淺論水泥混凝土橋面防水結構的施工

商 艷 溫義全

1 橋面防水結構長期存在的問題及現狀

橋面防水結構以前一般僅指橋面水泥混凝土鋪裝層,現在在水泥混凝土鋪裝層與瀝青混凝土鋪裝層之間設置了防水層,同時隨著對改性瀝青材料的研究,瀝青混凝土鋪裝層也將被列入到橋面防水結構的范疇。

長期以來,無論是設計還是施工人員,一般都只將橋面系視為附屬結構,對橋面防水結構一直沒有給予足夠的重視。設計人員在防水結構的設計方面所花精力甚少,一般都是比照橋梁設計規范和通用圖紙來設計橋面鋪裝,未進行針對性的受力計算和結構分析;而施工者也常常忽視防水結構特別要求的防裂、抗滲等指標,僅注重混凝土強度、平整度等常規指標。

混凝土橋面滲水會腐蝕鋼筋、降低混凝土強度、縮短結構的使用壽命。從對公路橋梁病害調查結果來看,橋面的損壞占的比例最大,其次是邊梁外側和梁端。主要表現形式為:由于橋面滲水致使混凝土腐蝕酥松、脫落,在車輪作用下產生空洞,鋼筋裸露,有些板橋的底部混凝土也出現大面積脫落。與上述橋面損壞部位相對應的是橋面鋪裝層、泄水孔和伸縮縫等結構的構造不合理、達不到防水要求。因此加強對橋面系結構破壞機理和設計理論的研究是解決橋面破壞的根本途徑。

2 水對混凝土橋梁結構的破壞機理

2.1 干濕交替對混凝土結構的破壞作用

一般來說,水泥混凝土材料是耐水材料,在潮濕環境或水中能保持強度和穩定性,潮濕條件也是水泥混凝土材料早期強度形成和發展不可缺少的條件。但是長期處于潮濕條件下,尤其在干濕交替循環狀態下,混凝土的耐久性問題是不容樂觀的。很多橋梁墩臺,在水位浮動的部位首先被破壞,其中京津塘高速公路龍風新河橋墩柱的腐蝕就是典型的例證。空氣中的水和雨水是一種成分很復雜的液體,在混入橋面的污物,常含有溶解的氣體、礦物質和有機質等,常見的有酸性物質、氧離子、氯離子、氮、碳酸氣、硫化氫及其他酸性離子,以及堿金屬和堿土金屬離子,這些酸、堿物質超過一定限度時,會侵蝕、損害橋梁的混凝土和金屬材料。

2.2 堿—骨料反應對混凝土結構的破壞作用

混凝土堿—骨料反應是指來自水泥、外加劑和環境中的堿金屬離子與砂石等集料中的活性組分發生化學反應,在水泥砂漿與石子的界面處生成白色凝膠物質,這種物質在潮濕環境中吸水膨脹,從而造成混凝土結構從內部開始的脹裂,甚至破壞。這種病害稱為混凝土的“癌癥”。堿—骨料反應少則幾年,多則十幾年就可以使混凝土結構喪失安全性。這種破壞具有不斷發展和不可修復性。具體表現為混凝土表面龜裂、突出、酥松,然后剝離。堿—骨料反應的發生和對混凝土的破壞需要三個條件:混凝土中的高堿性、碎石中的富含堿活性成分以及水。以前我國的水泥及外加劑均為高堿性,許多地區的砂石材料又含有不同程度的堿活性成分,如橋面不防水的話,那橋梁上構就會因堿—骨料反應而發生破壞。

2.3 鹽腐蝕對混凝土結構的破壞作用

沿海地帶的空氣中和雨水中都含有一定的氯鹽成分,有些寒冷地區在冬季為消除橋面上的冰凍和積雪而噴灑鹽水,這些鹽水通過防水結構不好的橋面系滲入到混凝土的縫隙里,不光引起堿—骨料反應,還會引起鹽腐蝕,加速結構的破壞。

2.4 凍融作用對混凝土結構的破壞作用

在寒冷地區,冬季滲入到混凝土中的水結冰、融化,反復進行,將混凝土的裂縫不斷擴大,對結構起慢性破壞作用,同時也加劇了堿—骨料反應和鹽腐蝕的破壞作用。

3 橋面裂縫產生的原因

3.1 早期塑性裂縫

水泥混凝土在塑性期或硬化初期會因為水分蒸發造成塑性開裂。一般而言,橋面混凝土的厚度小,和空氣的接觸面積大,產生塑性開裂的幾率也大。加強橋面混凝土施工中的質量管理和早期養護雖然可以減少開裂,但難以完全消除。塑性開裂雖然是表面裂縫,但在以后的使用過程中,會在車輛荷載的反復沖擊下逐漸擴展。

3.2 鉸縫部位的裂縫

預制梁橋的鉸縫受力復雜,是混凝土結構最薄弱的部位,尤其是近年來重載交通形成、過載車輛增多,都使得鉸縫部位的混凝土過早地產生了裂縫。

3.3 施工縫處的裂縫

在橋面混凝土施工時,不可避免地有施工縫,如鋪裝層的分塊施工、箱梁人孔的封堵、伸縮縫和泄水孔等部位預留槽口的填塞,這些部位混凝土結合較弱,在車輛荷載的反復沖擊下易形成裂縫供水滲入。

