（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥面防水粘结层的试验研究.pdf

摘要 防水粘结层是确保水泥混凝土桥梁结构耐久性和层间粘结的关键 防水粘结层既 可防止水分下渗 又能将铺装层与桥面板粘结成一体 提高层问的抗滑动性能 改善 其整体受力特性 延长桥面的使用寿命 提高桥面的行驶质量 本文首先对水泥混凝土桥面铺装层的病害种类进行调研 分析了病害的成因 并 在此基础上总结了防水粘结材料的种类 对比了不同类型材料的特点 结果表明在江 苏省更适合采用涂膜类防水粘结层材料 其次 在线弹性状态下建立有限元模型 重点分析了层顶最大竖向压应变 层间 剪应力和层问竖向拉应力的大小及分布规律 通过计算不同荷载和不同模量下铺装结 构的受力状态 研究了各参数变化对铺装结构受力状况的影响 为防水粘结层的合理 选择提供了理论依据 再次 对英国t r l 美国a s t m 德国t p b e l b 和我国行业标准中防水粘结材料 的试验方法进行了对比与总结 改进了桥面防水粘结层抗剪强度 抗拉拔强度和抗老 化性能试验的评价方法 增加了防水粘结层抗水损害性能的评价方法 并给出了相应 的技术评价指标 最后 通过对s b s 改性沥青 橡胶沥青 专用防水涂料f y t s b s 改性乳化沥青 进行的一系列室内性能试验表明橡胶沥青和s b s 改性沥青更适合于做防水粘结层材 料 关键词 桥面铺装 防水粘结层 力学分析 试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nw a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s eo f c o n c r e t eb r i d g ed e c k a b s t r a c t t h ew a t e r p r o o fb i n d m gc o b r s en o to r a yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r e st o e n s u r et h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t eb r i d g es t r u c t u r e s b u ta l s oi sc r u c i a lt oe n s u r et h a tt h e p a v e m e n ta n db r i d g ed e c kc a nb eb o n d e df i r m l y w a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s ec a np r e v e n t w a t e ri n f i l t r a t i n gi n t oc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n db o n dt h e ma saw h o l e w h i c ha f f e c tt h e a n t i s l i d ep e r f o r m a n c e s a f e t y s e r v i c el i f ea n dr i d i n gc o m f o r to fd e c kp a v e m e n td i r e c t l y f i r s t l y b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fd a m a g es t y l e sa n dr e a s o n so fd e c kp a v e m e n t t h e p a p e rp r e s e n t e dt h ei m p o r t a n c eo fw a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s eo fc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n d s u r v e y e dt h em a i nt y p eo fw a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s em a t e r i a l s f u r t h e r m o r et h ep a p e rg o t t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tt y p e so ft h e ma c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni i le n g i n e e r i n g t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o a t i n gi sm o r es u i t a b l et ou s ei n j i a n g s up r o v i n c e s e c o n d l y a c c o r d i