r60水泥混凝土桥面沥青铺装层防水性能研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。r60水泥混凝土桥面沥青铺装层防水性能研究分类号:U41;U2水泥混凝土桥面沥青铺装层防水性能研究摘要:桥面铺装层作为桥梁行车体系的重要组成部分，能够缓和行车对桥面板的冲击以及满足行车平稳、舒适的要求。本文以安康至陕川界高速公路项目为依托，针对目前水泥混凝土桥面沥青铺装层存在的问题，通过调查分析与室内试验相结合的方法，对桥面铺装结构体系进行了系统的研究。首先，本文广泛收集国内外桥面铺装的有关资料，通过对桥面铺装现有研究成果的分析和总结，制定了桥面铺装的研究内容、方法以及技术路线。其次，通过对桥面铺装使用

2、状况和损坏型式的调查，分析了桥面铺装产生早期损坏的类型及其损坏原因，并对相应的铺装层设计指标进行了分析。第三，本文首先对桥面铺装的排水系统设计进行了简单的分析和研究；并针对桥面铺装的防水粘结性能，通过室内试验，分别对渗透结晶型防水剂、涂膜类防水粘结材料以及界面处理型式进行了系统的研究。通过对其路用性能的比较，选择出性能优良的防水粘结材料及界面处理型式。第四，对于桥面沥青铺装层，进行了不同类型混合料的配合比设计，并确定了各种级配的最佳油石比。通过常规车辙试验、汉堡车辙试验以及抗剪试验，重点研究了沥青混合料的高温性能；采用复合板车辙和复合梁疲劳试验，真实地模拟桥面铺装层的实际受力状况，评价各种铺装

3、结构组合的高温性能及抗疲劳破坏能力，为桥面铺装选择合理的铺装材料与结构组合型式提供科学的理论依据。最后，本文对桥面防水粘结层和沥青混凝土铺装层的施工要点及注意事项进行了阐述和分析，为保证桥面铺装的施工质量提供技术指导。关键词:桥面铺装；渗透结晶型防水剂；防水粘结层；剪切试验；拉拔试验；界面型式；复合梁疲劳试验；施工工艺1 引言1.1问题的提出及研究意义随着我国交通事业的飞速发展，桥梁工程成为国家基础设施建设的重要一环。桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，是公路路面满足其功能要求在桥梁上的延伸。桥面铺装应具有与桥垮结构粘结良好、传递荷载、抵抗荷载冲击，又要具有防水及抵抗疲劳的能力；其主要功能

4、是分散荷载，参与桥面板共同受力，防止车轮直接磨损行车道板，起到保护桥面板的作用。因此，桥面铺装层必须具有足够的强度和良好的整体性，并且具有足够的抗冲击、抗裂、耐磨等性能。桥面铺装质量的好坏直接关系到行车的舒适性、安全性、桥梁的耐久性及投资效益。随着桥梁的大量修建，桥面铺装早期破坏、维修困难和维修费用高等问题随之暴露。统计资料显示，我国许多桥梁的桥面铺装层在设计使用期限内就出现了不同类型的破坏，甚至部分在铺装后很短时间内就出现了严重的破损、开裂、坑槽、拥包、滑移等病害；桥面铺装发生损坏后，桥梁主体结构受到外界水分的侵蚀，使得许多桥梁在未达到设计寿命时，就出现了结构强度下降、钢筋锈蚀、混凝土松散等

5、病害现象，使桥梁的安全性和稳定性受到影响，不仅对乘客的安全造成威胁，也使桥梁的运营效益有所下降；而且这种破坏一旦发生，往往难于修复，导致国家每年投入巨额维修费用。本课题就是针对目前水泥混凝土桥面沥青铺装层存在的问题，通过室内路用性能试验，研究水泥混凝土桥面层间防水粘结改善技术，进而增加桥面板与沥青铺装层间的抗剪性能及层间稳定性，提高水泥混凝土桥面沥青铺装层的使用寿命。因此，开展本课题的研究不仅可以补充和发展相关领域的技术内容，而且可以为类似地区桥面铺装及防水粘结层的设计和施工提供技术指南，从而显著减少由于桥面沥青铺装损坏所带来的巨大经济损失和不良社会影响。因此，本课题具有良好的社会意义和经济价

6、值，同时在技术上也具有较高的研究价值。1.2国内外研究综述1.2.1桥面防水粘结层研究综述（1）国外研究现状美国是较早开始桥面防水研究的国家之一，1976年NCHRP发表的一份桥面防水报告中介绍了防水薄膜性能的室内研究方法，提出性能筛选试验、路用性能试验等。1995年NCH即发表的一份桥面防水报告中指出:美国最早是在六十年代认识到桥面损坏的严重性。研究认为水分和防冻盐是桥面混凝土冻融破坏和钢筋腐蚀的罪魁祸首，就促使提高和改进桥梁工程中水泥混凝土的质量，增加钢筋混凝土中钢筋的保护层厚度，甚至要求对混凝土桥面板采取其它专门的保护措施。英国的TRRL针对层间粘结力差、防水层施工后的渗漏及高低温性能不

7、足等问题，对英国所有通过质量认证的防水粘结材料进行了系统的测试和研究。到七十年代中后期，德国、法国、丹麦等大多数欧洲国家均制定了桥面防水材料的选择标准和防水系统的设计施工规范。至今，美欧等国仍然对混凝土桥面防水系统进行着深入而系统的研究；日本在桥面防水系统方面也做了许多研究，规定在防水层与桥面板之间要涂刷粘结材料，并提出了相应的质量标准。世界各国均十分重视桥面防水层，但侧重点有所不同。总的来说，国外对水泥混凝土桥面沥青铺装防水粘结层的研究只是局限于防水粘结材料的筛选以及室外现场试验的应用研究，理论分析涉及甚少。（2）国内研究现状我国在桥面防水领域进行的研究相对较晚，桥面因渗水而引起的损害在上世

