基于创新理念的城市桥梁桥面防水技术

基于创新理念的城市桥梁桥面防水技术

北京市市政工程设计研究总院穆祥纯副院长教授级高工摘要

摘要

本文从基于创新理念出发，论述了21世纪的前十年中，我国城市桥梁建设领域在城市桥梁桥面防水技术的科技研发、工程实践和创新发展的相关情况，并对该领域的发展前景作出了展望，以期进一步引起人们对该领域的高度关注，以推动我国向世界桥梁建设强国的目标迈进。引言20世纪80年代以来，城市建设蓬勃发展，建设了一大批城市桥梁，经过一段时间的运营和维护，人们对城市桥梁桥面防水技术的研究提上议事日程。问题——城市桥梁桥面漏水对桥梁结构腐蚀十分严重，直接影响桥梁的正常使用寿命，并威胁到城市桥梁的安全，业内对城市桥梁桥面防水工程缺乏统一认识。国内许多设计科研单位都在积极开展城市桥梁桥面防水技术的研究，但相当长时间内，缺少相关的设计规范和技术规程。引言主编单位：北京市市政工程设计研究总院该技术规程的正式颁布执行，系我国城市桥梁防水技术的一个显著进步和创新发展，也使今后城市桥梁桥面防水工程有章可循，将促进我国城市桥梁建设的健康发展。进入21世纪以来，对此问题的研发有了突破性进展。主要内容2设计理念上的创新和技术路线3工程实践上的创新发展4提出城市桥梁桥面防水的对策

2344发展沿革展望和结语15西方国家

西方国家对桥梁防水问题历来十分重视，均有相关的规范和技术规程。明确规定城市和公路桥梁必须设置桥面防水层，并从结构类型、面层材料、防水技术、施工方法、设计年限、使用性能、维修费用等做了详尽的规定。西方国家丹麦美国原始防水层50年代桥面防水层广泛应用上世纪20年代60-80年代英国（1965年），强制在钢筋混土桥设置防水层德国，冷底子油铺沥青卷材—塑性改性沥青卷材（60—70年代）（80年代）丹麦、法国等大多数欧洲国家，美国加拿大，半数省州制定相应标准规范（70年代中后期）我国与国外相比，我国对混凝土桥面防水研究相对滞后，桥面防水层设置不很明确。1961版《公路桥涵设计规范》：1041条“钢筋混凝土桥的桥面上应否设置防水层和设置哪一种防水层（防水混凝土、粉粒式或中粒式沥青混凝土铺装、沥青贴式防水层），应根据桥梁结构类型跨径大小、当地气候条件和设置的必要性等具体情况而定。”1974版《公路桥涵设计规范》：1.33条“钢筋混凝土桥面与铺装之间是否应设防水层，应视当地气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式结合当地具体情况而定。简支梁桥可采用与桥面一次浇注的防水性水泥混凝土铺装层。在沥青混凝土铺装层下可不设防水层。桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。”

我国上世纪80年代，我国的城市和公路桥梁相关技术规范中对桥梁桥面防水的要求，也只是提及一般采用桥面柔性铺装防水系统，其防水材料和施工工艺主要参照建筑屋面及地下工程等，尚未形成一套适合于评价和选用桥梁桥面柔性铺装防水材料的试验手段和性能指标。

—譬如：1989版《公路桥涵设计规范》1.7.4条规定“钢筋混凝土桥面板与铺装层之间是否要设置防水层，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确定。防水性水泥混凝土和沥青混凝土铺装层下可不设防水层，但桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。”而防水层主要采用阳离子乳化沥青的三油二布涂料、沥青油毛毡等材料。