摘 要:在查阅大量文献资料和深入研究的基础上,防水体系的组成、材料分类、性能指标和测试、常见病害,对我国桥面防水层的应用与研究进行了分析总结。
关键词:混凝土桥面;防水层;性能;测试;设计
中图分类号:U443 文献标识码:C 文章编号:1008 - 3383 (2006) 11 - 0103 - 02
1 桥面防水的重要意义
冻融破坏、钢筋腐蚀、碱集料反应、混凝土炭化等被视为桥梁混凝土主要的耐久性问题,在实际工程中也常出现诸如立交桥桥渗漏和盐霜、铺装层剥落、碱骨料反应、桥面板破碎等问题。针对各种病害产生的具体原因,有许多不同的防治措施,但是,通过分析可以知道水是造成这些破坏的最直接和最重要的原因之一。实际上,水也是碱骨料反应发生的充分条件,在干燥条件下很难发生碱骨料反应。而混凝土处于干燥或含水率很低的状态,空气中的CO2 无法溶于混凝土的孔隙水中,或溶解极少、极慢,故混凝土碳化也无法进行。因此,从根本上切断水的来源即做好桥面防水处理,是保证混凝土桥梁免遭破坏、延长桥梁使用寿命、提高桥梁上部结构的耐久性的有效措施,也是桥梁设计思想从强度设计向耐久性设计转变的重要内容。如1979 年美国联邦总审计长呈送国会的报告中指出,研究和设置合理的桥面防水系统是最有效的措施之一,且指出其费用效益比为1∶2. 75 ,由此可见,作好桥面防水工程也具有巨大的经济效益。
2 防水系统的组成
防水薄膜(或称防水层) 是防水系统中的重要组成部分,整个防水系统良好性能的发挥依赖于各部分性能的正常发挥,其他组成部分的作用和特性简介如下。
透层或称底涂层的作用是通过渗入和粘附于混凝土桥面来提高防水薄膜与桥面的粘结力。一些卷材要求专门的胶粘剂与桥面相粘贴,自粘卷材则不需要胶粘剂。排气层用以防止气泡产生,排气层已在欧洲应用,但在北美地区尚很少使用。保护层的作用主要是防止因施工对防水膜造成的损坏,通常配合涂膜使用。
粘结层可以提高防水薄膜(或保护层) 和沥青面层之间的粘结力。在防水膜上可采用单层沥青混凝土铺装,但大多数采用双层沥青混凝土铺装。
3 防水材料和防水层的性能指标与检测
对理想防水系统的要求可以简单地概括如下:施工后不透水和在设计年限内不透水,且是经济的。所以,作为桥面铺装防水层材料和防水层必须满足以下要求: (1) 良好的不透水性能; (2) 与混凝土桥面和沥青面层有足够的粘结力; (3) 面层碾压后的无破损性; (4) 良好的耐高温、低温性能; (5) 对桥面准备状况有广泛的适应性; (6) 能抵御桥面裂缝的影响;(7) 不低于面层设计寿命的耐久性; (8) 施工简单、快捷。
有许多关于防水系统性能的室内检验指标和方法,但大多数是针对防水薄膜的,这些试验可以分为二类:材料试验和使用(路用) 性能试验。NCHRP12- 11 项目和TRL 曾对防水系统性能试验进行过深入研究。
NCHRP165 报告对材料性能试验的研究概括见表1 ,据此制订的标准只是提出了具体材料的要求而没有提出相应的性能指标标准,这种方法的缺点是显而易见的。如同样是卷材类,然而对同样性能的要求却不相同,例如,对一种产品的弯曲温度要求是小于- 61 ℃,面对另一种产品则是7～13 ℃,同样对某产品的抗拉强度要求为4. 1～9. 6 MPa ,而对另一种产品的抗拉强度却根本不作要求,见表1 。