8、纪80年代中期开始重视起来，桥梁结构防水技术研究日益提到议事日程上来。北京、天津等地陆续开始铺设柔性防水粘结层，当时并未对此进行系统的研究，只是参照防水粘结材料产品的说明简单执行。北京、上海等城市自20世纪90年代初对城市桥梁结构防水技术进行了专题研究，分别为首都机场高速和上海南浦大桥的设计和施工提供了科学依据。2000年3月，长安大学公路学院在郑州市107国道跨机场高速公路高架桥工程中，对北京禹王专用防水剂等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的工程设计、施工提供了一定的依据。在取得成绩的同时，我国的桥面防水也存在诸多不足，许多方面有待进一步完善和提高。总之，我

9、国己经明确桥面沥青铺装层必须由防水粘结层和面层组成，但对桥面防水粘结的研究工作才刚起步。我国现行的设计规范，对桥面沥青铺装及防水粘结层设计只是轻描淡写地给予了指导性说明，没有具体的设计理论与方法。1.2.2桥面铺装结构研究综述（1）国外研究现状世界上进行桥面铺装研究较早的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也开展了相关的研究，法国和日本还制定了相应的技术规范。但是，相关国家对桥面铺装层的设计主要是基于铺装材料性能试验之上的经验设计法。欧美等国经过几十年的探索与实践，结合本国的实际情况，在水泥混凝土桥面铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同，大多采用沥青混凝土铺装层，包括防水层和沥青混凝土面层。

10、在欧美各国，水泥混凝土桥面沥青铺装大多采用“防水层+面层”的双层式结构，或“防水层+铺装下层+铺装上层”三层式结构。日本采用“沥青橡胶粘结剂+板状防水卷材十铺装层“、“氯丁橡胶粘结剂十3层氯丁橡胶型防水材料十铺装层”或“防水沥青层+乳化沥青粘结层+铺装层”的铺装结构。印度采用“铺装层+磨耗层”的铺装结构，钢筋混凝土与路缘石之间的垂直接缝采用沥青进行填封。在国外，尤其是欧美发达国家，对桥面铺装体系从设计理论、试验方法等方面都进行了深入的研究。英、美等国家已开始用有限元分析程序对钢桥面铺装体系进行简单的力学分析，但世界各国对钢筋混凝土的桥面铺装研究却很少。（2）国内研究现状我国对桥面铺装的研究起步

11、较晚，主要是借鉴国外的经验。由于我国的气候、地理条件及车辆荷载组成与国外不同，这些都决定了不可能完全照搬国外的经验，必须对其深入研究，探索适合我国国情的桥面铺装技术。近些年，国内多家科研机构对大跨径桥梁的桥面铺装进行了一些有益的尝试，在铺装层的材料选择、结构设计及施工方面积累了一定的经验。具有代表性的是交通部重庆公路科学研究院在虎门大桥、海沧大桥等实际工程中所推广的双层式SMA铺装结构。同时，在研究中还与东南大学共同开发有限元程序进行理论分析；长沙理工大学就具体的铺装层结构设计进行了直道试验。1.2.3目前存在的主要问题（1）由于国内尚未对水泥混凝土桥面铺装进行系统研究，因此水泥混凝土桥面铺装

12、系统理论缺乏，没有系统的理论支撑。（2）我国对水泥混凝土桥面铺装的研究较少，大部分铺装采用与路面铺装相同的结构型式，很少对水泥混凝土桥面铺装做有针对性的单独设计，更不说对水泥混凝土桥梁铺装防排水体系的研究。（3）由于缺乏系统的桥面铺装理念，很多桥面铺装者虽然知道要重视单独的桥面防水层，但对防水层的功能要求理解不透彻，同时以为做好了部分的防水措施即可很好地解决铺装防水问题，没有进行整体性铺装的考虑。（4）目前国内已经明确桥面铺装必须由防水粘结层和沥青铺装层组成，但对桥面防水粘结层的研究才刚起步，对桥面防水粘结材料的选择还存在盲目性。1.3课题研究的主要内容及技术路线1.3.1主要研究内容（1）桥

13、面铺装使用现状的调查与原因分析收集国内外有关桥面铺装的研究资料，现场调查工程所在地类似工程环境的桥面铺装的使用状况，特别是其破坏形式和损坏情况，分析桥面铺装产生早期损坏的原因，为安康至陕川界高速公路桥面铺装在设计研究阶段打下良好的基础。（2）桥面铺装防水粘结性能研究通过对常用防水粘结材料类型以及界面型式的调查，并结合室内试验研究分析其路用性能，提出适合水泥混凝土桥面沥青铺装的防水粘结材料及界面处理型式。（3）桥面铺装层结构组合研究通过对国内外桥面铺装的结构类型、材料组成、性能特点的调查，结合安康地区沥青硅桥面铺装层的损害类型，根据时温等效原理，对水泥混凝土桥面铺装沥青混合料的高温性能进行分析；

14、以及通过对不同结构组合的路用性能进行对比试验，提出路用性能优良并满足硅桥面各项力学指标的铺装结构组合。（4）桥面铺装层施工工艺研究分析考虑铺装层沥青混凝土的拌和、运输及摊铺碾压等环节，以及桥面防水粘结层的施工工艺及质量控制标准；主要从施工机具的准备、组合，施工过程控制，施工质量检验等方面进行研究，解决施工中可能出现的问题，使铺装层达到质量要求。2 桥面铺装损坏原因与设计指标分析2.1桥面铺装损坏类型及原因分析桥面铺装作为一种特殊的铺面工程，在使用过程中长期受到行车荷载、自然环境等因素的影响，除了具有普通路面常见的破坏类型之外，还具有其自身特有的破坏类型。因此，通过对水泥混凝土桥面沥青铺装层破坏