n gt of i n i t ee l e m e mt h e o r y t h ep a p e rs i m u l a t e daf i n i t ee l e m e m m o d e lu n d e rl i n e a re l a s t i c i t yc o n d i t i o n a n da n a l y z e dt h em a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o no ft h e m a x i m u mv e r t i c a lc o m p r e s s i v es t r a i no nt h et o p s h e a rs t r e s sa n dv e r t i c a lt e n s i l es t r e s sa n d p r e s ss t r a i nb e t w e e nl a y e r s b yc a l c u l a t i n g t h ec a s e so fb r i d g ed e c kp a v e m e mw i t hd i f f e r e n t l o a d i n g sa n dd i f f e r e n tm o d u l e so fa s p h a l tp a v e m e n t t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s o fb r i d g ed e c kp a v e m e n to nt h es t r e s s e sa n ds t r a i n sa r ec a r r i e do u t t h er e s u l t sp r o v i d e da t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rc h o o s i n gr e a s o n a b l ew a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s e t h i r d l y b a s e do ns u r v e y i n gt h el a b o r a t o r yt e s t i n gm e t h o d so fw a t e r p r o o fb i n d i n g c o u r s e c o m b i n e dw i t ht h em o s tn e w r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h ep a p e ri m p r o v e dt h e m e t h o d so fs h e a f i n gt e s t i n g p u l l o u tt e s t i n ga n da n t i a g i n gp e r f o r m a n c et e s t i n g a n d p r o p o s e dt h em e t h o do ft e s t i n ga n t i w a t e rd a m a g ep r o p e r t y t h e n s o m et e c h n i c a ls t a n d a r d s o fw a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s eh a db e e ng i v e n f i n a l l y t h ep a p e rc h o s ef o u rk i n d so fw a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s em a t e r i a l s s b s m o d i f i e da s p h a l t r u b b e ra s p h a l t s p e c i a lw a t e r p r o o fc o a t i n gf y t s b sm o d i f i e de m u l s i f i e d a s p h a l t a n dc a r r i e das e r i e so fp e r f o r m a n c et e s t s t h ef i n a l t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tr u b b e r a s p h a l ta n d s b sm o d i f i e da s p h a l tw e r eb e t t e rt h a nt h eo t h e r s k e y w o r d b r i d g ed e c kp a v e m e n t w a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s e m e c h a n i c a la n a l y s i s e x p e r i m e n t a ls t u d y 