅醇在混凝土及其毛细管孔隙的表面与羟基 来源于水泥中所含硅酸三钙和硅酸二 钙不断水化时产生的氢氧化钙 反应 形成不稳定的硅醇键 从而以化学键合方式相连 在混凝土表面和毛细管孔隙表面上形成憎水性的反应层 并起到一定的防水作用 具体 反应过程如图 3 3 所示 图 3 3 硅烷与基层混凝土表面反应示意图 Figure 3 3 silane and grassroots concrete surface reaction 一般地 混凝土表面防护材料可分为 3 类 表面膜层封闭材料 混凝土孔密实剂和 在混凝土表面孔隙内壁形成的连续的防水膜层 图 3 4 的 a b c 分别是这 3 种混凝土防护 材料在混凝土结构表面的示意图 图 3 4 混凝土防护材料防护种类 Figure 3 4 kinds of concrete protective materials 硅烷浸渍防水处理后混凝土表面生成的憎水层如图 3 4 所示 硅烷分子渗进混 凝土孔隙中 并在孔内壁上形成一层憎水膜层 从而使得混凝土基材形成了远低于水的 表面张力 未经过硅烷处理的混凝土表面亲水性强 水滴可以在其表面弥散开来 形成 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 23 较大的接触角 而经过硅烷浸渍处理的混凝土表面形成了憎水层 在其表面可形成滚珠 效应 更为重要的是 硅烷没有堵塞混凝土中的毛细孔 基材的透气性得以继续保持 这样既起到防水的功效 又可以保持混凝土结构的 呼吸 功能 为混凝土结构提供长期 持久的保护 提高建筑物的使用寿命 硅烷产品的类别 随着高分子分子设计技术的发展 目前市场上硅烷产品种类繁多 根据硅烷主要成 分及形态 可对硅烷产品进行不同的分类 按照主要成分来划分 硅烷产品可分为烷基 烷氧基硅烷和烯烃基烷氧基硅烷一般而言 烷基烷氧基硅烷类应用较多 其主要产品有 异丁基三甲氧基硅烷 异丁基三乙氧基硅烷 异辛基烯三甲氧基硅烷 异辛基烯三乙氧 基硅烷等 最近聚长链烷基硅烷水乳液技术也崭露头角 填补了国内这方面的空白 一般 地 工程应用首选的硅烷种类是异丁基三乙氧基硅烷或正丁基三乙氧基硅烷 因为它兼 具优异的憎水性和在抗碱性条件下可达到最大的渗透深度 DOP 相比之下 带较长基 团 辛基 的硅烷表面凝珠效果虽然良好 但在非常致密的高强混凝土中的 较小 烯烃 基烷氧基硅烷产品主要有乙烯基三甲氧基硅烷 乙烯基三乙氧基硅烷 甲基丙烯酰氧基 丙基三甲氧基硅烷 异丁烯三乙氧基硅烷等 与烷基烷氧基硅烷相比 其应用较少按照形 态来划分 硅烷产品主要有溶液状 乳液状 膏体 凝胶和干粉状等诸多形态 据资料显 示 传统液态的硅烷产品黏度低容易挥发 在顶面及立面施工时有效成分大量流失 为 克服这些弊病开发出了膏体以及凝胶状硅烷产品 由高固含量硅烷乳化而成的膏体以及凝 胶状硅烷在顶面及立面施工具有更好的防水效果 它们不易挥发且施工方便 还可以减 少硅烷的损耗量 但在水平面上施工 液态硅烷和膏体以及凝胶状硅烷应用差别不大 可 以发挥同等效果的防护作用 3 3 2 硅烷的防水性能 提高建筑物的防水性 混凝土 砖 石结构建筑物的主要化学成分为硅酸盐 它们具有较强的吸水性 水 通过毛细管将有害物质带入建筑物内部 进而破坏建筑物的内部结构 降低使用年限 硅烷对硅酸盐基建筑材料有很强的渗透能力 并在材料表面和孔隙内部形成稳定的疏水 表面 因此经硅烷处理的混凝土渗透系数迅速下降 具有很强的防水功能 张志明 新型桥面防水技术的研究 24 图 3 5 所示的为几种硅烷类防水材料浸渍混凝土后测试的吸水系数曲线图 从中可 以看出 经硅烷浸渍的混凝土吸水系数较空白混凝土下降许多 这说明硅烷具有很强的 防水功能 图 3 5 硅烷浸渍混凝土吸水系数曲线示意图 Figure 3 5 silane soakage concrete bibulous coefficient curve drawing 2 提高混凝土结构的耐久性 混凝土结构的耐久性 是指其