15、类型进行调查分析，探讨研究其破坏机理，从而弄清桥面铺装研究中巫待解决的主要问题。2.1.1常见损坏类型根据LTPP路面损坏鉴别手册，从调查的情况来看，桥面铺装层的早期破坏形式主要有以下几种:（1）裂缝类:指桥面铺装层在行车荷载和温度的反复作用下所引起的疲劳破坏，或者因结构缝施工处理不当等薄弱处出现的反射裂缝以及桥面系加劲部件顶部铺装层出现的横向和纵向裂缝，见图2.1所示。（2）表面变形:桥面沥青混合料铺装层，在较大的车轮垂直和水平荷载作用下产生剪应力，当剪应力超过沥青混合料自身的抗剪强度时所导致的车轮带及其附近出现的推移、拥包和车辙破坏，见图2.2和图2.3所示。 图2.1网裂破坏 图2.2推

16、移破坏（3）表面缺陷:由于沥青混凝土的级配组成设计不合理，在行车荷载的作用下导致桥面铺装层薄弱区域出现的松散(剥落)、泛油、集料磨光、透水等破坏形式，见图2.4和图2.5所示。（4）铺装层脱落:是桥面铺装最严重的、特有的破坏类型。粘结层在失去桥面板的束缚和支撑的条件下，出现剪切破坏。此外，桥面铺装结构体系中，粘结层与防水层是相互紧密联系在一起，粘结层的破坏就意味着防水层的破坏，同时会导致桥面板的水腐蚀，见图2.6所示。 图2.3车辙破坏 图2.4松散破坏 图2.5表面泛油 图2.6铺装层脱落2.1.2损坏原因分析桥面铺装损坏的原因很复杂，针对桥面沥青铺装层特有的破坏类型，国内外专家提出了不同的

17、影响因素。综合考虑依托工程的地理环境，可能引起桥面铺装损坏的主要原因有以下几个方面:（1）桥面铺装的水损坏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坏，如松散、坑槽等，使铺装层失去强度和防水能力。如果桥面铺装层的排水系统设计不当，渗入的水分不能及时排出，便产生了“浴缸效应”，加剧了桥面铺装层的损坏；如果防水层被破坏，渗水将直接腐蚀桥体，危及桥梁的安全。对于桥面沥青混凝土铺装层，我国现行规范中有关桥面铺装及防水设计尚有欠缺，均未考虑桥梁整体防水方面的要求；因此，完善的桥面铺装系统及防水、排水系统是确保桥面铺装层服务性能的关键措施。（2）桥面铺装的高温破坏桥梁工程

18、因形同“空中楼阁”而完全暴露于空气中，直接受到气候条件的影响。同路面材料相比，桥面铺装材料夏季温度更高、冬季温度更低，即产生了夏季的“煎烤效应”与冬季的“冰柜效应”，相同的气候条件对桥面铺装材料的影响更大。另外，由于桥面铺装层和主梁的温度变化节奏不一致，导致其因温度变化引起的伸缩受到主梁的牵制，势必将在桥面铺装层内部产生约束应力，这也是造成铺装层损坏的原因之一。（3）桥面铺装的层间粘结破坏桥面铺装层间的粘结包含各结构层之间的粘结以及沥青铺装层与混凝土面板之间的粘结。防水粘结层对桥面铺装层的稳定起着至关重要的作用，起到承上启下的过渡功能。研究表明，许多损坏是由粘结层的破坏所导致的。其原因在于该层

19、位于刚性桥面板与柔性沥青铺装层之间的薄弱处，剪切力很大，往往产生“剪切滑动效应”。另外，随着桥面铺装使用周期的增长，各结构层之间的粘结强度都会随之降低。一旦铺装结构的整体性受到威胁或破坏，桥面铺装就会发生大面积，甚至整体性的破坏，进而影响桥面沥青铺装层的路用功能。（4）施工工艺的影响施工工艺对桥面沥青铺装层的影响主要体现在三个方面:桥面板平整度差，在行车荷载和温度的综合作用下，铺装层内容易产生局部应力集中，导致铺装层的损坏。沥青铺装层与桥面板的粘结不好，大大降低了其与沥青铺装层之间的粘结性能。施工过程中出现离析、压实不足等现象；沥青铺装层在施工中由于压实度不够，导致铺装层的强度达不到设计要求；

20、此外，沥青混合料的级配不良导致发生离析现象，引起铺装层内强度不均匀。由上述分析可知，造成桥面沥青铺装层早期损坏的原因是多方面的、是综合性的，诸如桥梁设计理论的不足，沥青混合料设计不当，施工工艺，交通荷载等；归根结底，水是桥面沥青铺装层诸多病害，尤其是早期损坏的主要诱因之一。在现行桥梁及路面设计规范中，对于桥面铺装材料、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了指导性说明，导致桥面铺装设计与施工的无章可循，各行其是，从而为桥面铺装的早期损坏埋下隐患。2.2桥面铺装设计指标分析由上述分析可知，桥面沥青铺装层的破坏主要是由于铺装结构某一层次的缺陷所引起的。目前，虽然

21、对于桥面沥青铺装层的主要破坏类型有一定的了解，但对于这些破坏类型却没有明确的控制指标。本文结合桥面沥青铺装的特点，借鉴路面铺装的设计指标，针对桥面沥青铺装层的主要破坏类型，提出相应的控制指标，作为桥面沥青混凝土铺装层后续研究的指导。2.2.1车辙指标产生车辙的原因主要包括渠化交通、重载交通的作用以及铺装材料的性质等，其中高温是车辙的重要影响因素。在高温时段，铺装层材料的力学强度大幅度下降，材料自身呈现出粘塑性和流变性，所以，车辙可以看作是沥青混合料在剪应力作用下塑性流动的结果。因此，采用车辙作为桥面沥青铺装层的控制指标时，以桥面沥青铺装层内部的最大剪应力作为设计指标，设计中控制铺装层内部的最大

