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1、耐久性水泥混凝土桥面铺装结构与材料研究东南大学桥面铺装课题组二 0一0年三月第一章概述41.1国内外研究现状及分析41.2研究意义及目的61.3主要研究内容及技术路线8第二章水泥混凝土桥面铺装病害调查及分析112.1 水泥混凝土桥面铺装病害类型112.2 病害成因分析142.2.1 桥面铺装层力学分析142.2.2 铺装层结构与材料设计152.2.3 铺装层施工152.2.4 铺装层养护162.2.5小结172.3 桥面铺装层病害控制指标17第三章桥面耐久性铺装与结构材料研究183.1桥面耐久性铺装研究背景193.2 桥面耐久性铺装的基本要求203.3 耐久性铺装材料优选与结构确定21第四章水
2、泥混凝土桥面耐久性铺装结构的力学分析234.1 考虑整桥结构变形的水泥混凝土桥面铺装受力分析234.2 水泥混凝土梁与铺装耦合作用的整桥结构模型244.3 铺装结构受力控制荷位264.3.1 整桥集中荷载作用下的最不利铺装段274.3.2 铺装结构受力控制荷位284.3.3 铺装结构力学响应294.4 小结30第五章环氧沥青性能研究315.1 国产环氧沥青的技术指标与要求315.2 国产环氧沥青拉伸试验335.3 国产环氧沥青粘度试验35第六章耐久性铺装下面层混合料试验研究396.1.2混合料技术指标与要求的确定416.2 路用性能试验研究426.2.1 固化马歇尔强度426.2.2 高温稳定
3、性能436.2.3 低温性能436.2.4 水稳定性能446.3 材料试验研究小结46第七章防水粘结层材料性能试验467.1 试验设计477.2 国产环氧沥青防水粘结材料性能研究487.2.1 国产环氧沥青防水粘结料强度增长规律487.2.2 不同防水材料性能研究497.2.3 模拟摊铺碾压温度下降对强度的影响517.3 试验研究结论51第八章铺装复合结构疲劳试验528.1 试验设备选择528.2 试件制作538.3 复合结构四点弯疲劳试验54第九章环氧沥青混凝土关键施工工艺研究569.1 环氧沥青容留时间研究569.1.1容留时间初步确定569.1.2 容留时间的验证试验579.1.2 容留
4、时间的验证试验589.1.3 容留时间的确定599.2 混合料出料温度范围的确定599.3 环氧沥青碾压规律研究619.3.1 施工中国产环氧沥青混合料温度变化规律619.3.2 碾压工艺的确定619.4 小结62第十章基于全寿命周期理论的经济性分析6210.1 全寿命周期成本理论6210.2 环氧沥青材料桥面铺装的优势6410.3 环氧沥青材料桥面铺装的经济性分析65第十一章铺装技术研究结论66参考文献67第一章概述1.1国内外研究现状及分析桥面铺装是指为了保证车辆安全舒适地通过桥面，在其上铺筑的防护面层，是桥梁结构的重要组成部分。其作用在于防止车轮直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水及其它有
5、害物质的侵蚀，并起到扩散荷载的作用。桥面铺装质量的好坏和耐久性将直接影响到汽车的行驶质量和桥梁结构的耐久性。水泥混凝土桥面铺装包括刚性铺装（即水泥混凝土铺装）、柔性铺装（沥青混凝土铺装）两大类。由于沥青混凝土铺装能大大缓和行车对桥面板的冲击，较易达到平稳舒适的要求，因此国内外绝大部分水泥混凝土桥均采用沥青混凝土柔性铺装。但由于沥青材料本身的缺陷，以及对桥面铺装体系认识的不足，目前国内外水泥混凝土桥面铺装大多会出现严重的早期病害2-3，其使用耐久性远远无法满足设计要求，进而大大降低了桥梁主体结构的使用耐久性，造成严重的经济损失。因此，如何提高桥面铺装的耐久性已成为目前该领域研究的热点与难点。国外
