【正文】 耐久性水泥混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料研究東南大學(xué)橋面鋪裝課題組 二 0一0 年三月 第一章 概述 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 4 研究意義及目的 6 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 8第二章 水泥混凝土橋面鋪裝病害調(diào)查及分析 11 水泥混凝土橋面鋪裝病害類型 11 病害成因分析 14 橋面鋪裝層力學(xué)分析 14 鋪裝層結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計 15 鋪裝層施工 15 鋪裝層養(yǎng)護 16 17 橋面鋪裝層病害控制指標(biāo) 17第三章 橋面耐久性鋪裝與結(jié)構(gòu)材料研究 18 橋面耐久性鋪裝研究背景 19 橋面耐久性鋪裝的基本要求 20 耐久性鋪裝材料優(yōu)選與結(jié)構(gòu)確定 21第四章 水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析 23 考慮整橋結(jié)構(gòu)變形的水泥混凝土橋面鋪裝受力分析 23 水泥混凝土梁與鋪裝耦合作用的整橋結(jié)構(gòu)模型 24 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位 26 整橋集中荷載作用下的最不利鋪裝段 27 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位 28 鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng) 29 小結(jié) 30第五章 環(huán)氧瀝青性能研究 31 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的技術(shù)指標(biāo)與要求 31 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青拉伸試驗 33 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青粘度試驗 35第六章 耐久性鋪裝下面層混合料試驗研究 39 41 路用性能試驗研究 42 固化馬歇爾強度 42 高溫穩(wěn)定性能 43 低溫性能 43 水穩(wěn)定性能 44 材料試驗研究小結(jié) 46第七章 防水粘結(jié)層材料性能試驗 46 試驗設(shè)計 47 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料性能研究 48 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)料強度增長規(guī)律 48 不同防水材料性能研究 49 模擬攤鋪碾壓溫度下降對強度的影響 51 試驗研究結(jié)論 51第八章 鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗 52 試驗設(shè)備選擇 52 試件制作 53 復(fù)合結(jié)構(gòu)四點彎疲勞試驗 54第九章 環(huán)氧瀝青混凝土關(guān)鍵施工工藝研究 56 環(huán)氧瀝青容留時間研究 56 56 容留時間的驗證試驗 57 容留時間的驗證試驗 58 容留時間的確定 59 混合料出料溫度范圍的確定 59 環(huán)氧瀝青碾壓規(guī)律研究 61 施工中國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料溫度變化規(guī)律 61 碾壓工藝的確定 61 小結(jié) 62第十章 基于全壽命周期理論的經(jīng)濟性分析 62 全壽命周期成本理論 62 環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝的優(yōu)勢 64 環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝的經(jīng)濟性分析 65第十一章 鋪裝技術(shù)研究結(jié)論 66參考文獻 67第一章 概述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 橋面鋪裝是指為了保證車輛安全舒適地通過橋面，在其上鋪筑的防護面層，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分。