22、剪应力值不应超过沥青混凝土铺装材料的容许值。2.2.2推移和拥包桥面沥青混凝土铺装层在受到较大的行车荷载作用时，其表面会出现推移和拥包等破坏。造成这些破坏的原因是由于在荷载引起的垂直应力和水平应力的综合作用下，铺装层内部产生的剪应力超过材料的抗剪强度。为了防止桥面沥青铺装层表面发生推移、拥包等破坏，采用抗剪强度作为沥青铺装层的控制标准，控制公式如下：式中 :在荷载的垂直力和水平力的作用下，沥青铺装层中产生的最大剪应力； :铺装材料的容许抗剪强度；2.2.3防水粘结层剪切破坏防水粘结层的剪切破坏是桥面铺装特有的主要破坏类型。桥面板与沥青铺装层间粘结层的破坏会很大程度降低了两者的复合作用，增加了铺

23、装层内部的应力，加速桥面铺装的损坏，因此必须严格控制粘结层的剪切破坏。采用粘结层剪切破坏作为桥面铺装的控制标准时，以桥面板与沥青铺装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应超过铺装层间的容许抗剪强度，即:式中 :理论计算得到的桥面板与沥青铺装层间的最大剪应力； :桥面板与沥青铺装层间的容许抗剪强度；2.2.4疲劳开裂桥面沥青铺装层的疲劳开裂是指其在正常使用情况下，由行车荷载的反复作用所引起的开裂破坏，是桥面铺装的主要破坏类型。桥面沥青铺装层的疲劳开裂不仅直接影响到桥面铺装的路用性能，而且对于桥梁结构也有不利影响。沥青铺装层开裂后，雨水可以更加便捷地侵蚀桥梁结构的主体，直接威

24、胁桥梁结构的安全。因此，必须控制桥面铺装的疲劳开裂。采用疲劳开裂作为桥面铺装的控制标准时，以桥面铺装层表面的最大拉应变(拉应力)作为设计指标，设计中控制其表面的最大拉应变(拉应力)不超过沥青铺装材料的容许值。2.3本章小结（1）通过对桥面铺装病害状况的调查，其早期的损坏形式主要有:车辙、推移、开裂、松散、坑槽等。导致桥面沥青铺装损坏的原因是多方面的，贯穿设计、施工、使用、养护等各个环节；其中主要的原因在于铺装材料及层间抗剪、粘结强度不足，以及温度和水的影响等。（2）通过对桥面铺装病害状况的分析，防水粘结层是桥面铺装结构体系中的关键环节，其粘结性能和防水性能对桥面铺装结构的耐久性起着至关重要的作

25、用。防水粘结层的剪切破坏是桥面铺装特有的破坏类型，因此如何控制桥面板与沥青铺装层间的最大剪应力不超过层间容许的抗剪强度是后续的研究重点。3 桥面铺装防水粘结性能研究桥面防水系统包括防水和排水两部分，通过有效的防排水措施，将桥面滞留水迅速排除，有利于桥梁结构的安全。3.1桥面排水系统设计一个完整的排水系统由桥面纵坡、横坡与一定数量的泄水管构成。桥面排水系统按排水的目的主要包括铺装层表面排水和铺装层结构内部排水两部分；按结构组成则包括桥面本身、过水断面、进水口、排水管、落水管和桥头集水设施等。3.1.1泄水管的布置我国高速公路桥面的排水设计大部分采用铸铁泄水管，由于管口的设计标高与沥青铺装层顶面标

26、高一致，同时硅防撞护栏与桥面铺装及泄水管身都是实体紧密接触，使得雨水及渗入铺装层结构内部的水不能及时排出，从而造成桥梁的水损害。本文采用铸铁泄水管，适用于具有防水层的铺装结构，其内径一般为100-150mm，泄水管顶部采用铸铁格栅盖，格栅盖点焊于漏斗上，泄水管管口及其附近应略低于沥青铺装层顶部5-10mm，以便排水顺畅；另外，泄水管下端应伸出行车道板主梁底面以下至少150-200mm，以防雨水渗湿主梁肋表面。泄水管的总体布置见图3.1所示。 图3.1泄水管的总体布置图泄水管的过水面积通常为每平方米桥面不小于23cm2，泄水管可沿行车道两侧左右对称排列，也可交错排列。泄水管的布设应错开桥梁的伸缩

27、缝，在桥梁伸缩缝的上游方向应增设泄水口，以减少流向伸缩缝的水量。若桥梁位于凹行竖曲线内，此时应减小泄水管的设置间距，增加泄水管的设置数量，以便迅速排除雨水。施工时应特别注意处理好泄水管与防水层的结合处，防水层的边缘要紧夹在管子顶缘与泄水漏斗之间，以便防水层的渗水能流入管内。泄水口周围的桥面板应配置补强钢筋网。为便于桥面铺装层结构内部排水，铸铁泄水管伸入桥面铺装结构层的部分做成椭圆孔状，长轴和短轴分别为60mm和20mm，孔间距20mm，沿圆周均匀分布，泄水钢管展开大样见图3.2所示。同时，采用在沥青铺装层与护栏间隙粘贴沥青基防水挤压条的办法来有效防止水分从间隙渗入。图3.2泄水钢管展开大样图对

28、于桥下有通行要求的桥梁，为防止雨天泄水孔的排水影响桥下车辆通行，桥面进水口接PVC落水管将雨水排至桥下排水沟；其总体布置见图3.3所示。图3.3有通行要求的桥面排水系统布置图3.1.2碎石盲沟的设置为了迅速排除桥面积水，除原有的泄水管外，同时在桥梁的两侧边缘(或弯桥的弯道内侧)沿着桥梁防撞护栏设置纵向碎石盲沟，盲沟深度为桥面铺装下面层的厚度，宽度为100-15Omm，渗入桥面铺装层结构内部的水分，沿着桥面横坡由层间空隙及混合料的孔隙流入碎石盲沟，再通过间隔一定距离布设的泄水管引出桥面，以加强桥面铺装结构内部排水；碎石盲沟的布置见图3.4所示。图3.4碎石盲沟的布置图碎石盲沟布置在桥面较低一侧的