我国不良影响：由于我国大多数城市桥梁不做防水或防水不利造成桥梁出现桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应、钢筋锈蚀而引起的混凝土胀裂等严重损坏问题，严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命，以及行车的舒适性和安全性.建国门立交桥面防水层受损我国近二十年，随随着我国城城市桥梁的大大规模发展，，逐渐从单纯纯的屋面建筑筑防水材料发发展到道桥运运用的防水材材料。防水卷卷材和防水涂涂料已经成为为我国城市桥桥梁桥面防水水层的主要材材料。北京首都机场场，APP改性沥青聚脂脂防水卷材，，耐高温，抗抗老化，抗硌硌破的优良性性能并经过试试验研究和施施工后的破损损试验，发展展成一种特有有的“道桥专专用防水卷材材”。北京三环、四四环和五环等等城市立交桥桥梁中应用道道桥专用防水水卷材，其它它省市也借鉴鉴此做法。相应聚合物改改性沥青涂料料也因其具有有优良的耐热热、耐腐、较较好的粘贴性性能，在南方方地区广泛采采用，如上海海南浦大桥。。我国笔者2002年在全国桥梁梁学术大会论论文中针对桥桥梁防水方面存在的问题题提出四点建议：亟需制定我国国《城市桥梁防水水工程设计规规范》改进我国桥梁梁防水结构设设计重视桥梁结构构耐久性研究究重视桥梁结构构防水材料的的研究我国在国内专家、、学者的呼吁吁和努力下，，我国桥梁设设计规范(2004版《公路桥梁设计计通用规范》JTGD60-20043.6.2条)明确规定，””桥面铺装应应设防水层。。”2004年《城市桥梁桥面面防水工程技技术规程》正式立项，该该技术规程将将开始编制，，将包括“设设计、施工、、检测”等内内容。自此关于是否否设置城市桥桥梁桥面防水水的争论划上上一个句号，标志着我我国该领域的的技术发展迈迈向一个新的的高度。主要内容2设计理念上的的创新和技术术路线3工程实践上的的创新发展4提出城市桥梁梁桥面防水的的对策2344发展沿革展望和结语15设计理念和技技术路线2008版《城市桥梁设计计通用规范》规定“桥面面铺装应设防防水层。”——里程碑意义2010版《城市桥梁桥面面防水工程技技术规程》全面反映和吸吸收了近些年年来我国城市市桥梁桥面防防水技术在设设计理念、以以及在防水技技术和防水材材料方面的科科技研发和工工程实践的创创新成果。明确了设置桥桥面防水层的的原则；揭示示了城市桥梁梁桥台防水的的特点，以及及《规程》适用的范围；；规定了防水水等级的划分分。对城市桥梁防防水层材料选选定作出了基基本规定，明明确了防水层层的适用范围围；并诠释了了桥面防水应应树立城市桥桥梁桥面防水水系一个“系统”工程的理念。。设计理念和技技术路线水对钢筋和混混凝土的腐蚀蚀：水渗入混凝土土裂缝后，由由于水中含有有大城市空气气中的二氧化化碳、二氧化化硫，此类酸酸性化合物加加速了碳化、、酸化的过程程，更由于北北方化冰盐氯氯离子作用，，引起钢筋表表面的腐蚀反反应，钢筋体体积膨胀，导导致混凝土开开裂，保护层层剥离，影响响结构安全性性和适用性。。混凝土冻融循循环破坏：水进入混凝土土微孔中，正正负温度交替替作用，形成成反复的冰胀胀压力，致使使混凝土疲劳劳破坏，影响响寿命。对于于非冰冻地区区，干湿交替替水的作用，，潮湿时水化化物进入混凝凝土孔隙中生生成的盐类溶溶液，当环境境变干燥后浓浓度不断增加加，最后饱和和结晶产生晶晶体压力使混混凝土破坏。。混凝土碱骨料料反应：混凝土“癌症”，由于水的存存在，再加上上混凝土中的的碱含量和活活性骨料。三三者既是这种种“癌症”的必要条件又又是充分条件件，生成硅钙钙胶凝体后，，因吸收水分分使混凝土异异常膨胀，破破坏成粉末，，无法修补。。《规程》编制组调研发发现，上世纪纪50—70年代建造的桥桥梁，70％的城市桥梁梁在使用期20-30年时就成为危危桥，而且有有水的部位损损坏十分严重重。