[文章]：混凝土桥桥面系构造缺陷与防水系统

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混凝土桥桥面系构造缺陷与防水系统
刘真岩 赵可 王荣石 王键
（天津市公路局）


【摘要】本文论述了桥面水对混凝土桥梁的危害，论证了设置桥面防水系统的重要性，进而论述了桥面系构造必须注意的要点，并介绍部分桥梁防水实用技术及施工方法。
关键词 桥面系 混凝土 构造 碱一骨料反应 盐腐蚀 冻融 防水系统 改性 沥青


一、桥梁防水系统缺陷引起的病害
建造公路和城市道路，尤其是高速公路和城市快速道路，动辄几亿、十几亿元的投资，其中桥梁占总造价的10％～30％左右，要求设计使用年限比较长，至少要满足50年以上，有些长达100年以上。因此桥梁的安全性和耐久性是非常重要的。
天津市的桥梁，防水问题一直没有得到足够的重视，很多人过去有一个错误的观点，认为混凝土本身不怕水，钢筋混凝土结构的桥梁无须作防水，因此，对桥面系的构造设计不太讲究，甚至很粗糙。恰恰就因为桥面系构造的设计缺陷及没有完善的防水系统，引起了很多病害，再由于交通量的增长和超载交通的影响，使桥梁过早地遭到破坏，成为危桥。
自1995年以来，天津市每年都发生桥面忽然塌陷，甚至出现空洞的严重病害，由于巡查及时，才没有发生重大事故，但是也造成了很大的损失。津国公路菜园桥，由于渗水致使桥梁混凝土腐蚀酥松、脱落，钢筋与混凝土高骨，造成该桥报废重建。宝卢公路上水渠桥，北围堤路马场减河桥等，都发现板梁底部混凝土大面积脱落，钢筋裸露。外环线张贵庄铁路高架桥、津榆公路一号桥，由于桥面积水、渗水，致使T梁翼板混凝土酥松，在车轮作用了突然出现了2m2以上的空洞，经检查所有边梁翼板都有同样病害。同时边梁腹板外侧也都有明显的混凝土腐蚀膨胀，钢筋锈蚀的现象。以上病害的发生，除了超载因素外，桥面系构造的不合理和没有桥面防水层是主要原因，另一方面桥面水泥混凝土铺装太薄和镇缝处的混凝土的质量不高，很容易遭到水的损害。首先在铰缝处形成裂缝，造成单梁受力，水由铺装层向下渗漏，从铰缝流到梁板，对混凝土产生腐蚀，削弱了梁板的承载能力，最后造成桥梁的破坏。
过去采用的伸缩缝形式基本上都是漏水的，由伸缩缝处渗漏下的水往往流到梁端，再流到帽梁，对梁端和帽梁顶部混凝土产生严重的腐蚀，这一现象几乎在每一座桥上都可以见到，八里台立交桥、解放南路立交等就是最明显的例证。京福公路东州大桥在1999年6月27日北起第十墩T型帽梁翼板南侧西部突然断裂，主要原因就是水从伸缩缝处流到帽梁上，腐蚀了上部混凝土和钢筋造成的。
从对公路桥梁病害调查结果来看，桥面的损坏占的比例最大，其次是边梁外侧。梁端和帽梁。下部结构则墩台水位浮动处损害最多。
由于边梁处栏杆和人行道设计没有考虑到雨水的影响，致使含有桥面污物的雨水乱流，先是污染边梁，影响美观，继而腐蚀混凝土，仔细观察，到处可见这样的痕迹。边梁外侧首先遭到破坏就是桥面雨水腐蚀造成的。附图为水腐蚀对混凝土梁造成的破坏情况。
雨水孔的设计往往考虑欠佳，由于没有重视雨水孔的安装形式和质量，致使收水口周围和孔下梁板混凝土受到严重的腐蚀。
桥梁墩柱等下部结构由于受到水的侵害，也必然产生损害，在水位上下浮动的部位更是严重。京津塘高速公路龙风新河桥在1997年就发现了墩柱被严重腐蚀的病害，混凝土被腐蚀厚度达10cm以上，如不及时修复，后果不堪设想。
引起桥梁破坏的原因很多，如荷载、材料质量、施工质量、突发事件等等，但桥面防水系统没有达到使用要求，以至造成桥梁的破坏，是极其重要的原因之一，其后果将是灾难性的。