29、防撞墙边，先进行沥青铺装下面层的施工，待碾压结束后，在距离防撞墙100-150mm处进行锯缝，然后清除沥青混合料，用空隙率较大的单级配碎石、沥青碎石或水泥稳定碎石进行填充；其上铺设自粘式玻纤格栅，洒少许粘层油后进行沥青铺装上面层的施工。在制作碎石盲沟及铺设沥青铺装层时，务必注意防止碎石及沥青混合料堵塞泄水孔入口，从而影响排水效果。3.1.3桥梁伸缩缝的设置在温度变化的影响下，桥梁将沿纵桥向产生膨胀或收缩的变形；车辆荷载也将引起梁端的转动和纵桥向位移。伸缩缝在保证梁体纵向伸缩的同时，也应重视防水设计。伸缩缝正确、合理的设置对桥面防水起到事半功倍的效果。因此，建议选用横向两端有翘头的伸缩缝，使得整

30、个伸缩缝形成一个闭合良好的U型槽，可以有效避免桥面积水沿伸缩缝这个排水薄弱环节下泄到梁端及盖梁上，其构造示意见图3.5所示。同时，考虑在伸缩缝上游方向设置条形透水性沥青混凝土。图3.5伸缩缝构造示意图桥面排水是影响沥青铺装层使用的一个重要方面，其设计和施工应从混凝土整平层、沥青铺装层、桥面防水层、伸缩缝等方面统筹考虑。水泥混凝土桥面沥青铺装层经常出现的耐久性差、使用寿命短等病害，这些都与防水粘结层的设置密切相关。对于混凝土的防水，可将其分为混凝土结构自防水和柔性外包防水两种。混凝土结构自防水主要是依靠混凝土结构的密实来实现；而柔性外包防水则是采用防水卷材或防水涂料对混凝土结构进行外包，从而达到

31、其防水目的。3.2桥面防水混凝土材料试验3.2.1混凝土结构渗漏的原因混凝土结构之所以会产生漏水现象，主要是由于混凝土结构本身所决定的。混凝土是一种非均质脆性材料，无论从宏观上还是从微观上看均属于多孔结构。混凝土结构中的孔隙按其成因可分为施工孔隙和构造孔隙两大类。施工孔隙主要是由于浇筑时振捣不良所引起的；构造孔隙主要取决于水灰比，是混凝土凝结硬化过程中形成的。当然，多孔材料的渗透性还受到孔结构的影响，材料内部的封闭孔隙对材料的渗透性没有影响，只有那些连通孔隙才能引起材料的渗漏问题。孔结构的另一个影响因素是孔径分布，如果所有的微孔中孔径细的凝胶孔所占的比率较大，混凝土结构的渗透性就比较低。但对于

32、普通混凝土结构来说，除了凝胶孔以外，其余的孔隙大多是开放式的，是引起混凝土渗漏的主要原因。影响混凝土结构渗漏的另一个重要因素是混凝土结构中的微裂缝。混凝土还处于塑性阶段时，表面水分会大量、迅速的蒸发，当表面水分蒸发的速度超过混凝土内部水分向表面迁移的速度时，就会产生塑性收缩裂缝。由于混凝土的干燥收缩通常是在硬化后几个月甚至一年内才完成，连续不断的收缩受到限制后还可能导致由于其它原因产生的裂缝进一步扩展，并且与水泥石中的裂缝连通，大大增加系统的渗透性。在混凝土浇筑后由于自然条件的变化、物理载荷作用等原因也会产生裂纹，而且由于地基沉降、振动载荷等引起的往往是大的裂缝，它们的渗漏更为严重。此外，混凝

33、土结构中还存在着渗漏水问题严重的施工缝和结构伸缩缝等。综上所述，混凝土结构产生渗漏的原因主要有两个方面，一是混凝土结构内部的孔隙；二是混凝土结构内部的裂缝。这些结构缺陷是由内、外两种原因所造成的，内因主要是指混凝土组分的物理化学性质和结构缺陷，它们是混凝土自身无法克服的缺陷；外因则是指自然条件作用、物理载荷、混凝土的使用环境和施工因素等，它们有些可以通过人为地控制来消除，有些则是无法估计、预防的；因此，混凝土结构的渗漏水问题是难以通过混凝土自身来解决的。由于普通混凝土结构无法克服自身的渗漏问题，往往在处理混凝土建筑物结构的渗漏水问题时，普遍采用两种防治方法:一种方法是复合防水，即采用各种防水材

34、料进行防水，在设防中采用多种不同性能的防水材料，利用各自具有的特性，做到“刚柔结合、多道设防、综合治理”；另一种方法则是结构自防水，即采用一定的形式或方法使混凝土结构本身拥有防水能力或结合排水进行防水，如掺用防水剂等化学外加剂，在混凝土结构内部的孔隙中生成不溶于水的晶体堵塞混凝土渗水的通道，从而显著地提高混凝土的抗渗性能。3.2.2抗渗性能试验试验是对基体混凝土、掺加不同防水材料的混凝土试件，在恒定水压力下维持一定的时间后，通过观察试件表面的透水情况，来用于判断防水材料对混凝土结构抗渗能力的改善情况。（1）材料准备试验选取了赛柏斯、“雨虹”牌PCC-502两种水泥基渗透结晶型防水材料，进行抗渗

35、性试验研究。本文采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTG E3O-2005，经测定水泥的各项技术性能指标均符合规范要求，见表3.1所示。试验所采用的集料为石灰岩，粒径分别为5-10mm和10-2Omm，经测定其各项技术指标均满足公路水泥混凝土路面施工技术规范JTG F30一2003中级以上集料的技术要求。表3.1水泥技术性能指标（2）试验仪器试验采用的透水仪为水泥混凝土渗透仪，见图3.6所示。图3.6水泥混凝土渗透仪（3）试件制备为了评价水泥基渗透结晶型防水材料的工作性，试验采用水泥混凝土试块，所选择的基体混凝土应具有一定的强度，同时抗渗能力又较低。根

