浅论水泥混凝土桥面防水结构的施工

商 艳 温义全

1 桥面防水结构长期存在的问题及现状

桥面防水结构以前一般仅指桥面水泥混凝土铺装层,现在在水泥混凝土铺装层与沥青混凝土铺装层之间设置了防水层,同时随着对改性沥青材料的研究,沥青混凝土铺装层也将被列入到桥面防水结构的范畴。

长期以来,无论是设计还是施工人员,一般都只将桥面系视为附属结构,对桥面防水结构一直没有给予足够的重视。设计人员在防水结构的设计方面所花精力甚少,一般都是比照桥梁设计规范和通用图纸来设计桥面铺装,未进行针对性的受力计算和结构分析;而施工者也常常忽视防水结构特别要求的防裂、抗渗等指标,仅注重混凝土强度、平整度等常规指标。

混凝土桥面渗水会腐蚀钢筋、降低混凝土强度、缩短结构的使用寿命。从对公路桥梁病害调查结果来看,桥面的损坏占的比例最大,其次是边梁外侧和梁端。主要表现形式为:由于桥面渗水致使混凝土腐蚀酥松、脱落,在车轮作用下产生空洞,钢筋裸露,有些板桥的底部混凝土也出现大面积脱落。与上述桥面损坏部位相对应的是桥面铺装层、泄水孔和伸缩缝等结构的构造不合理、达不到防水要求。因此加强对桥面系结构破坏机理和设计理论的研究是解决桥面破坏的根本途径。

2 水对混凝土桥梁结构的破坏机理

2.1 干湿交替对混凝土结构的破坏作用

一般来说,水泥混凝土材料是耐水材料,在潮湿环境或水中能保持强度和稳定性,潮湿条件也是水泥混凝土材料早期强度形成和发展不可缺少的条件。但是长期处于潮湿条件下,尤其在干湿交替循环状态下,混凝土的耐久性问题是不容乐观的。很多桥梁墩台,在水位浮动的部位首先被破坏,其中京津塘高速公路龙风新河桥墩柱的腐蚀就是典型的例证。空气中的水和雨水是一种成分很复杂的液体,在混入桥面的污物,常含有溶解的气体、矿物质和有机质等,常见的有酸性物质、氧离子、氯离子、氮、碳酸气、硫化氢及其他酸性离子,以及碱金属和碱土金属离子,这些酸、碱物质超过一定限度时,会侵蚀、损害桥梁的混凝土和金属材料。

2.2 碱—骨料反应对混凝土结构的破坏作用

混凝土碱—骨料反应是指来自水泥、外加剂和环境中的碱金属离子与砂石等集料中的活性组分发生化学反应,在水泥砂浆与石子的界面处生成白色凝胶物质,这种物质在潮湿环境中吸水膨胀,从而造成混凝土结构从内部开始的胀裂,甚至破坏。这种病害称为混凝土的“癌症”。碱—骨料反应少则几年,多则十几年就可以使混凝土结构丧失安全性。这种破坏具有不断发展和不可修复性。具体表现为混凝土表面龟裂、突出、酥松,然后剥离。碱—骨料反应的发生和对混凝土的破坏需要三个条件:混凝土中的高碱性、碎石中的富含碱活性成分以及水。以前我国的水泥及外加剂均为高碱性,许多地区的砂石材料又含有不同程度的碱活性成分,如桥面不防水的话,那桥梁上构就会因碱—骨料反应而发生破坏。

2.3 盐腐蚀对混凝土结构的破坏作用

沿海地带的空气中和雨水中都含有一定的氯盐成分,有些寒冷地区在冬季为消除桥面上的冰冻和积雪而喷洒盐水,这些盐水通过防水结构不好的桥面系渗入到混凝土的缝隙里,不光引起碱—骨料反应,还会引起盐腐蚀,加速结构的破坏。

2.4 冻融作用对混凝土结构的破坏作用

在寒冷地区,冬季渗入到混凝土中的水结冰、融化,反复进行,将混凝土的裂缝不断扩大,对结构起慢性破坏作用,同时也加剧了碱—骨料反应和盐腐蚀的破坏作用。

3 桥面裂缝产生的原因

3.1 早期塑性裂缝

水泥混凝土在塑性期或硬化初期会因为水分蒸发造成塑性开裂。一般而言,桥面混凝土的厚度小,和空气的接触面积大,产生塑性开裂的几率也大。加强桥面混凝土施工中的质量管理和早期养护虽然可以减少开裂,但难以完全消除。塑性开裂虽然是表面裂缝,但在以后的使用过程中,会在车辆荷载的反复冲击下逐渐扩展。

3.2 铰缝部位的裂缝

预制梁桥的铰缝受力复杂,是混凝土结构最薄弱的部位,尤其是近年来重载交通形成、过载车辆增多,都使得铰缝部位的混凝土过早地产生了裂缝。

3.3 施工缝处的裂缝

在桥面混凝土施工时,不可避免地有施工缝,如铺装层的分块施工、箱梁人孔的封堵、伸缩缝和泄水孔等部位预留槽口的填塞,这些部位混凝土结合较弱,在车辆荷载的反复冲击下易形成裂缝供水渗入。

