摘 要:在查閱大量文獻資料和深入研究的基礎上,防水體系的組成、材料分類、性能指標和測試、常見病害,對我國橋面防水層的應用與研究進行了分析總結。
關鍵詞:混凝土橋面;防水層;性能;測試;設計
中圖分類號:U443 文獻標識碼:C 文章編號:1008 - 3383 (2006) 11 - 0103 - 02
1 橋面防水的重要意義
凍融破壞、鋼筋腐蝕、堿集料反應、混凝土炭化等被視為橋梁混凝土主要的耐久性問題,在實際工程中也常出現諸如立交橋橋滲漏和鹽霜、鋪裝層剝落、堿骨料反應、橋面板破碎等問題。針對各種病害產生的具體原因,有許多不同的防治措施,但是,通過分析可以知道水是造成這些破壞的最直接和最重要的原因之一。實際上,水也是堿骨料反應發生的充分條件,在干燥條件下很難發生堿骨料反應。而混凝土處于干燥或含水率很低的狀態,空氣中的CO2 無法溶于混凝土的孔隙水中,或溶解極少、極慢,故混凝土碳化也無法進行。因此,從根本上切斷水的來源即做好橋面防水處理,是保證混凝土橋梁免遭破壞、延長橋梁使用壽命、提高橋梁上部結構的耐久性的有效措施,也是橋梁設計思想從強度設計向耐久性設計轉變的重要內容。如1979 年美國聯邦總審計長呈送國會的報告中指出,研究和設置合理的橋面防水系統是最有效的措施之一,且指出其費用效益比為1∶2. 75 ,由此可見,作好橋面防水工程也具有巨大的經濟效益。
2 防水系統的組成
防水薄膜(或稱防水層) 是防水系統中的重要組成部分,整個防水系統良好性能的發揮依賴于各部分性能的正常發揮,其他組成部分的作用和特性簡介如下。
透層或稱底涂層的作用是通過滲入和粘附于混凝土橋面來提高防水薄膜與橋面的粘結力。一些卷材要求專門的膠粘劑與橋面相粘貼,自粘卷材則不需要膠粘劑。排氣層用以防止氣泡產生,排氣層已在歐洲應用,但在北美地區尚很少使用。保護層的作用主要是防止因施工對防水膜造成的損壞,通常配合涂膜使用。
粘結層可以提高防水薄膜(或保護層) 和瀝青面層之間的粘結力。在防水膜上可采用單層瀝青混凝土鋪裝,但大多數采用雙層瀝青混凝土鋪裝。
3 防水材料和防水層的性能指標與檢測
對理想防水系統的要求可以簡單地概括如下:施工后不透水和在設計年限內不透水,且是經濟的。所以,作為橋面鋪裝防水層材料和防水層必須滿足以下要求: (1) 良好的不透水性能; (2) 與混凝土橋面和瀝青面層有足夠的粘結力; (3) 面層碾壓后的無破損性; (4) 良好的耐高溫、低溫性能; (5) 對橋面準備狀況有廣泛的適應性; (6) 能抵御橋面裂縫的影響;(7) 不低于面層設計壽命的耐久性; (8) 施工簡單、快捷。
有許多關于防水系統性能的室內檢驗指標和方法,但大多數是針對防水薄膜的,這些試驗可以分為二類:材料試驗和使用(路用) 性能試驗。NCHRP12- 11 項目和TRL 曾對防水系統性能試驗進行過深入研究。
NCHRP165 報告對材料性能試驗的研究概括見表1 ,據此制訂的標準只是提出了具體材料的要求而沒有提出相應的性能指標標準,這種方法的缺點是顯而易見的。如同樣是卷材類,然而對同樣性能的要求卻不相同,例如,對一種產品的彎曲溫度要求是小于- 61 ℃,面對另一種產品則是7～13 ℃,同樣對某產品的抗拉強度要求為4. 1～9. 6 MPa ,而對另一種產品的抗拉強度卻根本不作要求,見表1 。