36、据水泥基渗透结晶型防水材料(GB18445-2001)规范要求:基体混凝土28d抗渗压力为0.3MPaO.4MPa，且水泥用量不宜低于250kg/m3。因此，试验选用基体混凝土的配合比见表3.2所示。表3.2基体混凝土配合比原材料水泥碎石砂水质量配比1.004.403.300.80附注1:水泥用量为250kg/m3。按照表3.2的基体混凝土配合比将水泥、砂石集料搅拌均匀后，成型上下直径与高均为150mm的圆柱形抗渗试件(见图3.7所示)，在混凝土振动台上稍做振实，放入标准养护室中进行养护，试件龄期为28d。进行桥面防水混凝土材料试验时，由于水泥基渗透结晶型防水剂的加入改变了原有混凝土诸多方面的

37、性质；为了便于与基体混凝土进行对比，在保证水灰比相同的前提下，试验选用的配合比是在基体混凝土配合比的设计基础上添加1%(掺和剂量为水泥剂量的1%)的防水材料。图3.7圆柱形抗渗试件（4）抗渗试验抗渗压力可以评价水泥基渗透结晶型防水剂对混凝土抗渗性能的改善程度。按照水工混凝土试验规程(DL/T5150-2001)中规定，试验采用水泥加黄油(水泥与黄油的质量比为3:l)的方法进行密封。待混凝土试件养生28d后，通过对基准混凝土与掺加不同水泥基渗透结晶型防水剂试件的抗渗性能进行测试，以对比不同的水泥基渗透结晶型防水材料对混凝土结构抗渗性能的改善状况；试验每组6个试件，开始试验时，试件底部所施加的水压

38、为0.1MPa，然后每隔8小时增加0.1MPa的压力，以一组6个试件中有3个试件表面发现渗透水珠，即可停止试验，记下此时的水压力。抗渗试验结果见表3.3所示。表3.3掺有不同防水材料棍凝土的抗渗试验结果（5）结果分析经过抗渗试验显示，基体混凝土28d的抗渗压力为0.3O.4MPa；掺和有水泥基渗透结晶型防水剂的混凝土试块，其防水抗渗性能比空白基体试块有很大的提高，从测得的抗渗压力可知，其抗渗压力达到0.8MPa以上，为基体混凝土抗渗能力的2倍左右。混凝土结构的抗渗性用抗渗等级(P)或渗透系数来表示。我国标准采用抗渗等级，抗渗等级是以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水

39、压力来确定。混凝土质量控制标准(GB50164-92)根据混凝土试件在抗渗试验时所能承受的最大水压力，将混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时不同的最大水压力。以此时的最大水压计算混凝土的抗渗标号，其计算公式见式(3.1)所示: P=10Pt-1 式中:P混凝土的抗渗标号； Pt第三个试件顶面出现渗水的压力(MPa)。基体混凝土的抗渗标号为P3，而掺和PCC-502剂及XYPEX剂的抗渗标号分别达到了P7和P9，说明水泥基渗透结晶型防水剂可以有效的提高混凝土的抗渗性能。3.2.3抗压强度试验试验的目的主要是为

40、了测定同一水灰比条件下的基体混凝土、掺加水泥基渗透结晶型防水剂混凝土的抗压力学性能，进一步探讨分析水泥基渗透结晶型防水剂的改善混凝土结构抗渗性能的原因，抗压强度试验结果见表3.4所示。表3.4抗压强度试验结果从表3.4可知，掺加水泥基渗透结晶型防水剂混凝土的抗压强度较基体混凝土的抗压强度有一定的提高，提高幅度达到10%以上。在其他前提条件相同时，混凝土的强度主要决定于水泥石的强度；而在熟料矿物组成相近的条件下，水泥石的强度主要跟其水化程度有关。随着水化程度的提高，凝胶体积不断增加，毛细孔隙率相应减少，增加了混凝土的密实性，从而提高了混凝土的抗渗能力和抗压强度。同时，从另一个角度也说明了掺加水泥

41、基渗透结晶型防水剂主要起到了提高水泥水化程度的作用。3.3桥面柔性防水粘结材料试验柔性外包防水通常是指利用防水卷材或防水涂料对桥面混凝土主体结构进行外包处理，从而防止水分进入桥梁结构。3.3.1防水粘结材料的性能要求防水粘结材料性能的好坏对桥面铺装的使用寿命有着直接的影响。对防水粘结材料的性能要求概括为:在设计年限内不透水，并能承上启下将沥青铺装层与水泥桥面板联结为一体来抵抗交通荷载的作用。具体来说，对桥面防水粘结层的性能要求如下:（1）较强的抗渗能力；（2）力学性能稳定；（3）良好的抗变形能力；（4）良好的耐久性能；（5）良好的协调性能；（6）施工操作性好。3.3.2防水粘结材料的选择根据国

42、内外桥面防水粘结材料的应用情况和发展方向，选用SBR改性乳化沥青、SBS改性沥青、AMP-100、橡胶沥青、TPS高粘沥青及环氧沥青，在表面刷毛的水泥混凝土板上进行室内模拟路用性能试验。（1）SBR改性乳化沥青SBR改性乳化沥青能显著提高沥青的低温性能以及抗开裂能力，其粘结力、粘附性能较普通乳化沥青有较大的提高。（2）高剂量SBS改性沥青SBS改性沥青提高了沥青的耐高温性能与低温变形能力，使SBS改性沥青具有“刚柔并济”的力学特性。（3）AMP-100AMP-100二阶反应型防水材料是单组分黑色粘稠液体，其主要成分为天然沥青与石油沥青共混物中加入石油基活性反应物质；一阶反应过程结束后生成了一定