“水”是影响响桥梁耐久性性的主要因素素。防水层损坏案案例分析2002年二环路改造造，对全线46座桥梁进行普普查、检测，，这些上世纪纪80—90年代修建的桥桥梁，最长服服务年限仅23年。大部分出现了了桥面破损、、凹凸不平、、排水不畅、、栏杆隔离带带的混凝土剥剥落等病害。。由于排水口和和伸缩缝的破破坏，水流渗渗透了附近的的盖梁墩柱，，梁端混凝土土遭到破坏，，主梁大多数数出现水迹和和石灰质冻结结覆盖物北京市二环路路立交桥梁国内桥梁防水层损坏案案例分析统计表明：43%主梁检测混凝凝土开裂超过过0.2-0.3mm的20座13%钢筋中中度锈锈蚀的的6座5%钢筋严严重锈锈蚀，，主梁梁开裂裂变形形建议议更换换的2座北京市市二环环路立立交桥桥梁防水层层损坏坏案例例分析析1980年修建建，1999年改建建，不不到20年使用用期经检测测存在在问题题：上部结结构：：主梁梁漏水水出现现白斑斑，主主横梁梁交叉叉开裂裂严重重，伸伸缩缝缝漏水水牛腿腿酥裂裂下部结结构：：墩顶顶竖向向裂缝缝，根根部融融雪侵侵蚀，，横向向裂缝缝损坏等等级：：评定定III级，承承载力力旧桥桥折算算系数数0.85结论：：整体体上不不能长长期使使用北方城城市某某立交交桥梁梁1防水层层损坏坏案例例分析析防水层层损坏坏案例例分析析1984年修建建，1998年改建建，14年使用用期经检测测存在在问题题：上部结结构：：钢筋筋锈蚀蚀、漏漏水，，高强强螺栓栓及垫垫圈生生锈，，削弱弱连接接强度度下部结结构：：盖梁梁出现现病态态，表表面腐腐蚀，，水流流经过过之处处，混混凝土土沿钢钢筋纵纵向出出现裂裂缝，，宽度度0.2-2mm，表面面白色色沉积积外漏漏，碳碳化深深度23-30mm,含碱量量5.2-14.6，超过过2-3倍以上现现象是是由于于盐水水腐蚀蚀和北北方寒寒冷地地区冻冻融所所致结论：：拆除除重建建北方城城市某某立交交桥梁梁2防水层层损坏坏案例例分析析防水层层损坏坏案例例分析析德国总总结了了由于于人为为和自自然界界的7种原因因造成破破坏，，引起起桥梁梁的修修建和和翻修修设计和和修复复的费费用达达到1：10为了提提高桥桥梁耐耐久性性，德德国人人的经经验是是必须须堵截水水源，桥面面“防防水””、““排水水”工工程是是重要要的技技术内内容国外桥桥梁防水层层损坏坏案例例分析析因此德德国ZTV-BEL-B和DIN工业标标准，，针对对不同同的路路面材材料和和桥梁梁基面面，规定可可以采采用特特殊专专用的的SBS(适合铺铺设温温度为为150-160℃的沥青青混凝凝土或或沥青青玛筛筛脂碎碎石混混合料料)，或APP(适合铺铺设温温度240-250℃的沥青青粗集集料路路面材材料)卷材辅辅以环环氧树树脂基基层处处理剂剂(钢结构构和混混凝土土结构构的基基层处处理材材料略略有不不同)。德国国联邦邦政府府对桥桥面防防水的的严格格控制制，对对生产产企业业的特特许制制等措措施，，保证证了桥桥面防防水质质量的的可靠靠性和和耐久久性。。德国采采用热热熔法法施工工沥青青卷材材防水水层主要内内容2设计理理念上上的创创新和和技术术路线线3工程实实践上上的创创新发发展4提出城城市桥桥梁桥桥面防防水的的对策策2344发展沿沿革展望和和结语语15新问题题桥面防防水工工程出出现的的新问问题：：（1）防水水卷材材“错错动””，防防水水涂料料桥面面沥青青铺装装“酥酥裂””2000年5月，首首都国国际机机场的的航站站楼2号桥拐拐弯道道处，，桥面面沥青青铺装装出现现多道道严重重的垂垂直裂裂缝。。2002年8月，北北京西西四环环，复复兴路路，紫紫竹院院，丰丰台高高架桥桥等处处出现现局部部桥面面铺装装开裂裂，防防水层层错动动，开开裂位位置都都在重重车道道（外外侧）），或或桥面面下坡坡处，，时间间在高高温、、雨季季前后后。