与NCHRP165 报告相比,英国TRL 的研究是讫今为止规模最大、手段最现代化的研究,研究中包括很少的材料试验和较多的性能试验、防水系统的野外测试。试验方法是根据防水薄膜对应各阶段的特性提出来的,即施工中、防水膜施工后面层摊铺前、面层摊铺过程中、正常使用中等阶段。共提出的18 种试验方法,采用七个档次或级别来定量或半定量地评估防水薄膜的性能。
至今尚未有被实际应用证明是行之有效的方法,可用于判断防水膜在施工后、面层摊铺后使用中的真实情况。目测是对混凝土中氯离子含量的测量、或剥去面层检测是最有效的检测防水膜使用状况的方法。在20 世纪70 年代广泛使用的电子电阻测试仪,由于其自身的局限性,至今已很少使用。半电池电势测试方法难以应用于裸露的桥面,尤其是当桥面已被盐分污染时更难以对测试结果作出合理的解释。而在进行具体研究时,超声波和腐蚀率测试方法虽然有一定效果,但是需要与其他野外测试数据相配合。其他诸如雷达、自动温度计或核子测量技术至今还不成熟,不能被应用于实际检测中。
英美对防水体系的研究表明,缺乏对防水系统性能的定量要求、能模拟实际情况的材料选择试验和施工质量检测是发展技术规范的主要障碍,其中现场测试要比材料选择试验复杂的多。
4 防水系统的病害
防水系统最重要的性能是不透水性能,故防水系统的病害主要表现在防水性能的丧失。防水膜的不透水性能由两个因素所决定,即粘结力和破损状况。
防水膜与桥面之间粘结力的不足会最终导致防水膜的失效,粘结力下降的原因很多,如桥面处理不合格、混凝土含水量大、不良气候、防水层产生气泡或砂眼等。防水膜与面层之间低的粘结力也往往是面层破坏的先兆。
目前使用的许多防水膜易受到面层铺筑设备和热集料的损坏。加拿大和欧洲使用保护层(板) 来防止这种破坏,但在美国仅有少数一些州使用保护层。然而研究表明,保护层(板) 可以有效地减少防水膜在面层铺筑前、施工中、施工后开放交通前的破损。一些研究表明,沥青混凝土面层的厚度对减少防水膜在车辆荷载作用下和温度变化影响下的破坏有重要意义影响。研究也表明,较厚的防水膜能很好地适应桥面的不平整状况、良好的施工适宜性、能抵抗施工作业的破损和交通荷载的作用。但是,如果桥面坡度大于4 %或存在重车急刹车和调头等情况,那么,沥青面层易于出现车辙和剪切破坏。
5 结 论
通过对国内外桥面防水应用与研究的回顾和总结,得出以下结论。
(1) 研究和设置合理的桥面防水系统是保证和提高桥梁的耐久性最有效的措施之一。我国在桥面防水的应用与研究方面处于起步阶段,而欧美国家则已较为全面、深入和系统。大多欧洲国家对桥面防水持肯定态度,美国经过对防水膜30 年的使用,已公认防水膜是最具经济效益的桥面保护措施之一。
(2) 防水薄膜是防水系统中的重要组成部分,整个防水系统良好性能的发挥依赖于系统各部分性能的正常发挥。认真进行材料的选择和设计,则卷材和涂膜均可提供良好的防水效果。
(3) 缺乏对防水系统性能的定量要求、能模拟实际情况的材料选择试验和施工质量检测是发展技术规范的主要障碍,其中现场测试尚无突破性进展。
(4) 防水系统的病害主要表现在防水性能的丧失,防水膜的不透水性能由粘结力和破损状况两个因素所决定。许多防水膜易受到面层铺筑设备和热集料的损坏,厚的沥青混凝土面层可有效减少防水膜在车辆荷载作用下和温度变化影响下的破坏。
(5) 国外对桥面防水的设计以经验法为主,我国已提出以层间抗剪强度为验算指标的设计方法。桥面防水设计中必须贯彻防排水相结合的原则。
