混凝土桥桥面的铺装与防水

混凝土桥桥面的铺装与防水摘要：本文简要介绍了目前桥面铺装与防水的现况、着重分析了在车辆荷载作用下防水层的层面剪应力及抗裂对防水层的抗拉强度与层面抗剪强度之间的尖系。尖键词：桥面防水层间剪应力抗拉强度与粘接强度本文着重对目前混凝土桥桥面铺装与防水进行分析，并提出一些看法与同行进行讨论。桥面铺装的作用是：防止车轮直接与混凝土桥面接触使混凝土行车道板面受到磨损、分布车轮压力以减少荷载对桥面板的作用力、保护混凝土桥面板及主梁防止混凝土及钢筋的腐蚀、提高行车的舒适度、增加了桥梁美观。桥面铺装的破坏将影响桥梁的使用功能、降低桥梁的使用寿命、影响桥梁的美观、以至改变桥梁的受力状态（如单板受力、高强度钢丝局部锈断）。随着道路等级的提高、立交桥的大量修建，桥梁面积占道路面积的比重越来越大，因此桥面铺装的质量问题越来越受到广大工程界的尖注。一、桥面铺装面层桥面铺装结构（自桥面板表面而上）的组成是：水泥混凝土找平层（装配式桥梁是必需的）、防水层（视桥型、环境不同而不同，有的桥可不设防水层）、桥面铺装面层（沥青混凝土或水泥混凝土）。为讨论方便，将桥面铺装分为桥面铺装面层与桥面防水层两部分，不再专门论述找平层，将找平层放在桥面面层一起谈论。目前桥面的桥面铺装面层有：水泥混凝土、沥青混凝土、沥青混凝土作为上面层水泥混凝土作为下面层等三种。据不完全统计在国外以沥青混凝土作为铺装的面层较多，国内也大致如此。在北京80年代以前采用的水泥混凝土桥面铺装面层，其作法是：水泥混凝土厚8cm、在板中布置①10的钢筋网（其双向间距为10cm），此种面层主要问题是在通车前就会出现开裂，通车后在温度与车载共同作用下开裂更为严重。因此在80年代中期组织了北京有尖力量进行过攻尖，经过分析与计算，认为混凝土板应至少加厚14cm且应采用双层配筋，并提出了配筋量。考虑到如果采用沥青混凝土，可能比水泥混凝土节省投资，其它方面的技术指标也较好，自此以后北京市的桥面就改为沥青混凝土桥面铺装面层。近20年来沥青混凝土桥面也出现了一些问题，如开裂、拥包等现象。沥青混凝土桥面作法较多：如重庆长江公岩大桥引桥桥面铺装分为两部分：箱粱采用两层改性沥青混凝土各层厚均为4cm+钢纤维混凝土6cm;T梁采用一层改性沥青混凝土层厚为4cm+钢纤维混凝土11cm。郑州市跨机场高速路高架桥桥面铺装的结构组成为：4cm沥青混凝土（AK-16）+5cm沥青混凝土（AK25）+防水层+（6cm）防水混凝土。在106国道长恒至滑县改建段桥面铺装的结构为：10cm沥青混凝土+10cm防水混凝土。北京的作法一般是：改性沥青混凝土（9cm）+防水层+水泥混凝土（9cm）°各地对改善沥青混凝土的路用性能也进行了不少有意义的研究：尖于SMA路面渗水问题一文对沥青混凝土的配比设计（玛蹄脂含量和粗骨料骨架之间应取得平衡）、施工（高频低幅，紧跟慢压。并指出碾压是解决透水问题的最佳时期。摊铺机的摊铺宽度也不可忽视）、选择最佳的路面厚度与最大骨科直径的比值（建议取3）提出了明确的建议；有的研究指出：掺聚酯纤维于沥青混凝土中可改善铺装层的高温稳定性、疲劳耐久性、低温抗裂性和抗水性；在高等级公路桥面混凝土铺装层破坏原因及对策一文在调查研究的基础上提出了一系列预防措施；在沥青混凝土桥面铺装施工一文中对箱梁的影响进行研究认为施工荷载对结构的影响不容忽视，在设计时应作为工况进行计算；厦门提出海沧大桥钢桥面及引道桥面铺装检验评定标准等，都取得了一定的效果。由于沥青混凝土桥面的在荷载作用下作状态与道路不同，不能用弯沉值来评价、其剪应力及弯拉应力值也与道路不同、用双圆模拟是否洽当也需进一步研究。由于这方面研究工作较少，所以对于桥面铺装面层还未能提出其统一的力学指标。水泥混凝土桥面铺装：如果在混凝土桥面铺装层下设有柔性防水层，在温度与荷载作用下，混凝凝土板应足够的厚度且需双层配筋，但这样也很难防止开裂。北京80在年代初曾做一座试验桥其混凝土层厚度为14cm、并采用双层配筋，通车后隔一段时间也出现均匀横桥向开裂。