桥面铺装层病害成因分析及防治措施.pdf

桥面铺装层病害成因分析及防治措施 闻宝联（天津市市政工程研究院，天津，300072）摘摘 要要：为了解决桥面铺装层在长期运营过程中出现的病害，本文针对桥面铺装层常出现的病害进行了详细的分析总结，并提出了相应的防治措施，对今后桥面铺装层的设计和养护有一定的借鉴意义。关键词：关键词：桥桥面铺装面铺装层层；病害；成因分析；防治措施；病害；成因分析；防治措施 1 前言前言 桥面铺装在桥梁的运营中有着重要的作用，一方面可将车轮集中荷载进行扩散分布，降低作用在桥面板的应力；另一方面可以保护钢筋混凝土桥面板避免车轮的直接磨耗作用。桥面铺装的质量和结构性能对交通安全、行车舒适性以及桥梁功能的发挥至关重要。随着交通量和重型车辆的增加等多方面因素的影响，桥面铺装早期病害在全国范围内比较普遍。维修工作不仅需要再次投入大量资金，还会严重妨碍正常交通，甚至诱发交通事故。以唐津高速公路为例，自 1998 年开通以来，全线 50以上桥梁的桥面铺装出现不同程度的破坏，桥面的维修影响到车辆的正常通行，诱发交通事故。其它主要干道桥梁的维修过程中也都曾直接或间接的诱发交通事故，带来人民生命财产的损失。如何能防治桥面铺装层出现病害，国内外专家学者对此做了大量的工作，同济大学、东北林业大学和其他一些单位都曾对病害成因做过大量的研究，并取得了相应的成果1-5。还有一些专家对桥面铺装的设计理论和施工技术进行优化和控制，以求减少桥面铺装层出现病害的机会，也取得了一定的研究成果6-7。2 病害成因分析病害成因分析 2.1 沥青层开裂 横向开裂 桥面横向开裂主要是在连续缝处开裂，连续缝开裂引起雨水下渗，引起主梁和盖梁的混凝土腐蚀。桥面裂缝在汽车冲击下，进一步发展，导致混凝土压碎。病害原因：简支梁桥结构的桥面铺装一般采取桥面连续形式以增加行车的舒适度。由于连续缝处荷载产生的负弯矩使此处的桥面铺装受拉、桥面混凝土干缩、季节温差等引起的纵向变形等多种因素作用下，混凝土出现拉应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，桥面混凝土出现横向裂缝，同时反射到表面的沥青铺装。纵向开裂 桥面纵向开裂主要出现在板梁结构和装配式干接头的 T 梁桥中，产生纵向裂缝的原因是：设计中理想状态是铰缝完全可以传递横向剪力，相邻梁间不出现相对竖向位移。当铰缝本身质量欠佳横向传递能力不足，使部分荷载只能通过桥面铺装来传递，若铺装层强度不足以承担，便导致沿铰缝的混凝土剪坏，反映为桥面沥青层纵向开裂。随着病害的进一步发展，桥面将出现纵向沟槽。2.2 桥面沥青层推移 某高速公路桥梁，桥面铺装维修通车后不到 2 个月再次出现沥青层严重推移，大面积水泥混凝土裸露、开裂破碎，如图 1 所示。现场发现水泥混凝土铺装表面极为光滑，沥青层与混凝土铺装间的防水层失效。沥青层推移不仅严重影响行车的舒适性，还增大了汽车对桥梁的冲击，加速了桥面水泥铺装和主体结构的破坏。图图 1 沥青层推移情况图沥青层推移情况图 出现上述病害有如下原因：材料性能差异：沥青混凝土和水泥混凝土材料力学性质的巨大差异，特别是弹性模量相差很大（沥青混凝土的弹性模量 1500MPa，水泥混凝土弹性模量为 3 104 MPa），沥青混凝土为柔性结构，而水泥混凝土为刚性，在行车荷载的作用下两者间必然形成较大的界面应力。此外，沥青层的吸热性和上下两层热变形的不一致，使得两者间也存在因温度引起的剪力。两者间的粘结措施处理不佳。一般防水层的设置降低了水泥混凝土和沥青混凝土间的粘结性能，水泥混凝土表面的粗糙度不足也降低两者之间的粘结性。图 4-7 是某桥沥青层严重推移后铲除沥青层后水泥混凝土铺装的情景，水泥混凝土铺装表面极为平顺光滑，影响了沥青层与混凝土层间的接合，高速行驶车辆产生巨大的层间剪力，导致该桥沥青混凝土铺装出现了剪切破坏和推移现象。沥青混合料配比不合理抗剪强度低也是导致推移、引起不确定破坏面的剪切变形的重要原因。