2003年5月，，施施工工完完不不到到一一年年的的北北京京六六环环路路，，多多座座桥桥面面发发生生裂裂缝缝，，其其规规律律、、情情况况和和北北京京四四环环路路出出现现的的问问题题相相似似。。新问问题题桥面面出出现现裂裂缝缝新问问题题原因因分分析析外因因：：水平平荷荷载载较较大大，，超超载载下下坡坡区区内因因：：施工工：：混混凝凝土土基基面面平平整整度度、、粗粗糙糙度度、、干干燥燥度度、、粘粘结结度度都都很很差差，，卷卷材材按按头头铺铺设设方方法法不不对对，，抢抢工工期期、、热热熔熔施施工工不不到到位位设计计：：防防水水层层局局部部相相互互连连接接差差，，桥桥面面渗渗水水排排除除措措施施不不当当新问问题题（2）桥桥面面防防水水层层病病害害事事故故如南南方方某某城城市市一一座座城城市市桥桥梁梁，，全全长长1000米，，2003年9月施工工完完成成，，次次年年4—5月份份，，由由于于防防水水层层引引起起桥桥面面铺铺装装全全部部损损坏，，造造成成经经济济损损失失全全部部费费用用达达2000万元元。。由于于防防水水层层出出现现了了问问题题，，由由此此带带来来的的后后果果，，不不仅仅是是经经济济上的的损损失失，，频频繁繁的的修修复复返返工工也也对对交交通通、、桥桥梁梁使使用用带带来来不不良良的的社会会影影响响。。广泛泛关关注注一系系列列事事故故引引起起了了有有关关方方面面的的广广泛泛关关注注，，工工程程一一致致呼呼吁吁要规规范范好好设设计计和和施施工工，，提提高高法法制制意意识识。。2004年初初，，北北京京市市市市政政工工程程设设计计研研究究总总院院向向建建设设部部标标准准定定额司司申申请请编编制制行业业标标准准《城市市桥桥梁梁桥桥面面防防水水工工程程技技术术规规程程》，并并获获得得批批准准。。由由设设计计、、施施工工研研究究20多个个单单位位参参加加，，全全国国范范围内内，，除除北北京京以以外外，，还还有有广广州州、、重重庆庆、、兰兰州州、、沈沈阳阳等等城城市市，，代表表了了东东北北、、西西北北、、西西南南和和南南方方等等各各个个地地区区，，即即我我国国各各地地区区的同同业业专专家家、、学学者者均均有有代代表表参参与与了了该该规规程程的的编编制制工工作作。。主要要内内容容2设计计理理念念上上的的创创新新和和技技术术路路线线3工程程实实践践上上的的创创新新发发展展4提出出城城市市桥桥梁梁桥桥面面防防水水的的对对策策2344发展展沿沿革革展望望和和结结语语15桥面面防防水水的的特点点1、桥桥面面防防水水特特点点使用条件件：针对桥梁梁处于动动态的工工作状态态，行车车荷载行行使时除除竖直向向压力外外，还有有水平方方向的制制动力、、离心力力及下坡坡时轮载载的水平平分力作作用到桥桥面上，，当防水水层受到到较大的的水平剪剪力，要要求防水水层具有有较大的的抗剪性性能。施工条件件：桥面防水水层上有有沥青混混凝土铺铺装层，，其施工工时要高高温摊铺铺、筑路路机碾压压，要求求防水层层有耐高高温的能能力和对对压路机机局部承承压抗硌硌破的能能力。震动“疲疲劳”作作用：桥面车辆辆活载反反复周期期性的作作用，因因此桥面面板结构构的应力力、变形形、裂缝缝都是反反复周期期性变化化的，在在混凝土土的裂缝缝边缘，，会有““应力集集中”现现象，会会使裂缝缝扩大和和增加，，造成““裂缝累累积的损损伤”，，这就是是混凝土土的“疲疲劳”作作用，这这也决定定了防水水层的选选择不同同于静载载为主的的其他结结构。不能完全全照抄““屋面工工程技术术规范””，只能能独立制制定。