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果 尽我所知 除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式注明并表示感谢 本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者 本人签名 l 司键玮如降莎月立日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留 使用学位论文的规定 同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 中国科学技术 信息研究所 国家图书馆等 允许论文被查阅和借阅 本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以汇编和综合 为学校的科技成果 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于不保密邑 请在以上方框内打 学位论文作者 本人签名 i 司键嬉矽哆年多月文日 指导教师c 枞签触么以川年易月参日 致谢 本文是在恩师王大明副教授的悉心指导下完成的 导师深厚的学术造诣 渊博的 理论知识 丰富的工程经验 严谨的治学态度以及一丝不苟 埋头苦干的钻研精神 对学生都是莫大的教诲 导师的谆谆教导将使学生终生受益 在攻读硕士学位的期阃 里 导师在学习和生活上都给予了学生很多的鼓励和帮助 在此论文完成之际 谨向 导师表示诚挚的谢意和深深的敬意 同时衷心感谢江苏省交通科学研究院道路工程研究所的白琦峰工程师给我参与 项目研究的机会和日常的思路启发与指导 感谢道路所吴春颖博士 叶勤工程师 关 永胜工程师 何连明助工 颜玉进助工 侯俊助工 杨建新助工 苏利明助工 雷启 明助工在试验和学习过程中所给与的关心和帮助 感谢河海大学张胜朋同学和研究生同学程庆在论文撰写过程中提出的宝贵意见 和建议 特别感谢一直关心我 支持我 鼓励我的老师们 同学们和朋友们 您们是我前 进的动力 借此论文完成之际 祝愿各位身体健康 万事如意 作者 周键炜 二oo 九年六月二e l 1 前言 1 1 概述 近年来 水泥混凝土桥梁在公路和城市高架中所占的比例越来越大 对于水泥混 凝土来说 裂缝几乎不可避免 由于裂缝的存在 水很容易侵入混凝土内部 腐蚀其 受力钢筋 最终造成桥梁的结构性破坏 水进入水泥混凝土中间还会加重混凝土的冻 融损坏 特别是北方地区冬季会撒盐除冰 盐水对钢筋的腐蚀更为严重 因而做好水 泥混凝土桥面的排水和防水尤为重要 目前一般在水泥混凝土桥面上铺装沥青混凝土 面层 于层间结合处设置防水层 同时为了方便施工 减少层间接触面 取消专门的 防水层 或将防水层和粘结层并为一层 在设计施工中选择兼具防水 粘结功能为一 体的材料层 称作防水粘结层 位于水泥混凝土桥面板与沥青混合料铺装层之间的防 水粘结层对于桥面铺装的使用性能与寿命起着关键性的作用 是确保其结构耐久性的 重要措施之一 水泥混凝土桥面沥青铺装层病害原因分析认为按照一般路面防水粘结层的技术 要求来铺筑的水泥混凝土桥面沥青铺装层往往难以满足使用要求 因为水泥混凝土桥 面防水粘结层工作环境比路面更加恶劣 研究表明 l 2 如果桥面铺装未设防水层或 者防水效果不好 则从面层渗入的水或防冻盐溶液会引起桥面板的损坏 甚至腐蚀主 梁钢筋 威胁主梁安全 同时主梁下部出现盐霜或渗水现象 亦将影响桥梁美观 如 果所设防水层与桥面铺装层及桥面板间粘结力不足 抗水平剪切能力较弱 则桥面铺 装系的整体性被破坏 在水平方向上易产生相对位移而发生剪切破坏 产生推移 拥 包等 通车后在荷载的作用还易出现松散 剥落等病害 尤其是随着交通量和重型车 辆的增加 汽车重载超载情况下的破坏会更为严重 调查表明 在全美5 8 3 0 0 0 座桥梁中 有3 0 桥面铺装层存在问题i j j 根据英 国桥面防水协会 b r i d g ed e c kw a t e r p r o o f i n ga s s o c i a t i o n b d w a 的资料显利引 美 国有将近2 0 万座桥梁正遭受腐蚀 用于更换或翻新的直接成本5 2 亿美元 我国其它 地区也出现了相似的状况p j 目前 我国对大跨径钢桥面的桥面铺装研究的较为广泛 也取得了一定的成果 但对于数量巨大的水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装层特别是起关键作用的防水粘 结层研究的还比较少 技术还不够成熟 与其数量极不相称 同时 江苏省湖泊河流 密布 路网发达 水泥混凝土桥梁数量众多 水泥混凝土桥面是公路建设的重要组成 部分 但水泥混凝土桥面建设却是我省公路建设中比较薄弱的环节 鉴于上述情况 有必要对水泥混凝土桥面特别是起关键作用的防水粘结层 从结构设计 材料选择和 施工工艺等方面进行研究 从而指导水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装层的设计和施 工 保证防水粘结层的使用质量 防止桥面铺装层出现早期病害 提高桥面结构的耐 久性 延长桥梁的使用寿命 1 2 国外水泥混凝土桥面防水粘结层研究概况 据英国桥面防水协会 b d w a 称1 4 j 早在1 9 4 5 年 英国战时运输部 m i n i s t