其作用在于防止車輪直接磨耗行車道板，保護主梁免受雨水及其它有害物質(zhì)的侵蝕，并起到擴散荷載的作用。橋面鋪裝質(zhì)量的好壞和耐久性將直接影響到汽車的行駛質(zhì)量和橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。 水泥混凝土橋面鋪裝包括剛性鋪裝（即水泥混凝土鋪裝）、柔性鋪裝（瀝青混凝土鋪裝）兩大類。由于瀝青混凝土鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊，較易達到平穩(wěn)舒適的要求，因此國內(nèi)外絕大部分水泥混凝土橋均采用瀝青混凝土柔性鋪裝。但由于瀝青材料本身的缺陷，以及對橋面鋪裝體系認識的不足，目前國內(nèi)外水泥混凝土橋面鋪裝大多會出現(xiàn)嚴重的早期病害[23]，其使用耐久性遠遠無法滿足設(shè)計要求，進而大大降低了橋梁主體結(jié)構(gòu)的使用耐久性，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，如何提高橋面鋪裝的耐久性已成為目前該領(lǐng)域研究的熱點與難點。 國外對水泥混凝土橋面鋪裝體系的研究起步較早，目前已形成典型的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系?？筛爬榉浪辰Y(jié)層+瀝青混凝土面層。 橋面防水體系的修筑是提高橋梁耐久性的重要保證，它與面層的設(shè)計與施工是有機的整體。歐美自 20 世紀 60 年代已開始大量采用橋面防水層。防水粘結(jié)材料主要包括熱熔型防水粘結(jié)材料、溶劑型防水粘結(jié)材料和熱固性防水粘結(jié)材料[4] 。熱熔型粘結(jié)材料由瀝青摻加樹脂（如松香）和各種聚合物（如EVA、PE、SBS）等組成，這類材料的共同特點是加熱后軟化，冷卻時固化變硬。這種材料在常溫下具有一定的變形能力，能夠適應(yīng)在交通荷載下由于局部變形而引起的拉應(yīng)力的反復(fù)作用，也具有良好的防水封閉作用。其最大的缺點是在高溫下容易變軟，粘結(jié)力下降。在剪切荷載作用下，橋面鋪裝容易在這一層產(chǎn)生推移。因此，要求粘結(jié)層材料在鋪裝高溫范圍以內(nèi)較硬，具有足夠的抗剪切能力。國內(nèi)某大跨徑鋼箱梁橋使用這類粘結(jié)劑時提出的軟化點指標(biāo)太?。ù笥?5℃），用量又偏多，通車后不久橋面即出現(xiàn)了橫向推移的熱穩(wěn)定問題。在其后國內(nèi)另一大跨徑鋼箱梁橋上，相應(yīng)提高了軟化點指標(biāo)（大于100℃）并減少其用量。溶劑型粘結(jié)材料一般多指乳化瀝青和可溶性的橡膠瀝青，這類材料的共同特點也是加熱后軟化，冷卻時固化變硬。乳化瀝青粘結(jié)層在國內(nèi)使用較多，如西陵長江大橋?？扇苄詾r青橡膠在日本使用較多，明石海峽大橋鋪裝粘結(jié)層采用的即是這種材料。國內(nèi)某大跨徑鋼箱梁橋和香港青馬大橋也都采用了可溶性的橡膠瀝青作為粘結(jié)底層。這種材料除同樣具有高溫軟化的缺點外，其內(nèi)部含有的熱敏性物質(zhì)在接觸瀝青鋪裝層攤鋪時的高溫時會釋放出氣體，從而使鋪裝層產(chǎn)生氣泡。這種破壞現(xiàn)象在青馬大橋和日本的一些橋梁鋪裝中都曾出現(xiàn)。目前解決方法是注射環(huán)氧聚硫橡膠粘結(jié)劑到每個氣泡中，加熱瀝青混合料并壓實。熱固性粘結(jié)材料主要指環(huán)氧瀝青。環(huán)氧瀝青一般由A和B組分混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化而成，其化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。