6、对水泥混凝土桥面铺装体系的研究起步较早，目前已形成典型的桥面铺装结构体系。可概括为防水粘结层+沥青混凝土面层。桥面防水体系的修筑是提高桥梁耐久性的重要保证，它与面层的设计与施工是有机的整体。欧美自 20世纪 60年代已开始大量采用桥面防水层。防水粘结材料主要包括热熔型防水粘结材料、溶剂型防水粘结材料和热固性防水粘结材料4。热熔型粘结材料由沥青掺加树脂（如松香）和各种聚合物（如EVA、PE、SBS）等组成，这类材料的共同特点是加热后软化，冷却时固化变硬。这种材料在常温下具有一定的变形能力，能够适应在交通荷载下由于局部变形而引起的拉应力的反复作用，也具有良好的防水封闭作用。其最大的缺点是在高温下容
7、易变软，粘结力下降。在剪切荷载作用下，桥面铺装容易在这一层产生推移。因此，要求粘结层材料在铺装高温范围以内较硬，具有足够的抗剪切能力。国内某大跨径钢箱梁桥使用这类粘结剂时提出的软化点指标太小（大于85），用量又偏多，通车后不久桥面即出现了横向推移的热稳定问题。在其后国内另一大跨径钢箱梁桥上，相应提高了软化点指标（大于100）并减少其用量。溶剂型粘结材料一般多指乳化沥青和可溶性的橡胶沥青，这类材料的共同特点也是加热后软化，冷却时固化变硬。乳化沥青粘结层在国内使用较多，如西陵长江大桥。可溶性沥青橡胶在日本使用较多，明石海峡大桥铺装粘结层采用的即是这种材料。国内某大跨径钢箱梁桥和香港青马大桥也都采用
8、了可溶性的橡胶沥青作为粘结底层。这种材料除同样具有高温软化的缺点外，其内部含有的热敏性物质在接触沥青铺装层摊铺时的高温时会释放出气体，从而使铺装层产生气泡。这种破坏现象在青马大桥和日本的一些桥梁铺装中都曾出现。目前解决方法是注射环氧聚硫橡胶粘结剂到每个气泡中，加热沥青混合料并压实。热固性粘结材料主要指环氧沥青。环氧沥青一般由A和B组分混合发生化学反应固化而成，其化学反应是不可逆的。A和B组分混合后，顺酐化沥青、固化剂、功能聚合物、乳化剂等与环氧树脂反应，反应产物间交织互联，固化物体系很快从二维平面结构转变为三维立体型结构并形成强度，其中，环氧树脂以层叠、互联的方式形成空间网状结构；沥青则以颗粒
9、状态较均匀地分散在环氧树脂内部，颗粒彼此间几乎无联系，离散地分布在环氧树脂网状结构中，形成不可逆的固化物。同前面两类材料相比，这种材料无论在粘结能力、变形能力，还是在热稳定性方面，都具有明显的优势。如环氧沥青粘结料的性能指标中对其耐高温性要求达到300以上，远高于国内某桥软化点大于100的要求。国外对水泥混凝土桥的桥面铺装层设计（包括铺装材料选择和厚度、结构组合设计）主要是基于材料性能试验之上的经验设计法。例如，对铺装层厚度的设计，各国根据本国的经验而采用不同的厚度值，日本主张采用6075mm，欧美一些国家则采用40mm左右；对沥青混凝土种类的选择各国也不相同，但均尽量采用优质的沥青混凝土来提
10、高桥面铺装的耐久性能。国内对水泥混凝土桥面铺装体系的研究较少，设计中主要沿用公路沥青路面的设计方法，没有形成一整套系统的桥面铺装的设计、施工方法。我国水泥混凝土桥面铺装分为设防水层与不设防水层两种形式。我国最早是在20世纪80年代初开始逐渐认识到钢筋腐蚀的严重性和桥面防水粘结的重要性，开始陆续在北京、天津等地的水泥混凝土桥面铺装工程中铺设柔性防水粘结层。目前常用的桥面防水粘结材料主要有乳化沥青、改性乳化沥青、涂料、SBS卷材、APP卷材等，随着国产环氧沥青材料的研发成功，该高性能防水粘结材料也开始得到应用推广5-6。我国水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装厚度一般为68cm，特殊情况下增至10cm；铺