超载：以上是内因，如果加上外部的超载因素，桥面铺装的破坏将加速，特别是纵坡较大的桥梁，在上坡段，由于车辆自重产生的下滑分力加大了桥面铺装的剪切力，也成为桥面铺装破坏的重要因素。设计理论欠缺 在以往高等级的桥面铺装设计中，沥青层的厚度大都为 6cm，研究表明，在其它条件相同的情况下，沥青与水泥混凝土层间剪应力与沥青层的厚度呈反相关关系，即沥青层越厚，层间剪应力越小。长安大学张占军等人以弹性层状体系为理论基础，用三维有限元的方法对水泥混凝土桥面柔性铺装的层间剪应力进行了计算和分析8。通过对沥青类桥面铺装层的破坏现象的分析，即以桥面板与沥青铺装层之间的层间剪应力为控制指标，要求其不超过层间抗剪强度。用有限元的方法对设防水层的水泥混凝土桥沥青铺装结构的层间剪应力的计算进行了分析，讨论了防水层的厚度、模量、泊松比、沥青混凝土铺装层厚度和模量等参数对结构层层间剪应力的影响。结论认为层间最大剪应力主要取决于面层厚度和防水层模量；在防水层模量相同的情况下，增加面层厚度是降低层间剪应力的最有效手段。2.3 桥面坑槽、唧浆 桥面坑槽、唧浆的现象在重载交通桥梁上极为普遍，桥面坑槽、唧浆的初期仅在很小范围内，若不及时处理，会导致范围越来越大，破坏程度也逐渐加重，不仅将水泥铺装砸碎，更会对主梁结构冲击破坏。引起桥面铺装出现坑槽、唧浆的主要原因在于以下四个方面。水泥铺装强度不足 沥青层摊铺于水泥混凝土上，作为基础的水泥混凝土强度不足，汽车作用下的应力超过其承载力，造成混凝土层破坏，从而引起表面沥青层也随之网裂破坏，最终形成坑槽、唧浆现象。水泥混凝土强度不足表现在三个方面：其一水泥混凝土表面形成强度较低的浮浆或砂浆层。当混凝土的配比不佳、坍落度偏大、过振均导致骨料下沉，表层为砂浆，而砂浆的抗压强度偏低。在水泥铺装表面整平时，只看表面是否好看，盲目要求表面光滑平整，甚至表面洒水以至降低混凝土强度，此外还形成强度极底的浮浆。当桥面局部低洼采用水泥浆填补也是施工中常见问题，后补区域往往成为桥面薄弱环节率先破坏。其二，水泥混凝土整体强度不足，主要由包括混凝土设计强度等级不高，钢筋网较单薄，施工质量差等因素引起。桥面水泥铺装面积大而厚度薄，且在工程中由于是非主要受力部位，施工中常常重视程度不够，易产生厚度不匀，配比强度控制不严，养护不充分产生早期塑性裂缝或后期干缩裂缝等工程质量问题。由于钢筋直径偏细网格间距过大，加之施工时由于施工人员踏踩、机械的碾压及混凝土自重作用，造成钢筋网塌陷紧贴桥面，大大降低了钢筋网的增强作用。其三，水泥混凝土强度因裂缝的产生而降低，裂缝主要受早期干缩开裂和温度裂缝这两个主要因素影响。层间结合不良 水泥混凝土铺装层顶面清理不干净，凿毛不彻底等原因，都易在桥面沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥面间形成软弱夹层，粘结油撒布量不够或粘结强度不足，也将影响沥青混凝土铺装层与桥面成为一个连续的整体结构而降低承载能力。层间结合力不足不但表现在沥青混凝土和水泥混凝土之间，也表现在铺装和梁顶面之间，在桥面铺装裂缝、破碎处现场刨验发现，梁顶未清理干净，就直接浇筑铺装混凝土，这很大程度上降低了桥面铺装层与梁顶间的粘结力，混凝土的整体性差，通车后由于汽车的荷载和冲击力的作用，使桥面出现开裂、脱落。水破坏作用 桥面排水设置的泄水孔只能排除桥面水，渗入沥青面层结构内部的水，只能滞留在沥青混凝土中或其下的界面上不能排出，行车作用下的动力水直接冲刷加上北方冬季频繁的冻融循环作用，使沥青混凝土桥面铺装更容易破坏。在行车荷载的作用下，沥青混凝土产生剪切变形，随后在轮迹带处沥青混凝土产生细小的裂缝，水从裂缝渗入，行车作用产生的动水压力逐渐使沥青剥落，最终导致严重的坑槽。超载的作用 超载越严重，汽车作用在沥青层的垂直压力越大。沥青层与水泥混凝土间的粘结因材料问题抗剪能力有限，如今重型超载车辆比较作用频繁，对桥面产生剪切力随单轴载荷的加大而成倍增加，这就要求桥面铺装各层间提供更大的粘结力和抗剪能力，粘结力和抗剪强度不能满足受力要求时，就会造成各层分离，从而加速了桥面的破坏。