4 橋面防水結構的設計與施工要點

4.1 水泥混凝土鋪裝層

水泥混凝土鋪裝層一直是橋面防水系統的主要結構,裂縫的存在使水泥混凝土鋪裝層不能獨立承擔橋面防水的重任,通過以下手段提高其抗裂性能、保持強度還是很有必要的。

1)優化配合比設計,提高混凝土的密實度,保證抗滲性能。混凝土本身的密實度越高,其強度和防腐蝕性能就越好。采用優化集料的級配、選擇合理的砂率和水灰比、選用優質減水劑等措施都能提高混凝土的密實度。2)經常檢測新拌混凝土的坍落度,控制拌和用水量。攪拌混凝土時用水過多會使鋪裝層頂面產生一層素水泥砂漿層,不但易表面開裂,還會造成表層強度降低、耐久性變差,因此要經常檢測新拌混凝土的坍落度,控制拌和用水量。3)摻入纖維,提高混凝土的抗裂性能。在混凝土中摻入鋼絲或聚丙烯纖維,做成“雙筋”橋面,能對混凝土起到阻裂作用,并具有很好的抗滲能力,達到自防水的基本要求。4)保證鋼筋網的施工質量,增加結構的受力性能。橋面鋼筋網要求鋼筋直徑不小于10mm、間距不大于 150mm,且必須置于結構層的中間。在施工過程中,經常出現鋼筋間距不均勻、保護層厚度不足等現象,導致結構的受力性能大大降低,這些施工質量缺陷是橋面破壞主要原因之一。5)保證與梁板的粘結效果,做到共同受力。鋪裝層是薄層構件(厚6 cm～10 cm),單獨受力易于破壞。因此必須先將梁板頂面充分鑿毛、洗凈,使后澆的鋪裝層與梁板能保持很好的粘結,同時要將局部高出的混凝土鑿除,以保證鋪裝層的結構厚度。

4.2 橋面防水層

4.2.1 防水層的性能要求

防水層不但本身要起到防水作用,而且要求其與水泥混凝土和瀝青混凝土都有很好的親和性、附著力,與下面的水泥混凝土和上面的瀝青混合料都能牢固地粘結,否則就會成為一個層間抗剪力很低的夾層,將導致橋面瀝青混凝土出現壅包、滑移,直至松散、破壞,并且要求在瀝青混合料的高溫下只軟化、不流淌。

4.2.2 防水層的種類

防水層的主要類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,其粘結性能較好。市面上常見的有:FTY-1和HUT-1型專用橋面防水涂料、聚氨酯彈性防水涂料、環氧膠乳防水涂料、陽離子氯丁膠乳瀝青防水涂料、聚合物瀝青橋面防水涂料、PC橡膠防水卷材防水層。

4.2.3 防水涂料的施工要點

1)先將混凝土鋪裝層表面清理、沖洗,做到表面平整、干燥。2)施工涂料的基本要求是“牢、薄、透、勻”。3)乳液性質的防水涂料,高溫天氣應避開中午施工,以避免形成氣泡,一旦形成氣泡,立即進行處理,趕平后不影響粘結力。4)陰陽角、泄水孔及伸縮縫等部位處應作特殊處理。5)在防水層沒完全干透之前,禁止車輛通行。在攤鋪瀝青混合料時,應及時檢查被損壞的部位并立即修補。6)瀝青混凝土施工完成冷卻后,可做行走剎車試驗,檢查橋面鋪裝層有無脫粘起翹現象。

4.3 瀝青混凝土鋪裝層

4.4 其他防排水措施

1)泄水孔必須稍低于水泥混凝土鋪裝的高程,出水管應保證不尿檐。2)沿泄水孔頂做一縱向碎石盲溝,厚度同瀝青鋪裝層,幫助雨水快速排出。3)伸縮縫必須選擇防水型的。

5 建議及展望

從筆者先后經歷的兩條高速公路的橋面設計可以例證我國的橋面防水措施在不斷地完善,如 2001年重慶渝鄰高速公路的橋面僅設計了防水混凝土鋪裝層、未設防水涂層,泄水孔與瀝青層頂面平齊、未考慮瀝青層內部水的排出;而 2004年貴州鎮勝高速公路的橋面不僅設計了聚丙烯纖維混凝土鋪裝層,還設計了防水涂層,泄水孔頂面稍低于水泥混凝土鋪裝層,且在頂部設計了加速路面水排出的縱向碎石盲溝。隨著對橋面水損破壞機理的深入研究,橋面防水設計理論和施工措施的不斷完善,我們正向實現長壽命橋梁的目標邁出堅定的步伐。

[1] JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[2] 公路施工手冊——梁涵[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 牛石超,馮紅耀.朝天門長江大橋橋面鋪裝層間處理技術與方法[J].山西建筑,2010,36(2):311-312.