r yo f 晰t r a n s p o r t 就出版了关于桥梁设计和施工的第5 7 7 号备忘录 其中包括把沥青胶 泥 m a s t i ca s p h a l t 作为一个可接受的防水材料 但实际上应用效果并不理想 2 0 世纪6 0 年代除冰盐的大量使用促使英国运输部在1 9 6 5 年1 2 月发布一个桥面 防水的技术备忘录b e l 其中强制规定高速公路和主干道路必须采用防水层 1 9 7 1 年 英国规定防水材料和防水系统必须满足交通部b e 2 71 9 7 0 技术备忘录 的要求 在1 9 9 4 年 运输部出版了b a 4 7 和b d 4 7 并在1 9 9 9 年再版之后作为欧洲 标准 此外 自1 9 7 5 年以来 用于桥面防水的材料必须经过一系列的测试 以便获 得英国a g r 6 m e n t 道路和桥梁的证书并满足当时的标准 美国联合道路研究计划 n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m n c h r p 在1 9 9 5 年发出的一份桥面防水报告指出1 6 j 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钢筋腐蚀的主要原 因 这促进了提高和改进混凝土质量 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 7 j 19 7 2 年7 月 经济合作与发展组织 o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o o p e r a t i o na n d d e v e l o p m e n t o e c d 的十四个国家联合就 混凝土桥面防水 发表一份研究报告睁j 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 就主要成员国大多采 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e 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一j 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 l0 防水层与面层和桥面之间的粘 结力一般能满足行车的需要 但几乎所有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 英国的交通研究所 t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y t 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 料进行了系统的测试和研究 认为一般防水材料在沥青混合料的高温和压路机碾压作 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 用性能有一定影响 l 卜1 3 j 丹麦道路研究所 d a n i s hr o a di n s t i t u t e 在2 0 0 0 年的1 0 6 号报告中也明确提出了 水泥混凝土防水层的重要性和技术要求1 1 4 j 总的说来 国外对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防粘层的研究只局限于防粘材 2 料的筛选和大规模室外现场试验的应用研究 部分试验方法比较复杂 可操作性不强 而且他们所提供的技术标准多为定性指标 受试验人员的影响比较大 同时国外对理 论计算涉及的还比较少 1 3 国内水泥混凝土桥面防水粘结层研究概况 国内最早是在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 但当时并未对此做系统研 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执行 所使用的产品也大都为屋面防水材料 但桥面比屋面的条件要严苛得多 除要求防水 粘结层材料具有不透水 耐高温 耐低温 耐腐蚀 耐老化 与上下接触层粘结良好 外 更重要的是桥面防水粘结材料还会受到汽车荷载水平力和垂直力的综合作用 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 列1 5 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 型聚氨脂防水涂料 使用结果表明 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 因此只在有限范围内 使用 大面积推广应用有待进一步研究 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 类材料时 其上应铺筑厚度为l 1 5 c m 的保护层 细粒式沥青混凝土 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 8 年 长安大学的裴建中针对防水材料 环境温度和混凝土表面状况等因素对 防水层粘结性能和抗剪性能的影响进行了分析后认为 不同材料类型 同一材料类型 不同材料组成的粘结 