A和B組分混合后，順酐化瀝青、固化劑、功能聚合物、乳化劑等與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物間交織互聯(lián)，固化物體系很快從二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體型結(jié)構(gòu)并形成強度，其中，環(huán)氧樹脂以層疊、互聯(lián)的方式形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；瀝青則以顆粒狀態(tài)較均勻地分散在環(huán)氧樹脂內(nèi)部，顆粒彼此間幾乎無聯(lián)系，離散地分布在環(huán)氧樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成不可逆的固化物。同前面兩類材料相比，這種材料無論在粘結(jié)能力、變形能力，還是在熱穩(wěn)定性方面，都具有明顯的優(yōu)勢。如環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的性能指標(biāo)中對其耐高溫性要求達到300℃以上，遠高于國內(nèi)某橋軟化點大于100℃的要求。 國外對水泥混凝土橋的橋面鋪裝層設(shè)計（包括鋪裝材料選擇和厚度、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計）主要是基于材料性能試驗之上的經(jīng)驗設(shè)計法。例如，對鋪裝層厚度的設(shè)計，各國根據(jù)本國的經(jīng)驗而采用不同的厚度值，日本主張采用60~75mm，歐美一些國家則采用40mm左右；對瀝青混凝土種類的選擇各國也不相同，但均盡量采用優(yōu)質(zhì)的瀝青混凝土來提高橋面鋪裝的耐久性能。 國內(nèi)對水泥混凝土橋面鋪裝體系的研究較少，設(shè)計中主要沿用公路瀝青路面的設(shè)計方法，沒有形成一整套系統(tǒng)的橋面鋪裝的設(shè)計、施工方法。 我國水泥混凝土橋面鋪裝分為設(shè)防水層與不設(shè)防水層兩種形式。我國最早是在20世紀80年代初開始逐漸認識到鋼筋腐蝕的嚴重性和橋面防水粘結(jié)的重要性，開始陸續(xù)在北京、天津等地的水泥混凝土橋面鋪裝工程中鋪設(shè)柔性防水粘結(jié)層。目前常用的橋面防水粘結(jié)材料主要有乳化瀝青、改性乳化瀝青、涂料、SBS卷材、APP卷材等，隨著國產(chǎn)環(huán)氧瀝青材料的研發(fā)成功，該高性能防水粘結(jié)材料也開始得到應(yīng)用推廣[56]。 我國水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝厚度一般為6~8cm，特殊情況下增至10cm；鋪裝層采用雙層結(jié)構(gòu)，下面層采用3~4cm整平層，采用中粒式瀝青混凝土；表面層的厚度和混合料類型與其相鄰橋頭引線的行車道上的瀝青表面層的厚度、混合料級配類型相同，以便與橋頭引線部分一起施工，減少接縫。在上、下面層之間灑布粘層瀝青[7]。國內(nèi)對水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝的研究還處于于嘗試階段，沒有形成明確的研究思路，更談不上形成統(tǒng)一的鋪裝結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法。 總之，防水層不僅要有良好的密水性，還要與水泥混凝土橋面板及瀝青面層之間有足夠的粘結(jié)力，這也是各國研制開發(fā)好的防水層所努力的方向。同時，出現(xiàn)的新材料和新結(jié)構(gòu)型式也在逐漸應(yīng)用于水泥混凝土橋面鋪裝，以改善鋪裝體系的性能。 研究意義及目的 水泥混凝土橋面鋪裝對橋梁使用功能的發(fā)揮起著重要作用，橋面鋪裝的破壞不但會影響交通運輸，同時會造成巨大的經(jīng)濟損失。橋面鋪裝已經(jīng)成為水泥混凝土橋梁建設(shè)工程中的工程人員關(guān)注的重點環(huán)節(jié)。但是相對于普通瀝青路面，橋面鋪裝受力復(fù)雜，影響因素諸多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1） 需要進一步深入分析橋面鋪裝損害機理。目前有關(guān)橋面鋪裝的損害基本上是套用瀝青路面的病害分類和評價方法，對于鋪裝病害多是簡單地歸因于嚴苛的工作環(huán)境和條件等外因，對病害產(chǎn)生的內(nèi)因（材料和結(jié)構(gòu)）及其與外因的關(guān)系未進行深入研究，而這樣的結(jié)論對解決問題沒有實質(zhì)意義。