二、桥梁防水系统缺陷对桥梁损害的机理分析
一般来说，水泥混凝土材料是耐水材料，在潮湿环境或水中能保持强度和稳定性，潮湿条件也是水泥混凝土材料早期强度形成和发展不可缺少的条件。但是长期处于潮湿条件下，尤其在于湿交替循环状态下，混凝土的耐久性问题是不容乐观的。很多桥梁墩台，在水位浮动的部位首先被破坏就是证明。京津塘高速公路龙风新河桥墩柱的被腐蚀就是典型的例证。空气中的水和雨水是一种成分很复杂的液体，再混入桥面的污物，常含有溶解的气体、矿物质和有机质等，常见的有酸性物质、氧离了、氯离子、氮、碳酸气、硫化氢及其他酸性离子，以及碱金属和碱土金属离子，这些酸、碱物质超过一定限度时，会侵蚀、损害桥梁的混凝土和金属材料。
水泥混凝土在塑性期或硬化初期会因为水分蒸发造成塑性开裂。一般而言，桥面混凝土厚度小，和空气的接触面积大，产生塑性开裂的几率也大。加强桥面混凝土施工中的质量管理和早期养护可以减少开裂，但难以完全消除。在以后的使用过程中，早期产生的裂缝会随着车辆反复荷载的冲击下逐渐扩展。如果没有完善的防水系统，带有腐蚀性物质的水就会渗入到混凝土中和从裂缝中流入到混凝土中去。产生碱一骨料反应以及酸碱性物质对混凝土进行腐蚀的反应。
混凝土碱一骨料反应是指来自水泥沙卜口剂和环境中的碱金属离子与砂石等紧料中的活性组分发生化学反应，在水泥砂浆与石子的界面处生成白色凝胶物质，这种物质在潮湿环境中吸水膨胀，从而造成混凝土结构从内部开始的涨裂，甚至破坏。这种病害称为混凝土的"癌症"。碱一骨料反应少则几年，多则十几年就可以使混凝土结构丧失安全性。这种破坏具有不断发展和不可修复性。具体表现为混凝土表面龟裂、突出、酥松，然后剥离。碱-骨料反应的发生和对混凝土的破坏需要三个条件：混凝土中的高碱性、碎石中的富含碱活性成分以及水。以前所用的水泥及外加剂均为高碱性，天津地区砂石资源含有不同程度的碱活性成分，桥梁又没有完善的防水系统，完全具备了碱一骨料反应的必要条件，所以很多桥梁都发生这种现象。
天津地区处在沿海地带，空气中和雨水中都含有一定的氯盐成分，尤其在近海地区浓度更大。又因为在冬季为消除桥面的冰冻和积雪而广泛地应用喷洒盐水的方法，盐水通过不防水的伸缩缝流向墩台，通过不防水的桥面系渗入到混凝土的缝隙里，不光引起碱-骨料反应，而且引起盐腐蚀，加速了反应。
天津为寒冷地区，有较长的冰冻期，渗入到混凝土中的水结冰、融化，反复进行，对混凝土的裂缝不断扩大，对结构进行漫性破坏作用。冰融的结果，加剧了碱-骨料反应和盐腐蚀的破坏作用。
碱-骨料反应，盐腐蚀、冻融作用是混凝土结构的三大主要破坏因素，都是因为水进入混凝土结构里面引起的。
预制梁桥的饺缝处是受力复杂、混凝土最薄弱的部位，最容易受到侵蚀，尤其近年来，超重交通的形成，过载车辆的增多，过早地造成铰缝部位的裂缝，桥面雨水通过裂缝进一步腐蚀混凝土和钢筋，形成单梁受力，降低承载能力直至破坏。
对于碱-骨料反应，盐的腐蚀、冰融作用应以防止和抑制为主。减少混凝土中的碱含量是解决的办法之一，使用低碱水泥、低碱外加剂，可以减缓，但解决不了全部问题。无论碱-骨料反应、盐腐蚀，还是冻融作用，只要是没有水，就可以减缓或避免，所以必须设置完善的防水系统，将混凝土与水隔离开来，使其不具备发生反应的条件，就将达到延长桥梁使用寿命的要求。