抗剪性能差别很大 另外材料的粘结 抗剪性能随温度变化很 大 不同地区不同气候条件下材料选择应有所不刚1 6 j 1 9 9 9 年 北京建筑工业大学的高金岐和罗晓晖采用不同的基质材料对不同的粘结 剂进行了抗剪试验 分析了各种因素对抗剪强度的影响 得到了抗剪强度较高的粘结 材料及各自的最佳用量 l7 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 对北京禹王专用粘结剂等4 种国内外防水材料进行了桥面防水实验 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i l 引 2 0 0 2 年东南大学与山东省公路管理局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 并对防水粘结层的施工工艺进行了研究 l 引 2 0 0 4 年江苏省高速公路指挥部在常澄高速公路c c 一2 1 标和扬州西北绕城高速公 路开展了桥面防水层试验研究 铺筑试验路段 并进行相关检测 同年 交通部颁布 实施行业标准 路桥用水性沥青基防水涂料 j t t 5 3 5 2 0 0 4 z u j 和 路桥用塑性体 a p p 沥青防水卷材 j t t5 3 6 2 0 0 4 2 1 但标准中没有明确的防水粘结层设计 方法和施工工艺 其中的试验方法和性能评价指标也有待完善 2 0 0 6 年 李小重 范要武 黄晓明等对2 0 5 国道线上的滨州黄河公路大桥是进行 了水泥混凝土桥面铺装防水粘结层的分析与设计 l 高雪池调查了桥面铺装损坏类型 及损坏原因 并运用三维有限元方法计算了桥面铺装层在静态车辆荷载不同作用位置 下的拉应力 应变 铺装层内和层间剪应力 确定了桥面铺装层体系受力最不利的 荷载位置 通过理论研究和试验对比 提出了沥青铺装层和防水粘结层材料设计的拉 应力 剪应力控制指标瞄引 宋金华 王立新 田集体 陈凤桐等从沥青混凝土桥面铺装对防水材料的性能要 求出发 系统分析了乳化剂种类 乳化剂含量 固含量 胶乳 填料 温度等诸多因 素对防水层材料粘结力的影响 并通过剪切试验 确定了适宜的防水涂料最佳用量 同时对垂直压力 剪切速率对层间抗剪强度的影响规律进行了探讨 2 3 1 目前在力学分析方面 我国对于水泥混凝土桥面沥青铺装层的研究还处于起步阶 段 在桥面铺装结构分析方面进行的研究一般都是假定桥面铺装层与桥面板为连续的 弹性层状体 运用线弹性理论分析铺装体系在荷载作用下的应力及应变状态 其中卢哲安等人对某简支梁桥进行了实桥静力与动力测试 并进行了分析计算 认为桥面铺装层的强度不是桥面铺装破坏的原因 而桥面铺装与桥面板之间粘结层强 度不足可能是桥面铺装层破坏的原因 并强调应对桥面铺装进行疲劳试验研究 2 4 j 西安公路交通大学的张占军 胡长顺等人对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构 进行了较为系统的研究后发现 防水层剪切破坏是水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装损 坏的主要原因 作者通过力学计算与试验分析 建立了抗剪强度指标 并且提出了桥 面沥青铺装层厚度的计算方 法1 2 5 2 7 j 哈尔滨工业大学的徐伟采用三维有限元分析技术 对大跨径混凝土斜拉桥桥面铺 装体系进行了三个层次的力学分析 通过研究发现大跨径混凝土桥梁桥面铺装受力特 点变形不会造成沥青桥面铺装破坏 粘结层结构是影响整个铺装层体系性能的关键因 素之一 也是桥面铺装与普通路面结构的一个主要区别 粘结层破坏或失效是目前许 多桥面铺装破坏的一个重要原因 2 8 1 徐伟 白海涛 张肖宁结合广东崖门大桥的桥面 铺装设计研究 应用有限元数值模拟计算技术 对大跨径混凝土斜拉桥沥青桥面铺装 进行了系统的力学分析睇引 2 0 0 7 年 汪东杰 王晓磊 黄晓明针对钢管混凝土系杆拱桥的受力特点 建立力 学分析模型对桥面铺装体系进行受力分析 找出了铺装层的最不利荷载位置和加载方 式 研究了该位置和加载方式下铺装层的应力应变规律 确定了铺装层设计的各个控 制指标 3 0 杨新民 王雨用层状弹性体系力学理论 对沥青混凝土铺装层结构体系在 轮载作用下的应力响应进行了分析 然后结合河南宛坪 南阳一西坪 高速公路上的 重阳水库大桥实际工程 应用a n s y s 有限元程序进行数值分析 得到铺装上 下层 不同厚度及模量组合对铺装结构应力响应的影响 3 1 j 中交第三公路工程局有限公司 4 江苏省交通科学研究院以线弹性分析理论为基础 以通用有限元分析软件a n s y s 作 为计算分析工具 运用三维有限元法对杭州湾大桥水泥混凝土桥梁的桥面铺装受力进 行计算分析 3 2 乔乐刚 乔乐同 吴浪以板壳结构的弹性理论为基础 利用材料力学 与复合材料力学知识研究了桥面铺装体系的力学特性 指出应该以桥面弯矩 m 作 为铺装层设计的力学控制指标 33 总的来说 我国现在对于水泥混凝土桥沥青铺装层的研究还处于起步阶段 只取 得了一些探索性的研究成果 随着今后的研究深入 必须将理论计算和材料试验相结 合 这样才能找到行之有效的方法来解决铺装层的破坏问题 在今后的研究中 我们 应当参照己有的方法 借鉴其合理的方面 改进其不足 将力学计算和试验结合起来 相互验证 以得到行之有效的研究方法 而且桥面铺装的非力学影响因素的问题也有 