43、强度的弹性胶质材料，防止施工车辆以及高温沥青混凝土铺装设备破坏防水粘结层；二阶反应过程结束后形成了更高弹塑性的防水粘结层。（4）橡胶沥青橡胶沥青属于橡胶型合成高分子类防水材料，是废旧轮胎橡胶粉和沥青的共混物，橡胶粉和沥青的性质、橡胶粉的掺量以及橡胶沥青拌制工艺都可能对橡胶沥青的性质有一定的影响。本文自行加工橡胶改性沥青，材料分别选用90号基质沥青和60目的橡胶粉。（5）TPS高粘沥青TPS外观为黑色或黄色颗粒，是一种涂膜类、热熔型沥青改性粘结材料，此种材料具有较高的粘度，将其添加到沥青中制备出的高粘沥青。（6）环氧沥青环氧沥青胶结料是由组分A(环氧树脂)和组分B(一种由石油沥青和固化剂组成的匀

44、质合成物)组成，是通过在沥青中掺入一定比例的环氧树脂、固化剂与催化剂后，在加热条件下发生复杂的物理化学反应而得到的高性能复合材料；其发生固化反应后形成了典型的热固性材料，从根本上改变了沥青材料的热塑性，赋予沥青以优良的物理、力学性能。3.3.3防水粘结层试验方法国内外有许多关于防水粘结材料路用性能的试验，我国于2003年，由长安大学主持完成的“水泥混凝土桥面防水系统设计与施工技术的研究”课题，提出了桥面防水粘结材料路用性能的测试方法，并研制了相应的测试仪器，见表3.10所示。目前，常用的防水粘结层路用性能室内评价试验主要包括剪切试验以及拉拔试验，其中剪切试验包括有正压力(如27和40斜面剪切、

45、固定正压力剪切)及无正压力(如直接剪切)两种情况。各种试验方法的适用条件如下:（1）有正压力剪切试验:可以模拟与路面实际受力状况相接近的不同荷载条件下的剪切情况，主要反映防水粘结层间的摩阻力及粘结力的综合性能，不能单独反映防水粘结材料的性能，适合于评价铺装层间结构整体的抗剪性能。表3.10防水粘结层性能试验方法（2）无正压力剪切试验:可以单独地反映防水粘结材料的路用性能，适合于评价防水粘结材料自身的抗剪性能。（3）拉拔试验:可以用来评价防水粘结材料的粘结强度；与剪切试验相比，拉拔试验还可以根据界面的破坏情况判定铺装结构体系中的薄弱部位。综上所述，本文依据桥面沥青铺装层的工作环境及功能要求，对防

46、水粘结层进行相关的路用性能试验:（1）防止防水粘结层在车辆紧急刹车时的制动作用下发生剪切破坏，主要通过剪切试验来进行评价；（2）要求桥面板与沥青铺装层在轮载作用下保持其整体性，具有可靠粘结力，主要通过拉拔试验来评价。3.3.4剪切试验桥面防水粘结层的抗剪性能是一项重要的技术指标。试验是为了评价防水粘结层与沥青铺装层及混凝土桥面板之间的抗剪强度，建立相应的剪切指标，为防水粘结材料的选择、设计与施工提供技术指导。（1）剪切仪器及模型试验采用课题组研制的剪切仪器，主要由动力传动系统、剪切系统、加载系统以及数据采集系统等四大部分组成。该仪器加载速率为50mm/min，采用控制应变的加载模式，试件直径为

47、101.6mm。综合考虑试验方法的特点及适用条件，本文采用无正压力的剪切试验对防水粘结材料的路用性能进行评价，其试验模型见图3.9所示。图3.9剪切试验模型（2）试件准备利用车辙板试模预制尺寸为300mm300mm50mm的水泥混凝土板，待其初凝后，模拟桥面板表面的实际纹理构造将其表面进行刷毛处理，养生龄期为28d。待水泥混凝土板表面洁净干燥后，在其表面涂刷防水粘结层，然后再在其上加铺50mm厚的沥青混凝土。冷却后脱模，利用钻芯机取出直径为100mm高为100mm复合试件，进行剪切试验。（3）试验方案影响层间抗剪强度的主要因素包括:材料因素(防水粘结材料的类型及用量)、荷载因素(剪切速率、垂直

48、压力)、环境因素(温度、湿度)等。本章试验主要考虑防水粘结材料的类型、材料用量，通过测定几种防水粘结材料在不同条件下的抗剪强度，对比评价各防水粘结材料的抗剪性能。剪切试验的方案为:确定各种材料的单位最佳用量。其他试验参数相同，对各种材料在一定范围内变动其涂抹用量，进行层间剪切试验，确定不同材料的最佳涂抹用量；考虑到材料对温度的敏感性，在单位最佳用量下，进行变温剪切试验，分析温度变化对不同材料层间抗剪强度的影响。（4） 数据处理防水粘结层的抗剪强度的计算公式: 式中:抗剪强度(MPa)； F最大剪切力(N)； S剪切面积(m2)，s=7.8510-3m2。（1）单位最佳用量的确定涂膜类防水粘结材

49、料在桥面铺装结构中存在着单位最佳用量。如果单位涂抹用量过少，会由于其无法形成连续的膜体而不能提供足够的层间粘结力；单位用量太大，则会由于材料的润滑作用而使层间集料的啮合和摩擦作用降低，导致抗剪强度的降低。本文通过改变防水粘结材料的单位涂抹用量，采用层间抗剪强度为控制指标，来确定防水粘结材料的单位最佳用量。SBR改性乳化沥青SBR改性乳化沥青的单位涂抹用量及剪切强度的变化趋势见表3.11及图3.10所示。表3.1.1 SBR改性乳化沥青不同单位用量下的抗剪强度图3.10 SBR改性乳化沥青用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定SBR改性乳化沥青在此刷毛界面的最佳用量在1.75K