三、桥梁防水系统的设计
桥梁防水系统的设计，就是设法将水与混凝土隔离，使水不能进入混凝土本体，尤其不能进入裂缝中去。系统包括以下几方面。
1．混凝土本身的自防水
混凝土经常接触水的部位都要设计为防水混凝土，保证本身的密实性和防腐蚀的性能。尤其是桥面和下部结构水位浮动的部位。在混凝土中加入粉煤灰或超细粉等可以减少水泥带入的碱量，加太钢纤维深丙烯纤维可以对膨胀、开裂起到阻裂作用，并具有很好的抗渗能力，达到自防水的基本要求。桥面水泥混凝土的平均厚度不能小于10cm，最薄处厚度不能小于8cm，而且混凝土本身的配比设计以及浇筑质量是最重要的。桥面钢筋网钢筋直径不宜小于10mm，间距不能大于150mm。很多桥梁不到十年甚至两三年就破坏，设计桥面铺装的不尽合理和施工质量存在缺陷是主要原因之一。
2．桥面防水涂层
无论桥面混凝土施工质量如何好，均不能完全保证不开裂。所以桥面水泥混凝土铺装层上面必须设置防水层。防水层不但本身要起到防水作用，而且要求其与水泥混凝土和沥青混凝土都有很好的亲和性，附着力好。下面能牢固地与水泥混凝土表面粘结，上面与沥青混和料牢固地粘结。否则就成为一个层问抗剪力很低的夹层，将导致桥面沥青混凝土出现拥包、滑移，直至松散、破坏。
3．伸缩缝的防水
天津市采用了很多种桥梁伸缩缝，只有在叨年代初采用的毛勒伸缩缝不漏水，近几年改进后的仿毛勒伸缩缝也基本不漏水，其他均漏水。所以以前修建的桥，伸缩缓下面的梁端和帽梁受水损害最严重。由于伸缩缝的形式及安装质量问题，造成该部位最容易损坏。除了毛勒缝、仿毛勒缝之外，对伸缩量小于5cm的小变位伸缩缝，采用聚合物改性沥青弹塑体填充式伸缩缝，也能成功地解决伸缩缝漏水的难题。
4．桥面雨水孔与水落管
桥面雨水孔与水落管的设置应该像屋面一样的严格，但是无论设计还是施工，都容易忽略。常见的问题主要表现在下面几点：收水口小，不能及时将水泄走；收水口标高高于周围标高，造成积水；收水口高出水泥混凝土表面，而且周围混凝土不密实，造成管周围漏水；出水管过短，发生尿檐现象。从而导致收水口周围以及边梁外侧混凝土的破坏。
5．栏杆外测与人行道的构造
栏杆外侧应设计为光滑的表面，底面设有止水槽，雨水能很快地顺外侧流向地面，而不应再流向边梁。设有人行道的桥梁，人行道的防水也不能忽视，防止雨水渗流到主梁。但有些设计忽略了这一点，雨水从人行道缝隙渗漏，沿外侧漫流，从而造成边梁翼板及外侧的污染和腐蚀，所以边梁外侧首先破坏。
6．梁端和帽梁的防水
由于伸缩缝很难保证完全不漏水，而伸缩缝的漏水对梁端和帽梁的损害又非常严重，所以，对梁端和帽梁顶部也要进行防水处理。