待于进一步深入研究 此外 对桥面防水粘结的试验研究才刚刚起步 桥面防水粘结 材料的施工工艺主要参照房屋建筑防水工程 尚未建立一套完善适用的性能指标和试 验手段 也值得继续深入研究 1 4 研究的意义及目的 纵观国内外对水泥混凝土桥面防水粘结层的研究情况 由于世界各国对桥面铺装 研究的历史还不长 在研究中还存在一些需要进一步解决的问题 首先 虽然许多国家投入了大量的人力 物力 财力进行桥面铺装的研究 但这 些研究大多侧重于材料的性能方面 不能准确反映出桥面结构对铺装层受力变化的影 响 所取得的研究成果带有很强的经验性和区域局限性 适用范围不广 其次 由于相当成功的工程实践还不多 各国都在积极的探索中 还没有获得世 界公认的结构设计组合形式 结构厚度 材料种类及设计指标 验算方法及指标等 没有形成系统的设计理论依据 第三 桥面铺装层力学分析中 从模型的建立 材料属性的定义等方面还与实际 情况存在出入 如何改进这些问题将成为未来研究的重点 第四 目前国内外已明确水泥混凝土桥面的沥青铺装结构必须由防水粘结层和沥 青铺装层组成 但对桥面防水粘结的研究和试验才刚刚起步 交通部颁布实施的行业 标准 j t t 5 3 5 5 3 6 2 0 0 4 许多地方是借鉴建筑用防水材料的试验规程 由于屋面 防水和桥面防水的差异性 该标准在桥面防水粘结材料选择上存在一定困难 第五 桥面铺装的施工工艺研究较少 施工工艺是影响桥面防水粘结层使用效果 的重要因素 由于防水粘结材料物理 化学性质的差异 不同防水粘结材料对施工工 艺有不同的要求 例如在桥面铺装施工时 运输车 压路机等就有可能将防水层粘走 如此一来 水从面层渗入使得其抗水平剪切能力更弱 粘结性能更差 防水层起不到 应有的效果 我国目前尚没有完善的防水粘结层施工规范或指导意见 桥面防水层施 工往往参照屋面防水处理的工艺 难以保证施工质量 同时 桥面防水粘结层施工缺 少可行的现场质量控制 目前的施工现场检测主要是对施工厚度和外观的评价 而缺 少对现场施工质量 如粘结强度 剪切强度等 的检测项目 无法有效的进行工程质 量的控制 我国高等级公路桥梁建设日益发展 进行水泥混凝土桥面防水粘结层的研究十分 紧迫和必要 一是因为水泥混凝土桥梁数量众多 二是桥梁的基准设计期为1 0 0 年 对于桥面防水粘结层只要设计施工得当 5 0 年更换一次即可 平时对桥面磨耗层进行 养护就能满足使用要求 如果能够有效解决桥面的防水问题 将节省一笔高额的开支 产生巨大的经济效益 所以与之相关的结构 材料和施工 只要其中的任一方面取得 了突破 都将促进水泥混凝土桥面防水粘结层的研究和应用 本文是江苏省高速公路建设指挥部和江苏省交通科学研究院研究课题 水泥混凝 土桥面防水粘结体系的试验研究 的一部分 将着重进行防水粘结层材料试验方面的 研究 1 5 水泥混凝土桥面防水粘结层的技术关键 水泥混凝土桥面防水粘结层作为桥面板与铺装层的联结过渡层 由于其所处位置 的特殊性 对其的技术要求也比较严格 首先 桥面铺装在行车荷载 梁体变形和环境因素的共同作用下 与一般道路相 比 受力条件及使用条件要复杂的多 防水粘结层处于桥面板与铺装层之间 桥面板 的变形 大跨度桥梁本身的变形 位移 振动都将直接影响防水粘结层的工作状态 而且 一般桥面板的模量最大 沥青铺装层的次之 而防水粘结层材料的模量却小很 多 相当于二者之间的一个软弱夹层 因而应该在深入研究桥梁结构受力的基础上 分析桥面防水粘结层的实际应力应变状况 为防水粘结层材料选择和结构组合设计提 供控制性指标 标准和力学上的理论依据 其次 防水粘结层所处的环境条件严苛 特别是在高温和低温的交替作用下 容 易造成车辙 推挤 脱层 疲劳裂缝等病害 因而温度对防水粘结层的影响不容小觑 在高温条件下 一般的防水粘结层材料会发生明显的软化甚至流淌 这样会显著降低 防水粘结层的使用效果 在轮载的反复作用下 容易因剪切强度降低而发生推移脱层 等病害 改变了整个桥面铺装体系的受力状态 在低温条件下 由于防水粘结层材料 的柔韧性不足 在荷载的反复作用下 容易导致裂缝产生 起不到应有的防水效果 这就要求深入研究防水粘结层的温度敏感性能 使桥面防水粘结层材料具有良好的高 温稳定性和低温抗裂性 第三 防水粘结层是确保其结构耐久性的重大措施之一 也是保证铺装层与桥面 板粘结成一个整体的关键 如果桥面铺装未设防水层或者防水效果不好 则从面层渗 入的水或防冻盐溶液会引起面板的损坏 甚至腐蚀主梁钢筋 威胁主梁安全 同时 主梁下部出现盐霜或渗水现象 也将影响桥梁美观 因而研究防水粘结层的抗渗性 特别是在高压水头作用下的抗渗性显的尤为重要 第四 沥青铺装层通过防水粘结层与桥面板粘结为一体共同受力 但是如果所设 防水层与桥面铺装层及桥面板间粘结力不足 抗水平剪切能力较弱 则桥面铺装体系 的整体性被破坏 在水平方向上易产生相对位移发生剪切破坏 产生推移 拥包等病 害 车辆行驶中车轮的剧烈冲击和荷载的作用还易使桥面出现松散 剥落等病害 尤 其在汽车重载超载情况下破坏会更为严重 因此 防水粘结层必须提供足够的粘结力 6 将铺装层与桥面板粘结成一个整体 充分发挥铺装层与桥面板的复合作用 改善桥面 板与铺装层的受力情况 第五 桥面铺装在施工过程中考虑到桥梁主体的安全 一般对铺装层的施工工艺 要求比较严格 如果在摊铺的过程中产生沥青混凝土离析 防水粘结层达不到防水和 粘结的设计效果 会使得桥面上的沥青混凝土铺装层的实际空隙率偏大 或达不到铺 