4 桥面防水结构的设计与施工要点

4.1 水泥混凝土铺装层

水泥混凝土铺装层一直是桥面防水系统的主要结构,裂缝的存在使水泥混凝土铺装层不能独立承担桥面防水的重任,通过以下手段提高其抗裂性能、保持强度还是很有必要的。

1)优化配合比设计,提高混凝土的密实度,保证抗渗性能。混凝土本身的密实度越高,其强度和防腐蚀性能就越好。采用优化集料的级配、选择合理的砂率和水灰比、选用优质减水剂等措施都能提高混凝土的密实度。2)经常检测新拌混凝土的坍落度,控制拌和用水量。搅拌混凝土时用水过多会使铺装层顶面产生一层素水泥砂浆层,不但易表面开裂,还会造成表层强度降低、耐久性变差,因此要经常检测新拌混凝土的坍落度,控制拌和用水量。3)掺入纤维,提高混凝土的抗裂性能。在混凝土中掺入钢丝或聚丙烯纤维,做成“双筋”桥面,能对混凝土起到阻裂作用,并具有很好的抗渗能力,达到自防水的基本要求。4)保证钢筋网的施工质量,增加结构的受力性能。桥面钢筋网要求钢筋直径不小于10mm、间距不大于 150mm,且必须置于结构层的中间。在施工过程中,经常出现钢筋间距不均匀、保护层厚度不足等现象,导致结构的受力性能大大降低,这些施工质量缺陷是桥面破坏主要原因之一。5)保证与梁板的粘结效果,做到共同受力。铺装层是薄层构件(厚6 cm～10 cm),单独受力易于破坏。因此必须先将梁板顶面充分凿毛、洗净,使后浇的铺装层与梁板能保持很好的粘结,同时要将局部高出的混凝土凿除,以保证铺装层的结构厚度。

4.2 桥面防水层

4.2.1 防水层的性能要求

防水层不但本身要起到防水作用,而且要求其与水泥混凝土和沥青混凝土都有很好的亲和性、附着力,与下面的水泥混凝土和上面的沥青混合料都能牢固地粘结,否则就会成为一个层间抗剪力很低的夹层,将导致桥面沥青混凝土出现壅包、滑移,直至松散、破坏,并且要求在沥青混合料的高温下只软化、不流淌。

4.2.2 防水层的种类

防水层的主要类型有防水涂料和防水卷材,高速公路重型交通一般使用前者,其粘结性能较好。市面上常见的有:FTY-1和HUT-1型专用桥面防水涂料、聚氨酯弹性防水涂料、环氧胶乳防水涂料、阳离子氯丁胶乳沥青防水涂料、聚合物沥青桥面防水涂料、PC橡胶防水卷材防水层。

4.2.3 防水涂料的施工要点

1)先将混凝土铺装层表面清理、冲洗,做到表面平整、干燥。2)施工涂料的基本要求是“牢、薄、透、匀”。3)乳液性质的防水涂料,高温天气应避开中午施工,以避免形成气泡,一旦形成气泡,立即进行处理,赶平后不影响粘结力。4)阴阳角、泄水孔及伸缩缝等部位处应作特殊处理。5)在防水层没完全干透之前,禁止车辆通行。在摊铺沥青混合料时,应及时检查被损坏的部位并立即修补。6)沥青混凝土施工完成冷却后,可做行走刹车试验,检查桥面铺装层有无脱粘起翘现象。

4.3 沥青混凝土铺装层

4.4 其他防排水措施

1)泄水孔必须稍低于水泥混凝土铺装的高程,出水管应保证不尿檐。2)沿泄水孔顶做一纵向碎石盲沟,厚度同沥青铺装层,帮助雨水快速排出。3)伸缩缝必须选择防水型的。

5 建议及展望

从笔者先后经历的两条高速公路的桥面设计可以例证我国的桥面防水措施在不断地完善,如 2001年重庆渝邻高速公路的桥面仅设计了防水混凝土铺装层、未设防水涂层,泄水孔与沥青层顶面平齐、未考虑沥青层内部水的排出;而 2004年贵州镇胜高速公路的桥面不仅设计了聚丙烯纤维混凝土铺装层,还设计了防水涂层,泄水孔顶面稍低于水泥混凝土铺装层,且在顶部设计了加速路面水排出的纵向碎石盲沟。随着对桥面水损破坏机理的深入研究,桥面防水设计理论和施工措施的不断完善,我们正向实现长寿命桥梁的目标迈出坚定的步伐。

[1] JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[2] 公路施工手册——梁涵[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 牛石超,冯红耀.朝天门长江大桥桥面铺装层间处理技术与方法[J].山西建筑,2010,36(2):311-312.