四、桥面铺装防水的主要方注
目前国内尚缺乏系列化的专用桥面防水材料，更没有严格规定评定桥面防水材料性能的技术标准和方法。因此，优选、确定防水材料显得尤其重要。天津地区市政、公路工程中的桥梁也一直没有定型。一是价格太高，二是与沥青混和料的亲和性太差。直到1998年初金刚桥和宁车沽等桥面损坏才引起重视，重新研究引用经济实用的防水材料，在唐津高速和疏港公路等桥上应用。
1．天津使用过的几种防水材料的性能：
（1）聚氨酯弹性防水涂料。以聚氨脂为主体配合其他材料，有甲、乙两种组合而成，固化后形成富有弹性的橡胶状防水层。其优点：耐高温、本身防水性能好，耐老化性能好；缺点：对基层干燥度要求高、与沥青混和料的亲和性差，易出现层间分离，使沥青铺装脱落，而且造价高。无论从效果方面还是成本方面都不可取。
（2）环氧胶乳防水涂料。为环氧树脂乳液和氯丁胶乳的混和体。优点：与水泥混凝土的亲和性好，有延展性，造价适中。缺点：与沥青混和料的亲和性差，易出现沥青混凝土的拥包、脱落。因为其半透明老L白色，可以用作边梁外侧的涂层以及下部结构的防水涂层。
（3）阳离子氯丁胶乳沥青防水涂料。主要成分为氯丁胶乳、石油沥青和水以及配套材料。对基层的干燥度要求低，能适应气温较低季节施工，雨季施工必须在施工后10h之内无雨，否则应补涂。目前这种材料耐高温性能稍差，对水泥混凝土面层的附着力不够稳定，而且完全人工操作，占用工期时间较长。
（4）聚合物沥青桥面防水涂料。该产品以复合离子型乳化沥青、橡胶、树脂改性剂为主要原料构成的单组分水乳型防水涂料。其特点：与水泥混凝土及沥青混合料表面粘结均非常牢固，耐高低温，160℃高温不流淌，不起泡、不滑动，－20℃不开裂，在热沥青混合料摊铺后，可以软化与其粘结，粘结强度高，耐久性能好，冷施工、使?quot;高速喷雾机"机械喷涂、操作安全简便、施工速度快，成膜时间快，lh可以表干，12h后可以进行铺筑沥青混凝土，最能适应快速施工，价格比其他品种部便宜。
（5）PC橡胶防水卷材防水层。该产品可以做成lmm以下薄膜，用本身液体涂料粘结到基面上。具有较好的粘结强度，即可以自粘又能与混凝土表面进行粘结，还能与沥青混合科牢固地粘结。其低温性能尤其好，在一40℃温度下1h绕φ10mm金属丝对折无裂纹。施工速度快，lh以后即可放行。目前此种材料还没有大量地使用，积累资料不多。
其他还有很多种防水涂料，目前应用不多，不再赘述。
2．防水涂料的施工要点
（l）涂料对水泥混凝土铺装要求必须达到强度指标，牢固。密实，任何防水材料都必须涂在合格的基层上，表面必须平整、粗糙，不能有钢筋等尖锐突出物，并且无垃圾、元浮灰、无松散、无浆皮、无污染，乳液类型的涂料，可以用水冲洗后施工，表面基本干燥、无积水就可，湿度大的部位可用强力吹风机或空气压缩机吹于。
（2）防水涂料本身的性能是关键，必须保证在沥青混和料和水泥混凝土之间起到牢固的粘结作用，材料本身必须满足在160℃高温下不流淌的要求。所以必须选择优质的防水材
料。
（3）乳液性质的防水涂料，高温天气应避开中午施工，以避免形成气泡，一旦形成气泡，立即进行处理，赶平后不影响粘结力。
（4）收水口部位及阴阳角处应作特殊处理。
（5）在防水层没完全干透之前，禁止行火车辆通行。在摊铺沥青混和料时，应及时检查被损坏的部位并立即修补。
3．桥面防水涂层的质量要求及控制
涂料的基本要求是"牢、薄、透、匀"。防水层不但本身能防水，还要有延展性，当基面产生微小裂缝后防水层不被拉裂，而且必须与上下基面牢固地粘结，在车辆荷载作用下不产生滑移现象。所以必须非常均匀地施作一薄层，总厚不宜超过lmm。
（1）对防水材料必须进行检验。每一批量都应抽检，重点抽检其耐热性以及粘和性，必须满足160℃不流淌的条件。还应进行外观检验，发现异常立即停止使用。
（2）对基面应进行严格地检查验收，不允许有任何不合格的地方。
（3）施作时应及时检查有无空鼓汽泡、脱落、翘边等现象，以便及时处理。
（4）在摊铺沥青混和料时，应随时检查有无损坏的地方，及时进行修补。
（5）沥青混凝土施工完成冷却后，可作行走刹车实验，桥面铺装层应无脱粘起翘现象。
（6）重点检查伸缩缝、收水口部位的质量。