桥面防水水的适用范围围2、桥面面防水的的适用范范围：⑴桥面防防水层其其承受的的车轮荷荷载为接接触轮载载；⑵桥面铺铺装下为为混凝土土基面防水对策策3、相应的的防水对对策包括设计、施施工和质质量验收收三个部分分应关注的的重要内内容：防水等级级的确定定材料的使使用性能能基面层的的要求设计构造造措施施工检测测内容在《规程》明确规定定了一条条强制性性条文（3.0.1条）“混混凝土桥桥面铺装装内应设设防水层层，桥面面系应有有完整的的防水、、排水系系统。””防水对策策4、规定防防水等级级的划分分按桥梁分分类，道道路等级级，环境境类别三三个方面面，划分分为I、II两个等级级对I、II类防水分分别提出出了不同同的使用用年限（（15年和10年）和不不同的使使用要求求5、制定桥桥面防水水层选材材的基本本规定沥青混凝凝土铺装装面层：：采用防水水卷材，，防水涂涂料－柔柔性防水水层，此此类桥面面铺装占占90%以上水泥混凝凝土铺装装面层：：采用渗透透结晶型型防水材材料－刚刚性防水水层，严严禁使用用卷材防防水6、规定防防水层的的适用范范围柔性防水水层：应符合行行业标准准，主要要从环境境条件防防水等级级及其他他要求（（3.0.4条）刚性防水水层应符合相相关行业业标准（（3.0.6-3.0.8条）系统工程程7、将桥面面防水作作为一个个“系统统”工程程防－排水水功能设计－施施工－监监测－养养护整体体环节关于材料料通用性性能，其其应用性性能应符符合综合合要求防水材料料－结构构亦是““系统””的防水水理念和其它规规程法规规的关系系8、《规程》和其他规规程、法法规的关关系与《道桥用改改性沥青青防水卷卷材》JC/T974，《道桥用防防水涂料料》JC/T975，承上启下下的作用与《公路桥涵涵设计通通用规范范》JTG/D60及《城市桥梁梁设计通通用规范范》（送审稿稿）相结结合和国家有有关节能能、环保保、消防防、安全全、卫生生要求法法律法规规一致对新材料料、新技技术、新新工艺，，按《建设工程程勘察设设计管理理条例》（国务院院293号令）第第二十九九条执行行桥面防水水系统设设计9、桥面防防水系统统设计主要包括括：防水水系统总总体布置置、防水水材料选选用原则则、关于防水卷卷材的抗抗剪性能能、其他他防水材材料、防防水层的的厚度和和结构细部构构造等。。防水系统统总体布布置应满足防防－排水水功能以以及设计计－施工工－监测测－养护护整体环环节防水材料料选用原原则桥梁结构构型式：：坡度、、刚度、、平面型型式环境条件件及施工工条件：：有效温温度、温温度梯度度、高温温耐热、、低温柔柔度、施施工温度度材料选用用要考虑虑材料性性能的相相容性和和材料品品质的优优选性防水卷材材的抗剪剪性能10、防水卷卷材的抗抗剪性能能车辆荷载载作用在在桥面上上，除了了竖向力力以外，，还有水水平方向向的力，，如制定定力、离离心力等等。车辆荷载载下，铺铺装和防防水层的的竖力情情况用隔隔离体分分析车辆的水水平力是是通过车车轮与桥桥台之间间的摩擦擦力传递递到桥面面铺装及及防水层层上的防水卷材材的抗剪剪性能根据摩擦擦定律：：水平力F作用下，，其摩擦擦力大小小和重量量W与摩擦系系数与f乘积成正正比当水平力力小于摩摩擦力时时，物体体不动为为静摩擦擦，此时时摩擦力力等于水水平力T=F当水平力大于于摩擦力时，，物体滑动为为动摩擦，此此时摩擦力小小于水平力，，T≤W*f。因此可认为为不管水平力力大小，都可可用一个最大大的摩擦力值值来包络防水卷材的抗抗剪性能用Ansys通用有限元软软件分析：3×3块单元模型，，在10KN轮重作用于沥沥青面层上，，着地面积0.60×0.20，摩擦系数f=0.50。计算得出沥青青铺装厚8cm时的层间剪应应力，城A荷载折算值为为0.12mPa，相当于防水水卷材50℃时的抗剪强度度。防水卷材和防防水涂料性能能对比防水卷材or防水涂料防水卷材和防防水涂