装层与桥面板层间连续的要求 在交通量大和重载车辆特别是超载车辆多的情况下 更容易造成桥面铺装层早期水损害 所以 需要进一步研究桥面铺装各结构层的施工 工艺 使桥面铺装层各层达到质量技术要求 实现各结构层材料的最大效能 综上所述 防水粘结层的技术关键主要体现在结构设计 材料选择和施工工艺三 个方面 良好的结构设计是基础 合适的材料的选择是关键 严格的施工是保障 材 料选择作为最重要的部分之一 它涉及到防水粘结层的高温稳定性 低温抗裂性和整 体的粘结和防水效果 因而 开展防水粘结层的研究工作是重点中的重点 关键中的 关键 1 6 主要研究内容及方法 本文将对国内外水泥混凝土桥梁桥面防水粘结层的结构 材料进行调研 在采用 有限元分析软件对水泥混凝土桥梁桥面防水粘结层进行力学分析的基础上 对防水粘 结层的室内性能的试验方法和评价指标进行研究 其主要研究内容如下 1 水泥混凝土桥面铺装层病害调查 水泥混凝土桥面铺装层的破坏形式有诸多形式 常见的有推移 拥包 松散 坑 槽 车辙 开裂等 但这些病害并不一定都和防水粘结层有关 有的病害是由于面层 沥青混合料设计不当造成的 有的是由于施工管理不到位造成的 所以调查水泥混凝 土桥梁桥面铺装层的病害种类和产生原因就尤其重要 只有找准了问题之所在 才能 对症下药 解决问题 本文将调研水泥混凝土桥梁的铺装层的病害情况并对其破坏原 因进行分析 特别是对与防水粘结层有关的破坏类型给予重点关注 2 水泥混凝土桥面防水粘结层的材料分析 目前我国的防水材料种类很多 比较常用的有卷材类 涂膜类 化学类等 现有 的桥面防水材料多数是从建筑防水材料演变过来的 但用于桥面的防水材料要求比较 高 应该具备抵抗面层摊铺和碾压设备的能力 抵抗热沥青混合料高温作用的能力 经受行车考验能力 并在此条件下仍与混凝土桥面板和沥青混凝土铺装层粘结良好的 能力 因为桥面防水粘结层材料类型较多 技术性能相差较大 所以需要综合分析各 种防水粘结层材料的技术特点 以便于结合具体工程情况进行桥面防水粘结层的选择 和应用 3 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装病害机理研究 根据病害调查数据和材料分析结果 采用力学计算分析病害产生原因 水泥混凝 土桥面板刚度比道路路基大 而柔度相对较小 就尺寸而言 桥面板厚度一般不超过 3 0 0 m m 可以视为有厚度的壳板 而路基则应视为无限厚的半空间体 因此对水泥混 凝土桥面板上的沥青混凝土铺装层的要求不同于路面 桥面铺装病害不同于正常路段 7 的受力特点是其病害产生的内在原因 为此 通过力学分析可以对水泥混凝土桥面铺 装的破坏机理进行研究 本论文将采用有限元分析软件a b a q u s 分析荷载 铺装 层模量等参数变化对桥面铺装体系的受力影响 基于有限元三维实体模型的桥梁结构 分析 与实际情况比较吻合 而且可以更精确地模拟和研究桥梁结构以及铺装层承载 前后的应力应变变化规律 本文将重点以层顶横向拉应变 层顶竖向压应变 层间剪 应力 层间竖向拉应力为指标 分析桥面铺装层病害形成的机理 以此深刻认识受不 同因素影响时桥面铺装的受力特点 为材料选择 结构设计 施工控制等提供理论依 据 4 水泥混凝土桥面防水粘结层的室内试验研究 国家交通行业标准j t f f 5 3 5 5 3 6 2 0 0 4 提出了防水粘结材料的试验方法和技术要 求 但其仅适用于水性沥青基桥面防水粘结材料和塑性体 a p p 沥青防水卷材 其 它材料 如改性沥青 其它卷材类 的试验方法仍然无章可循 同时 目前的防水粘 结材料试验方法和技术要求还不够全面 例如 在粘结强度试验和剪切强度试验中 没有考虑防水粘结材料在使用过程中反复浸水作用对其粘结强度和剪切强度的影响 防水材料的老化试验要求氙弧灯照射3 0 d 耐腐蚀性试验要求浸泡15 d 这些在实际 的检测中不易操作 因此 有必要根据实际条件对目前的桥面防水材料试验方法和技 术要求进行补充 完善 另外 欧洲标准协会 e u r o p e a ns t a n d a r d si n s t i t u t e c e n 美国材料与试验协会 a m e f i c a j ls o c i e t f o rt e s t i n gm a t e r i a l s a s t m 英国交通研究 所 t r l 等机构分别提出了防水粘结材料的试验方法 本论文将系统的分析各国试 验方法 在我国交通行业标准j t t 5 3 5 5 3 6 2 0 0 4 的基础上 提出合适的防水粘结层 性能试验方法和技术指标 5 防水粘结层材料的室内性能试验 在桥面铺装层的病害成因 防水粘结层的材料分类 铺装体系的力学分析 试验 方法及关键指标分析的基础上 本文将选取比较有代表性 应用前景看好的涂膜类桥 面防水粘结材料进行的性能试验 试验项目包括其高温性能 低温性能 不透水性能 抗剪性能 粘结强度 抗水损害性能 抗老化性能等 以此对比s b s 改性沥青 橡 胶沥青 专用防水涂料f y t s b s 改性乳化沥青的技术性能 为桥面防水粘结材料的 选择提供参考 8 2 水泥混凝土桥面铺装的病害成固 沥青混凝土桥面铺装层由于平整连续无接缝 抗滑性能好 行车安全舒适 在我 国的应用越来越广泛 但是沥青混合料是作为典型的粘弹性材料 其路用性能受诸多 因素的影响 例如温度 气候 荷载 沥青和矿质材料的性能 混合料的级配及其旌 工工艺等等 