在连续配筋混凝土路面的配筋设计方法一文指出纵向配筋的计算，以面层横向裂缝间距1—2.5m,允许最大裂缝宽度为1mm及以钢筋屈服强度控制，此时钢筋的配筋率为0.6张08%，可见采用水泥混凝土桥面路面铺装的设计方法，是允许开裂的。如果允许开裂防水层就有可能被拉裂而失效。混凝土桥面的设计方法应如何进行也未见报导。最近有报导一种半刚性面层：在沥青混凝土中掺入适量水泥或在混凝土掺入适量沥青，可以改变其工作性能。找平层：是否需要找平层目前看法也不尽一致，我以为尽可能不作，至少对于现浇混凝土箱梁、预制混凝土工字型梁现浇桥面板、钢与混凝土组合梁是可以设不找平层。目前混凝土找平层的一般作法是：水泥混凝土厚度10cm左右、在板中布置单层钢筋网、水泥混凝土标号为C30（易出现起砂）。有人主张找平层与桥面连接，也有人主张不与桥面连接，各有利弊，但都很难避免开裂。目前建材行业发展很快，希望有尖部们重视这一问题，如果能有一种材料即可以作为桥面铺装层又能代替防水层还可以取消找平层，则会给桥梁建设工作带来很大的社会及经济效益。二、防水层在桥梁设计规范中规定：钢筋混凝土桥面板与铺装层之间是否要设置防水层，和沥青混凝土铺装层下可不设防水层，但在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。为解决桥面防水问题，国外如丹麦、德国、法国、英国以及日本等国，在国内有北京、上海、天津、陕西等省市进行了大量研究工作并取得了一定的成果。防水层的作用是：保护桥面板与主梁的混凝土及钢筋防止其腐蚀，而主要是防止钢筋（高强度钢丝）的锈蚀。钢材锈蚀的最主要原因是盐害，因此在沿海地区及冬季洒化冰盐地区的桥梁均应设置防水层。对钢材的防护不仅是主梁也应包含桥面板，也就是说如果桥面板没有设横向预应力时也应设防水层。事实上沥青混凝土还是透水的，目前达不到防水的作用，因此对于应视当地的气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式等具体情况而定。防水性水泥混凝土沥青混凝土桥面铺装在其下还是应设置防水层。重从事。在上述地区的桥梁曾有由于未设防水层，造成钢绞线锈断的事例，因此设还是不设桥面防水层应慎桥面防水应做到防、排结合，达到桥面不积水、不渗漏。桥面防水应使用柔性防水材料，铺没柔性防水层，不应单独设刚性防水层。现浇混凝土梁桥或结合梁桥的防水层应直接铺设在混凝土桥面板上，不得另作混凝土找平层。在装配式混凝土梁桥或现浇混凝土梁桥上没混凝土垫层时，防水层应直接铺设在混凝土垫层上，不得另铺设砂浆找平层。日前我国还没有桥面防水规范，因此防水材料多种多样，出现的问题也越来越多，如有一些桥梁存在着不同程度的渗漏和盐霜现象。由于雨水的渗入，在荷载和温度作用下导致铺装层开裂、剥落等病害，甚至造成钢筋锈蚀，降低桥梁使用寿命。当前桥面防水多采用民用建筑所用的防水材料，由于桥梁的荷载比建筑大得多，且施工条件也大不相同，为此国内的桥梁工作者在这方面进行了大量的研究工作。郑州市对跨机场高速路高架桥桥面防水进行了充分的研究・并提出作为桥面防水层必需满足的要求：良好的不透水性能、与桥面板及沥青混凝土面层有足够的粘接力、在碾压面层时防水层应无破损、良好的耐高温和低温性能、对桥面铺装有广泛的适用性、能抵御桥面裂缝的影响、施工简便而快捷。经过他们的分析与计算在机场高速路高架桥桥面铺装采用：沥青混凝土层厚度为9cm、防水层厚为7.7mm。在《大跨径单面索斜拉桥桥面铺装设计》一文用有限元分析后提出：当采用桥面滑动体系时铺装层底面的应变明显高于粘结层为连续体系，因此为保证保证粘结层的可靠性，减少滑动效应是桥面体系的一个尖键环节，同时提出粘结层抗剪强度应大丁0.5Mpa。北京市市政政计研究总院提出：防水层在摊铺、碾压、使用过程中应具有的力学性能指标。在这里就两个力学性能指标进行讨论：桥梁与建筑最大的不同点之一，就是桥面防水层应承受由荷载产生的制动力，这个制动力在防水层上、下表面产生很大的剪应力（而这个剪应力应能适应当地的各种温度要求），如果材料的抗剪强度不够，防水层就会被剥离；之二，桥梁荷载是动荷载，桥面板的裂缝是活动的，防水层如何才能抵抗这个裂缝。