所以，需要通過調(diào)查和研究，分析各類病害產(chǎn)生過程和機理，探討各類病害與鋪裝體系（橋面防水、層間粘結(jié)、瀝青鋪裝）的關(guān)系，為建立橋面鋪裝體系的設(shè)計模型和技術(shù)要求提供理論基礎(chǔ)。（2）需要結(jié)合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)特點，研究驗證橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法。在實際橋梁工程設(shè)計中，橋面鋪裝只是作為橋梁結(jié)構(gòu)的附屬結(jié)構(gòu)，一般不作專門的計算分析，現(xiàn)行規(guī)范只是對橋面鋪裝的做法、材料、厚度做了指導(dǎo)性說明。在橋面鋪裝設(shè)計方面，還沒有獲得世界公認的結(jié)構(gòu)設(shè)計組合形式、結(jié)構(gòu)厚度、材料種類及設(shè)計指標(biāo)、驗算方法及指標(biāo)等，還沒有形成系統(tǒng)的設(shè)計理論依據(jù)。為了更科學(xué)合理地設(shè)計橋面鋪裝，需要結(jié)合橋面鋪裝力學(xué)特性分析，研究橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法。（3） 需要更深入進行橋面粘結(jié)和防水層研究。目前國內(nèi)己明確瀝青橋面鋪裝必須由防水粘結(jié)層和瀝青鋪裝層組成，但對橋面防水粘結(jié)的研究和試驗才剛剛起步。交通部剛剛頒布實施的《路橋用水性瀝青基防水涂料》行業(yè)標(biāo)準，還有很多不完善之處，在橋面防水粘結(jié)材料選擇上存在盲目性。近幾年，市場上出現(xiàn)了種類繁多的橋面防水材料，面對種類繁多、良莠不齊的新產(chǎn)品和新材料，以及鋪天蓋地的產(chǎn)品廣告宣傳，給工程技術(shù)人員的材料選擇和設(shè)計帶來很大的困惑。而研究證明，環(huán)氧瀝青在橋面防水和層間粘結(jié)方面，具有很大的優(yōu)勢。需要進一步進行各種防水和粘結(jié)材料的比較和評價，并重點對環(huán)氧瀝青粘結(jié)與防水材料的技術(shù)標(biāo)準開展研究。（4） 需要結(jié)合水泥混凝土橋面鋪裝的工作條件，研究與開發(fā)性能優(yōu)良且耐久的鋪裝材料。由于瀝青混凝土橋面具有良好的行駛性能，適合應(yīng)用于大跨徑橋梁，世界各國的橋面鋪裝多采用瀝青混凝土體系，各國的研究者結(jié)合本國的國情，對鋪裝層混合料的性能和結(jié)構(gòu)形式分別作出了特殊的規(guī)定，目前常用的橋面鋪裝層材料主要有四類：普通改性瀝青混凝土、澆注式瀝青混凝土、改性瀝青SMA、環(huán)氧瀝青混凝土。在這幾種瀝青鋪裝層中，環(huán)氧瀝青混凝土具有明顯的性能優(yōu)勢，環(huán)氧瀝青鋪裝在美國、加拿大、荷蘭和澳大利亞等國家得到大量應(yīng)用，國內(nèi)的一些橋面鋪裝也多是采用進口的環(huán)氧瀝青，價格高，隨著我國橋梁工程建設(shè)的不斷發(fā)展，自主開發(fā)環(huán)氧瀝青技術(shù)和環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝具有重要的社會和經(jīng)濟意義。（5）我國對橋面防水層和鋪裝的應(yīng)用研究起步較晚，目前還沒有完善的施工技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量檢測標(biāo)準，各地做法不盡相同，一般都是根據(jù)經(jīng)驗進行施工操作，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，從某種程度上講，這也是造成局部損害的重要原因。特別是環(huán)氧瀝青，施工和質(zhì)量控制難度較大，對溫度和施工時間控制要求很高，需要深入分析環(huán)氧瀝青技術(shù)特點，研究施工工藝，進一步細化施工與質(zhì)量控制措施，促進其推廣和應(yīng)用。盡管國內(nèi)外許多國家都投入大量的精力進行橋面鋪裝的研究，但是往往沿用了普通道路路面的研究經(jīng)驗和成果，側(cè)重于材料研究以改善橋面鋪裝的路用性能，且研究成果適用性不強，不能大范圍推廣。于是本研究將開展水泥混凝土橋面耐久性鋪裝研究。