目前尽管桥梁的结构形式不断创新 桥梁跨径也不断创新高 但桥面铺 装的设计方法和施工工艺仍沿用传统的方法 我国对沥青混凝土桥面铺装的技术研究 尚处于起步阶段 仍有许多技术问题亟待研究解决 随着交通流量和重载车辆的增加 桥面铺装出现了一些较为普遍的病害 如开裂 车辙 拥包等 这不仅影响桥梁的美 观 而且给行车安全带来了严重的危害 随之而来的维修和养护也造成了很大的经济 损失 本章将对水泥混凝土桥面铺装层的病害种类和成因进行系统分析 2 1 水泥混凝土桥面铺装病害的种类 1 开裂 桥面铺装层顶出现的横向或纵向裂缝 如图2 1 所示 2 坑槽与补坑 重车荷载对局部冲击导致桥面铺装层的薄弱区域 如纵缝或 铰接处出现局部破碎 坑槽及修补情况 如图2 2 所示 3 表面变形 沥青混凝土高温时流动变形导致的在车轮带出现的车辙及其附 近的推移 如图2 3 圈2 4 所示 4 表面缺陷 沥青混凝土构成设计本身不合理导致的沥青混凝土铺装层出现 的松散 剥离 泛油 集料磨光 透水等破坏形式 劳tl 一 图2 1 桥面裂缝图2 2 桥面车辙 f i g u r e2 1c r a c k i n go f d e c k f i g u r e2 2 p o t h o l eo f d e c k r 芦葛烹毫 手 7 一 二 j 图2 3 桥面推移图2 4 桥面车辙 f i g u r e2 3s l i p p a g e f l o wo f d e c k f i g u r e2 4r u t t i n go f d e c k 沥青混凝土桥面铺装层病害的表现形式多种多样 总的来说 主要表现为以下几 种形式 一是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间粘结强度不够 抗剪能力较弱 在水平方向上产生相对位移发 生剪切破坏 形成推移 拥包等病害 二是因温度变化并伴随桥面板或梁体结构的大 挠度而产生的裂隙 在车辆荷载及渗入水的共同作下产生面层松散或坑槽破坏 三是 车辙破坏 车辙也是桥面铺装层的早期破坏形式之一 虽然车辙的产生与防水粘结层 并无直接关系 但是当车辙达到一定深度时 由于车槽内积水会增加桥面铺装层的水 损害可能 极易发生车辆漂滑而导致交通事故 四是铺装层开裂 随着重载 大交通 的到来 混凝土铺装层的局部开裂 破碎等越来越突出 五是沥青混凝土铺装层脱落 主要表现为在车辆通行中因梁板振动而逐步产生的沥青铺装层与水泥棍凝土铺装层 脱落乃至局部脱落i j 4 2 2 水泥混凝土桥面铺装病害的原因 桥面铺装层是直接承受各种车辆荷载和环境因素作用的功能层 其工作环境严 酷 受力条件复杂 水泥混凝土桥梁沥青铺装层主要的病害有裂缝 推移 车辙 拥 包 松散等 根据其成因可以归纳为气候条件 交通荷载和 设计 建造三个主要因 素 3 5 1 2 2 1 气候条件 气候条件对桥面铺装层具有直接影响 其中温度与水的作用最为突出 阳光和空 气的作用不是很明显 1 温度的作用 温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化 从而直接影响沥青混凝土铺装层的 力学特性 在高温条件下 铺装层材料的力学强度大幅度降低 材料本身也体现出粘 塑性和流变性 在荷载作用下 材料的残余变形会增大 因此 在高温夏季易发生车 辙破坏 在温度下降时 整个铺装体系的降温需要一个过程 这会在铺装结构内产生一定 的温度梯度 面层遇降温而收缩的趋势会受到其下部桥面板的约束而产生拉应力 开 始由于沥青混合料的劲度相对较低 这个拉应力较小 但是随着进 步的降温 在低 温状态下 混合料的劲度增加 从而伴随收缩趋势的进一步增强 导致拉应力超过沥 青混凝土相应条件下的抗拉强度 便产生开裂 2 水的作用 水是沥青混凝土铺装层破坏的另一个重要因素 如果桥面铺装未设防水层或者防 水效果不好 从面层渗入的雨水或防冻盐溶液会引起桥面板的损坏 甚至腐蚀主梁钢 筋 威胁主梁安全 同时主梁下部出现盐霜或渗水现象 影响桥梁美观和桥下交通安 全 特别是冬季的雨水和冰雪不能及时排除时 夜间冻结的层间水在白天由于温度和 车辆荷载的作用下会融化 反复冻融会迅速降低铺装层的强度 导致沥青混凝土结构 松散 层间滞留的水分 在车辆荷载的反复作用下会造成脱层 3 其他气候因素 桥面铺装在使用过程中 在阳光和空气等因素的综合作用下 沥青中的轻质组分 1 0 逐渐挥发 并不断发生氧化聚合反应 使沥青中的油分 树脂逐渐减少 沥青质相对 增多 而且沥青质会部分地转化为沥青碳 致使沥青混合料的粘塑性降低 相继出现 桥面铺装层干涩 裂缝甚至松散 随着老化现象的发展 沥青混合料的抗变形能力降 低 在行车荷载和冰冻的作用下铺装层极易产生裂缝 最终形成龟裂而导致桥面铺装 的破坏 由于桥梁上空气流动更加频繁 因而该老化过程要比普通的沥青混凝土路面 严重 2 2 2 交通荷载 目前大部分高速公路上车辆的实际载重量超过了标定载重量很多 3 6 3 7 汽车的大 型化及超载运营 加重了桥面铺装层的负荷 车轮荷载的重型化 加大了作用在桥面 铺装层上的垂直力和水平力的综合作用 加剧了推移 拥包 铺装层剪切破坏等病害 而且荷载的大型化也给桥面带来了更大的冲击力 振动力 特别是路面不平整或桥面 伸缩缝处 冲击力更大 从而造成桥面铺装层的过早破坏 根据文献p 酬按现行规范对 高速公路标准轴载作用次数的换算结果 设满载条件下的轴载作用次数为1 0 其他