50、g/m2左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。SBS改性沥青SBS改性沥青的单位涂抹用量及其剪切强度的变化趋势见表3.12及图3.11所示。表3.12 SBS改性沥青不同单位用量下的抗剪强度图3.11 SBS改性沥青用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定SBS改性沥青在此刷毛界面的最佳用量在1.35Kg/m2，左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。橡胶沥青橡胶改性沥青的单位涂抹用量及其剪切强度的变化趋势见表3.13及图3.12所示。表3.13橡胶沥青不同单位用量下的抗剪强度图3.12橡胶沥青用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定橡胶改性沥青在此刷毛界

51、面的最佳用量在1.4Kg/m2左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。环氧沥青环氧沥青的单位涂抹用量及其剪切强度的变化趋势见表3.14及图3.13所示。表3.14环氧沥青不同单位用量下的抗剪强度图3.13环氧沥青用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定环氧沥青在此刷毛界面的最佳用量在1.2kg/m2左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。高粘性沥青高粘性沥青的单位涂抹用量及其剪切强度的变化趋势见表3.15及图3.14所示。表3.15高粘性沥青不同单位用量下的抗剪强度图3.14高粘性沥青用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定高粘性沥青在此刷毛界面的最佳用量在

52、1.35Kg/m2左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。AMP-100二阶反应型AMP-100的单位涂抹用量及其剪切强度的变化趋势见表3.16及图3.15所示表3.16 AMP-100不同单位用量下的抗剪强度图3.15 AMP-100用量与抗剪强度的关系通过对试验数据的回归及综合分析，确定AMP-100在此刷毛界面的最佳用量在1.4kg/m2左右，具体用量应根据界面的粗糙程度来确定。（2）环境温度对抗剪强度的影响在低温状态下，桥面防水粘结材料表现为弹性状态，层间粘结性能好；当环境温度升高时，其表现为粘性状态，使层间抗剪强度降低，导致发生剪切破坏。我国夏季高温时段桥面最高温度可达60以上。不

53、同类型材料对温度的敏感性有所差异，但其粘度仍会随着温度的升高而呈下降趋势，即层间抗剪强度会随着温度的升高而降低，因此，必须考虑环境温度变化对材料选择的影响。本文根据上述得出的各种防水粘结材料的单位最佳用量，在无正应力的条件下，进行25和60两种不同温度下的剪切试验，研究对比各防水粘结材料的抗剪强度。试验结果见表3.17所示。表3.17 不同温度下各种防水粘结材料的抗剪强度图3.16 不同温度下各种材料的抗剪强度比较由表3.17和图3.16可以看出，环氧沥青和SBS改性沥青不论在何种温度条件下的抗剪强度都要优于其他几种防水粘结材料；另外，随着环境温度的变化，各种材料的抗剪强度也随之变化。当环境温

54、度的上升时，各种材料的抗剪强度会随着温度的升高而迅速下降。由此可知，桥面沥青铺装层最容易在夏季高温时段发生剪切破坏，因此在选择防水粘结材料时应采用高温情况下的抗剪强度指标来衡量。3.3.5拉拔试验拉拔试验的目的是为了检测防水粘结材料与水泥桥面板及沥青铺装层之间的粘结强度以及界面破坏特征，研究分析不同外界环境因素对层间粘结强度的影响规律。（1）拉拔仪器及模型试验所用仪器为长安大学公路学院研发的LGZ-1型结构材料强度拉拔仪(见图3.17所示)。LGZ-1型结构材料强度拉拔仪，主要由控制箱和拉拔机构，拉伸速度为50mm/min，可用于路面、建筑等防水层拉拔试验。（2）试验方案及准备影响拉拔试验的主

55、要因素可分为:材料因素(防水粘结材料的类型及用量)、拉拔速率、环境因素(温度、湿度)等。试验由于受到拉伸速率恒定条件的限制，只考虑防水粘结材料类型和环境温度对拉拔试验的影响。拉拔试验的方案为:在单位最佳用量下，其它外界因素相同时，比较几种防水粘结材料的粘结强度；其它外界因素相同，变化试验温度，研究环境温度对层间粘结强度的影响。与剪切试验相同，按照“预制水泥混凝土板一表面处理一涂刷防水粘结材料一碾压沥青混凝土”的顺序成型试件。试件冷却后，利用钻芯机钻取直径为100mm高为100mm复合试件，将复合试件上下两个表面清理干净并用环氧树脂胶将其粘结固定，养护24h。拉拔试验前，将制作成型的拉拔试件分别

56、置于25、60恒温箱中保持2小时；当试件达到所设定的环境温度后取出迅速进行拉拔试验。（3）数据处理及分析桥面沥青铺装结构层间拉拔强度计算公式: 式中:粘结强度(MPa) F实测拉拔力(N) S受力面积(mm2)，S=7.8510-3m2。 （1）材料类型对粘结强度的影响环境温度为25，水泥混凝土表面经过刷毛处理，速率50mm/min的条件下进行拉拔试验，试验结果见表3.18所示。3.18 25时不同防水粘结材料的拉拔强度图3.18 25时不同防水粘结材料的拉拔强度比较由试验结果可知，防水粘结材料不同，其粘结强度有明显的区别；由表3.18中的试验数据可知，防水粘结材料的粘结强度依次为:环氧沥青S

57、BS改性沥青橡胶沥青高粘性沥青SBR改性乳化沥青AMP-100。（2）环境温度对粘结强度的影响不同试验温度下，各种防水粘结材料的拉拔试验结果见表3.19所示。表3.19不同温度下各种防水粘结材料的拉拔强度图3.19不同温度下各种防水粘结材料的拉拔强度比较由不同温度下拉拔试验的结果可知，随着环境温度的升高，各种防水粘结材料的粘结强度均显著降低(如图3.19所示)，高温条件下的粘结强度仅为常温时的10%左右。由此可知，在夏季高温时段，桥面铺装层最易发生破坏。3.3.6渗水性能试验桥面防水粘结层除了应具有良好的粘结性能外，还应具有防止外界水分进入桥梁结构主体的抗渗性能。由于防水层的工作环境有所差异，直接将评价屋面防水工程抗渗性能的方法用来评价桥面防水工程