2.4 沥青面层网裂 桥面沥青层局部出现网裂的现象比较常见，网裂病害一旦形成往往发展比较迅速，特别是在雨季更加明显，很快发展为坑槽。形成沥青面层网裂的因素有以下三点：沥青老化的影响 在沥青路面施工及使用过程中，由于沥青轻组分的挥发，在空气中氧气、紫外线和热的综合作用下，随着时间的推移，沥青组分发生变化，低温抗裂性能大大降低，硬度增大，导致路面沥青性质发生变化，这种现象称为老化。老化一般可分为短期老化与长期老化两种，短期老化发生在施工过程中，混合料处于过热状态，可能引起老化的因素为挥发和氧化作用，长期老化则发生在混合料铺筑成路面之后，该过程要持续 10 年左右，主要是由于氧化引起的老化，紫外线的作用会加速桥面沥青的老化。最终就是沥青延度降低抗裂性较差出现桥面严重网裂。沥青层的密实度 沥青层的密实度主要受沥青混合料的配合比和施工控制影响。桥面沥青层一般采用密水性好的密级配沥青混凝土 AC 型，设计孔隙率控制在 35，压实度提高到 98，现场孔隙率可控制在 7以内，混凝土的透水性能较小，可以减少沥青层的水破坏。施工压实度达到 95时，现场孔隙率往往大于 12，导致严重的水破坏。研究发现桥面网裂处的沥青层密实度偏小、渗水严重。由于施工时因碾压温度、碾压次数等没控制好引起桥面压实度不足，实际空隙率较大，水容易渗入并引起水破坏，雨水较多的季节坑槽唧浆等病害出现的速度明显加快。因此，施工中必须保证碾压温度和次数，钢轮加振碾压能有效提高桥面沥青层的压实度，由于桥梁结构的固有基频较低，而钢轮碾压振动频率较高，一般结构桥梁不用考虑碾压共振会带来的问题。水泥铺装层的影响 当水泥混凝土因某种原因损坏，也会导致上层的沥青层出现网裂等病害。2.5 沥青层车辙、拥包 在一些重交通线路，桥面沥青铺装出现不同程度的车辙、拥包，行车道轮迹处下陷，轮迹以外拥起，车辙的存在容易引发交通安全事故。造成沥青层出现车辙、拥包是由于主要由超载和沥青混合料配比或施工不佳引起。由于沥青层本身为弹塑性材料，在荷载作用下发生蠕变，逐渐形成车辙。超载作用加速车辙的形成。沥青混合料耐流动性差、热稳定性达不到使用要求及铺装层与桥面粘结不牢，或双层式铺装层的上、下层结合不良均会引起车辙、拥包。从沥青混合料的性能可知，沥青混合料的疲劳寿命随沥青用量出现一个最佳值，最佳沥青用量附近，沥青混合料中沥青与矿料之间的粘聚力最佳，从而表现出较强的抗车辙能力。而配合比设计不当时，将加速车辙的形成。3 病害防治措施病害防治措施 针对桥面铺装出现以上病害，为提高桥面整体使用水平，主要通过以下几方面予以控制：3.1 加强桥面铺装混凝土设计和施工质量控制 铺装层设计包括沥青混凝土的厚度、配合比和水泥混凝土铺装的设计。桥面铺装防水混凝土强度等级提高到 C40，厚度增大至 1012cm，最薄处不得小于 8cm，钢筋网的钢筋直径采用 11，为提高铺装层的整体性和强度，桥面铺装宜采用焊接钢筋网。有条件时可以采用纤维增强技术，塑料纤维能有效抑制早期干缩裂缝的形成，在混凝土中掺加适量的有机纤维可以在混凝土中形成三维乱向分布结构从而抑制混凝土早期裂缝的形成和发展，并提高冲击强度和韧性及疲劳寿命。钢纤维能大幅度提高混凝土的冲击韧性，是改善桥面铺装混凝土性能十分有效的措施。为了保证桥面水泥混凝土铺装与主梁间连接良好，要求人工清扫梁顶，高压水冲洗干净，待桥面钢筋网铺设完毕浇筑混凝土前，再用空压机清除尘土。同时，在预制梁时要保证梁顶面一定的粗糙度。混凝土的坍落度控制宜在 10cm 左右，尽量减少泌水。应加强养护，尤其是表面修整和早期养护，避免或消除塑性裂缝，保证铺装的整体性，为防止施工缝处成为渗水通道，尽量整幅施工，保证两道伸缩缝之间没有纵向和横向接缝。水泥混凝土表面需要一定的粗糙度，应采用较粗糙的木抹进行最后工序的修整，以保证与沥青层的良好粘结。有条件时可增加凿除表面浮浆的工序，从京沪高速一期工程试用的情况看效果很好。3.2 选择适宜的防水层，并加强施工质量控制 防水层除了防水功能外，还有增加沥青层与水泥混凝土间的连接的作用。防水层的种类较多，