與NCHRP165 報告相比,英國TRL 的研究是訖今為止規模最大、手段最現代化的研究,研究中包括很少的材料試驗和較多的性能試驗、防水系統的野外測試。試驗方法是根據防水薄膜對應各階段的特性提出來的,即施工中、防水膜施工后面層攤鋪前、面層攤鋪過程中、正常使用中等階段。共提出的18 種試驗方法,采用七個檔次或級別來定量或半定量地評估防水薄膜的性能。
至今尚未有被實際應用證明是行之有效的方法,可用于判斷防水膜在施工后、面層攤鋪后使用中的真實情況。目測是對混凝土中氯離子含量的測量、或剝去面層檢測是最有效的檢測防水膜使用狀況的方法。在20 世紀70 年代廣泛使用的電子電阻測試儀,由于其自身的局限性,至今已很少使用。半電池電勢測試方法難以應用于裸露的橋面,尤其是當橋面已被鹽分污染時更難以對測試結果作出合理的解釋。而在進行具體研究時,超聲波和腐蝕率測試方法雖然有一定效果,但是需要與其他野外測試數據相配合。其他諸如雷達、自動溫度計或核子測量技術至今還不成熟,不能被應用于實際檢測中。
英美對防水體系的研究表明,缺乏對防水系統性能的定量要求、能模擬實際情況的材料選擇試驗和施工質量檢測是發展技術規范的主要障礙,其中現場測試要比材料選擇試驗復雜的多。
4 防水系統的病害
防水系統最重要的性能是不透水性能,故防水系統的病害主要表現在防水性能的喪失。防水膜的不透水性能由兩個因素所決定,即粘結力和破損狀況。
防水膜與橋面之間粘結力的不足會最終導致防水膜的失效,粘結力下降的原因很多,如橋面處理不合格、混凝土含水量大、不良氣候、防水層產生氣泡或砂眼等。防水膜與面層之間低的粘結力也往往是面層破壞的先兆。
目前使用的許多防水膜易受到面層鋪筑設備和熱集料的損壞。加拿大和歐洲使用保護層(板) 來防止這種破壞,但在美國僅有少數一些州使用保護層。然而研究表明,保護層(板) 可以有效地減少防水膜在面層鋪筑前、施工中、施工后開放交通前的破損。一些研究表明,瀝青混凝土面層的厚度對減少防水膜在車輛荷載作用下和溫度變化影響下的破壞有重要意義影響。研究也表明,較厚的防水膜能很好地適應橋面的不平整狀況、良好的施工適宜性、能抵抗施工作業的破損和交通荷載的作用。但是,如果橋面坡度大于4 %或存在重車急剎車和調頭等情況,那么,瀝青面層易于出現車轍和剪切破壞。
5 結 論
通過對國內外橋面防水應用與研究的回顧和總結,得出以下結論。
(1) 研究和設置合理的橋面防水系統是保證和提高橋梁的耐久性最有效的措施之一。我國在橋面防水的應用與研究方面處于起步階段,而歐美國家則已較為全面、深入和系統。大多歐洲國家對橋面防水持肯定態度,美國經過對防水膜30 年的使用,已公認防水膜是最具經濟效益的橋面保護措施之一。
(2) 防水薄膜是防水系統中的重要組成部分,整個防水系統良好性能的發揮依賴于系統各部分性能的正常發揮。認真進行材料的選擇和設計,則卷材和涂膜均可提供良好的防水效果。
(3) 缺乏對防水系統性能的定量要求、能模擬實際情況的材料選擇試驗和施工質量檢測是發展技術規范的主要障礙,其中現場測試尚無突破性進展。
(4) 防水系統的病害主要表現在防水性能的喪失,防水膜的不透水性能由粘結力和破損狀況兩個因素所決定。許多防水膜易受到面層鋪筑設備和熱集料的損壞,厚的瀝青混凝土面層可有效減少防水膜在車輛荷載作用下和溫度變化影響下的破壞。
(5) 國外對橋面防水的設計以經驗法為主,我國已提出以層間抗剪強度為驗算指標的設計方法。橋面防水設計中必須貫徹防排水相結合的原則。