五、伸缩缝部位的防水
桥梁防水的另一个重要部位是桥梁伸缩缝，必须达到牢固、延年、防水的要求。梁端的破坏，帽梁的破坏，主要原因就是伸缩缝漏水造成的，所以必须把伸缩缝的防水设计和安装质量当作非常重要的问题对待。
为了处理好桥梁的伸缩缝，世界各国的专家们煞费苦心地在研究各种伸缩装置，尽管伸缩缝装置在桥梁总造价中占很少一部分，但损坏以后造成的后果是严重的。天津市的桥梁伸缩缝也是经过很多专家不断研究改进，大至有以下几种：软质木板浸沥青配以沥青马蹄脂伸缩缝，钢板伸缩缝，梳型钢板伸缩缝，橡胶条伸缩缝，橡胶板伸缩缝，进口毛勒伸缩缝，国产仿毛肋伸缩缝等。从调查情况看来，只有进口毛勒伸缩缝，经过近十年的使用没有明显损坏，能达到防水作用，近几年改进以后的仿毛勒伸缩缝质量也基本达到了这一要求以外，其他种类都不理想：一是不延年，两三年后，安装质量不好的当年就发生问题；二是不防水，不但造成桥面铺装的损坏，而且造成梁端和帽梁的损坏。
仿毛勒伸缩缝主要是由异型钢梁、位移控制系统、橡胶止水带组成。其特点是受力安全，位移均匀，伸缩自由，行车平稳，防水性能好。但造价较高，维修施工工艺较为复杂，养护时间长。该装置关键是安装质量，与主体结构的铆固必须牢固，锚固混凝土的质量要高，橡胶止水带的本身质量和镶嵌质量都必须保证。
目前引进推广的弹塑体系无缝式伸缩缝对伸缩量小于scm的缝使用效果很好，造价低廉，仅是仿毛勒缝的一半左右，行车舒适，又能很好地解决防水问题。尤其是在旧桥改造时，对缝的更换非常方便，可以在不完全断交的情况下，5小时左右即可完成。弹塑体伸缩装置是通过弹塑体混合材料自身特殊的力学性能来适应桥梁伸缩变形。在承受瞬时荷载和高频震动时显示弹性，在低频缓力的作用下显示塑性。弹塑体材料是以聚合物改性沥青为主的混合材料。关键是采用优质的弹塑体材料，材料本身的配方是保证质量的关键，再就是采用的工艺质量水平。
弹塑体材料本身的耐老化性能大大高于普通沥青混凝土，当桥面沥青铺装层进行维修的时候作一下修整就可以了。天津市采用的新加坡弹塑体材料最早的已经四年，没有任何老化的迹象。
简支梁的连续板伸缩缝从设计到施工都存在着一些问题，因此在此处很快就出现病害，损坏和漏水，应该彻底改变做法。


六、结论及建设
（1）桥梁必须设置完善的防水系统。首先是混凝土本身的自防水，保证本身的密实性和防腐蚀性能。桥面混凝土铺装层的质量是至关重要的，平均厚度不能小于10cm，最薄处不能小于8cm，为了减少混凝土的开裂，直在其中加太钢纤维或聚丙烯纤维，而且对混凝土的配合比设计和浇筑质量要严加控制。钢筋网钢筋直径不宜小于10mm，间距不能大于150m。目前，天津已经生产φ10以下冷轧带肋钢及焊接钢网，更适合用作桥面钢筋网。
（2）在保证桥面混凝土质量的基础上，还必须设置防水层，防止水的渗透，伸缩缝必须设计选择防水型的，帽梁顶部，边梁外侧，以及下部结构水位浮动部位都应该考虑防水问题，防止水从任何地方对混凝土侵害。只有这样，形成完善的防水系统，才能保证桥梁的使用寿命。
（3）桥面防水涂料的关键是与水泥混凝土及沥青混和料都有很好的亲和性，能牢固地粘结在一起，并且能够在沥青混和料的高温下，只软化，不流淌。目前高性能的聚合物改性沥青防水涂料可以满足这一要求，可以广泛采用。
（4）毛勒、仿毛勒伸缩缝是目前比较理想的伸缩缝，5cm以下小伸缩量，配合着弹塑性伸缩装置的使用可以解决防水和延年的问题。
（5）梁端和帽梁顶部建议用普通的防水涂料进行处理，防止伸缩缝失效时漏水腐蚀混凝土。
（6）下部结构在水位浮动部位处，除了要作防腐蚀混凝土外，也要涂防水涂料。
（7）边梁的栏杆、地伏混凝土的外侧应包住翼板并设计滴水槽，防止雨水沿边梁漫流。
（8）雨水收水口必须低于水泥混凝土铺装的高程，出水管应保证不尿檐。


参考文献
［l］傅裕寿．桥面铺装防水系统．北京公路． 1998年 2期
［3］上海市企业标准．YN聚合物沥青桥面防水涂料