在车辆荷载作用下防水层面层的剪应力：防水层面层的剪应力大小与路面材料性质及厚度、防水层材料性质及厚度、找平层材料性质及厚度、桥面板的跨度及厚度、各层之间的连接密切等密切相尖。本文就常见的作法采用SuperSAP程序用块单元对T型梁桥，其主梁间距为2.0m,桥面铺装的作法是：沥青混凝土（9cm）+防水层（2mm）+混凝土找平层（8cm））以及大跨度箱梁：单箱单室宽为6m、梁高为4m，桥面铺装的作法是沥青混凝土（9cm）+防水层（2mm）进行了分析。采用的荷载为：汽超・20荷载及其10%的水平荷载作用下，防水层层面产生的应力如下表所示：竖向压应力（Mpa）横桥向剪应力（Mpa）顺桥向剪应力（Mpa）T梁找平层与桥面不连结0.560.250.27T梁找平层与桥面相连结0.430.26连续箱梁0.100.15又计算了荷载为汽超20及其30%水平荷载作用下T梁桥的防水层层面剪应力，此时顺桥方向的剪应力已达到0.73Mpa,其竖向压应力及层面剪应力如下图所示：防水层层面压应力图防水层层面顺桥向剪应力图计算表明防水层面的剪应力大小与桥面板工作状态、找平层与桥面联接情况等情况有尖，其要求不应是一死个数。上述的分析表明对防水层的抗剪强度在设计时应提出要求，再加上还应有一定的安全储备，防水层面剪应力应在0.5-1.OMpa以上。在分析过程中曾对桥面铺装厚度不同时的层面剪应力，以及防水层厚度不同时的层面剪应力进行了分析，如下表所示：防水层(mm)222沥青混凝土(cm)5813层面剪应力(MPa)0.2180.2120.215桥面铺装厚度对层面剪应力影响防水层(mm)11.5235沥青混凝土(cm)88888层面剪应力(MPa)0.2280.2190.2120.20.184防水层厚度不同的层面剪应力从表中可见，铺装层厚度变化对层面剪应力影响不大，防水层厚度变化对层面剪应力的影响稍大。防水层的抗裂性能：防水层应能抵抗在动荷载作用下的混凝土的开裂，只有这样防水层才能起到防水的作用。混凝土的一般控制裂缝宽度在0.2mm以内，也就是说当出现上述裂缝宽度时防水层不应断裂，为此对防水层的力学性能应能满足下述条件之一。由防水材料的延伸率、拉伸强度及抗剪强度的尖系可得：因为：所以：............(1)式中：为材料的抗拉强度、为防水材料与混凝土板的剪切强度、为防水层厚度、为裂缝每侧脫开长度、为材料的延伸率，为裂缝宽度之半。为防止防水层被拉断，防水层在裂逢处应有一小段脫开以适应开裂的需要，这就要求防水层材料的特性应满足式(1)尖系。由材料的剪切角、拉伸强度及抗剪强度的尖系可得：因为：，且所以：..............(2)式中：为防层材料的剪应力、G为防水层材料的剪切模量、其它符号同前。由此可知防水层材料应满足式(Q的尖系，此时混凝土与防水材料之间不脫开。最优的防水层材料除应满足施工、耐久性等要求外还应足以抵抗车辆荷载产生的剪应力以及混凝土的开裂。目前常用的防水材料：防水材料可分为卷材与涂膜两种。防水卷材有：沥青防水卷材，高聚物沥青防水卷材，合成防水卷材。在桥梁工程中常用的卷材有SBS改性沥青卷材(属于弹性聚合物改性沥青防水卷材)及APP改性沥青卷材(属于塑性体聚合物改性沥青防水卷材)。涂膜型防水涂料是：指在常温下无固定型态的粘稠状高分子合成材料，经涂布后，通过溶剂的挥发或固化反应，在基层表面形成坚韧的防水膜。涂膜型防水涂料有合成高分子防水涂料、高聚物改性青防水涂料、沥青基防水涂料。在桥梁上一般采用前两种涂料。最近在北京采用一种HDK-11聚合物水泥防水涂料。其特点是：该聚合物乳液是水基产品，在常态下流动性好、分散性高、水分蒸发后粘结性强。聚合物胶乳与水泥协同作用为成膜物质，防水膜的耐老化性能好、机械性能优良，具有透汽性、环保安全、施工便利等。桥面防水的设计与桥型密切相尖：对于梁桥、连续梁桥，主要是防止桥面板及主梁的钢筋及钢绞线的锈蚀；对于装配式板桥，由于