11、装层采用双层结构，下面层采用34cm整平层，采用中粒式沥青混凝土；表面层的厚度和混合料类型与其相邻桥头引线的行车道上的沥青表面层的厚度、混合料级配类型相同，以便与桥头引线部分一起施工，减少接缝。在上、下面层之间洒布粘层沥青7。国内对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的研究还处于于尝试阶段，没有形成明确的研究思路，更谈不上形成统一的铺装结构体系设计方法。总之，防水层不仅要有良好的密水性，还要与水泥混凝土桥面板及沥青面层之间有足够的粘结力，这也是各国研制开发好的防水层所努力的方向。同时，出现的新材料和新结构型式也在逐渐应用于水泥混凝土桥面铺装，以改善铺装体系的性能。1.2研究意义及目的水泥混凝土桥面铺装
12、对桥梁使用功能的发挥起着重要作用，桥面铺装的破坏不但会影响交通运输，同时会造成巨大的经济损失。桥面铺装已经成为水泥混凝土桥梁建设工程中的工程人员关注的重点环节。但是相对于普通沥青路面，桥面铺装受力复杂，影响因素诸多，主要体现在以下几个方面：（1） 需要进一步深入分析桥面铺装损害机理。目前有关桥面铺装的损害基本上是套用沥青路面的病害分类和评价方法，对于铺装病害多是简单地归因于严苛的工作环境和条件等外因，对病害产生的内因（材料和结构）及其与外因的关系未进行深入研究，而这样的结论对解决问题没有实质意义。所以，需要通过调查和研究，分析各类病害产生过程和机理，探讨各类病害与铺装体系（桥面防水、层间粘结、
13、沥青铺装）的关系，为建立桥面铺装体系的设计模型和技术要求提供理论基础。（2）需要结合桥面铺装结构特点，研究验证桥面铺装结构设计理论和方法。在实际桥梁工程设计中，桥面铺装只是作为桥梁结构的附属结构，一般不作专门的计算分析，现行规范只是对桥面铺装的做法、材料、厚度做了指导性说明。在桥面铺装设计方面，还没有获得世界公认的结构设计组合形式、结构厚度、材料种类及设计指标、验算方法及指标等，还没有形成系统的设计理论依据。为了更科学合理地设计桥面铺装，需要结合桥面铺装力学特性分析，研究桥面铺装结构设计理论和方法。（3） 需要更深入进行桥面粘结和防水层研究。目前国内己明确沥青桥面铺装必须由防水粘结层和沥青铺装
14、层组成，但对桥面防水粘结的研究和试验才刚刚起步。交通部刚刚颁布实施的路桥用水性沥青基防水涂料行业标准，还有很多不完善之处，在桥面防水粘结材料选择上存在盲目性。近几年，市场上出现了种类繁多的桥面防水材料，面对种类繁多、良莠不齐的新产品和新材料，以及铺天盖地的产品广告宣传，给工程技术人员的材料选择和设计带来很大的困惑。而研究证明，环氧沥青在桥面防水和层间粘结方面，具有很大的优势。需要进一步进行各种防水和粘结材料的比较和评价，并重点对环氧沥青粘结与防水材料的技术标准开展研究。（4） 需要结合水泥混凝土桥面铺装的工作条件，研究与开发性能优良且耐久的铺装材料。由于沥青混凝土桥面具有良好的行驶性能，适合应
15、用于大跨径桥梁，世界各国的桥面铺装多采用沥青混凝土体系，各国的研究者结合本国的国情，对铺装层混合料的性能和结构形式分别作出了特殊的规定，目前常用的桥面铺装层材料主要有四类：普通改性沥青混凝土、浇注式沥青混凝土、改性沥青SMA、环氧沥青混凝土。在这几种沥青铺装层中，环氧沥青混凝土具有明显的性能优势，环氧沥青铺装在美国、加拿大、荷兰和澳大利亚等国家得到大量应用，国内的一些桥面铺装也多是采用进口的环氧沥青，价格高，随着我国桥梁工程建设的不断发展，自主开发环氧沥青技术和环氧沥青混凝土铺装具有重要的社会和经济意义。（5）我国对桥面防水层和铺装的应用研究起步较晚，目前还没有完善的施工技术规范和质量检测标准，各地做法不尽相同，一般都是根据经验进行施工操作，施工质量不稳定，从某种程度上讲，这也是造成局部损害的重要原因。特别是环氧沥青，施工和质量控制难度较大，对温度和施工时间控制要求很高，需要深入分析环氧沥青技术特点，研究施工工艺，进一步细化施工与质量控制措施，促进其推广和应用。尽管国内外许多国家都投入大量的精力进行桥面铺装的研究，但是往往沿用了普通道路路面的研究经验和成果，侧重于材料研究以改善桥面铺