擬從力學(xué)分析、鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計、材料設(shè)計、防水粘結(jié)層設(shè)計與施工工藝等幾方面進行水泥混凝土橋面耐久性鋪裝的研究，把新材料環(huán)氧瀝青和耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)有效相結(jié)合，力求大幅提高水泥混凝土橋面的防水、防脫層、鋪裝層的防常見病害等路用性能，并且有效地保護水泥混凝土橋面板，從而延長橋面鋪裝層的使用壽命，達到耐久性鋪裝的目的。 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 理論分析與工程實踐均表明，合理的鋪裝材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)組合對改善鋪裝層的受力狀況、充分發(fā)揮各種鋪裝材料的特性、提高橋面鋪裝的耐久性有著十分重要的作用。本文通過力學(xué)分析，確定材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)，同時進行下面層混合料與防水粘結(jié)層的設(shè)計，最終完成水泥混凝土橋面耐久性鋪裝研究。其研究的主要內(nèi)容和具體方法如下： （1）水泥混凝土橋面鋪裝耐久性及防水狀況調(diào)查分析選擇有代表性的高等級公路和國道上設(shè)置瀝青混凝土橋面鋪裝的水泥混凝土橋梁為調(diào)查對象，調(diào)查損壞情況和破壞形式，分析橋面鋪裝早期損壞的原因，調(diào)查橋梁的結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)型式、橋面鋪裝厚度、是否設(shè)置防水層、鋪裝層與橋面板的粘結(jié)狀況、防排水措施、橋面鋪裝主要病害及使用、維修狀況等，分析橋面損壞原因及影響耐久性的因素。①橋面瀝青混凝土鋪裝層病害調(diào)查；②橋面防水狀況調(diào)查和鋪裝結(jié)構(gòu)調(diào)查；③水泥混凝土橋面板病害及腐蝕狀況調(diào)查。④橋面耐久性影響因素分析。⑤橋面鋪裝病害機理分析及其與鋪裝體系（橋面防水、層間粘結(jié)、瀝青鋪裝）的關(guān)系。（2）環(huán)氧瀝青橋面防水層研究依托工程實際，對防水粘結(jié)層材料進行力學(xué)分析和試驗研究，以此指導(dǎo)防水粘結(jié)材料的選取和防水粘結(jié)層的設(shè)計，重點在于對環(huán)氧瀝青在水泥混凝土橋面上的應(yīng)用性能進行研究，并提出該粘結(jié)層材料在施工中可行性分析報告和需要注意的技術(shù)問題，本文主要研究內(nèi)容如下： ①對防水粘結(jié)體系進行理論分析，從中得出防水粘結(jié)材料斷裂形式及粘附強度的影響因素；②通過剪切、拉拔等試驗研究環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料的性能，對比國產(chǎn)環(huán)氧瀝青和其他防水粘結(jié)層在不同條件下的性能，從技術(shù)經(jīng)濟角度綜合比較環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層和其他防水材料，最終確定水泥混凝土橋面鋪裝施工的防水粘結(jié)層材料；③對防水粘結(jié)體系進行力學(xué)分析，分析防水粘結(jié)層計算參數(shù)及鋪裝層各參數(shù)對鋪裝受力特別是橋面板與防水粘結(jié)層間最大剪應(yīng)力的影響，為防水粘結(jié)材料的選擇提供計算依據(jù)；(3)環(huán)氧瀝青鋪裝層研究本項目結(jié)合依托工程，對橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混凝土進行試驗研究，研究并提出結(jié)合料環(huán)氧樹脂組分和瀝青組分的技術(shù)指標(biāo)和標(biāo)準；結(jié)合環(huán)氧瀝青特點，研究并提出最佳級配和配合比設(shè)計方法，并試驗研究環(huán)氧瀝青混合料各項性能，提出環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計指標(biāo)和標(biāo)準。①通過系統(tǒng)試