混凝土橋橋面系構(gòu)造缺陷與防水系統(tǒng)
2011-05-24 來源：建設(shè)工程教育網(wǎng)
一、橋梁防水系統(tǒng)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，動輒幾億、十幾億元的投資，其中橋梁占總造價的10％～30％左右，要求設(shè)計使用年限比較長，至少要滿足50年以上，有些長達100年以上。因此橋梁的安全性和耐久性是非常重要的。
天津市的橋梁，防水問題一直沒有得到足夠的重視，很多人過去有一個錯誤的觀點，認為混凝土本身不怕水，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁無須作防水，因此，對橋面系的構(gòu)造設(shè)計不太講究，甚至很粗糙。恰恰就因為橋面系構(gòu)造的設(shè)計缺陷及沒有完善的防水系統(tǒng)，引起了很多病害，再由于交通量的增長和超載交通的影響，使橋梁過早地遭到破壞，成為危橋。
自1995年以來，天津市每年都發(fā)生橋面忽然塌陷，甚至出現(xiàn)空洞的嚴(yán)重病害，由于巡查及時，才沒有發(fā)生重大事故，但是也造成了很大的損失。津國公路菜園橋，由于滲水致使橋梁混凝土腐蝕酥松、脫落，鋼筋與混凝土高骨，造成該橋報廢重建。寶盧公路上水渠橋，北圍堤路馬場減河橋等，都發(fā)現(xiàn)板梁底部混凝土大面積脫落，鋼筋裸露。外環(huán)線張貴莊鐵路高架橋、津榆公路一號橋，由于橋面積水、滲水，致使T梁翼板混凝土酥松，在車輪作用了突然出現(xiàn)了2m2以上的空洞，經(jīng)檢查所有邊梁翼板都有同樣病害。同時邊梁腹板外側(cè)也都有明顯的混凝土腐蝕膨脹，鋼筋銹蝕的現(xiàn)象。以上病害的發(fā)生，除了超載因素外，橋面系構(gòu)造的不合理和沒有橋面防水層是主要原因，另一方面橋面水泥混凝土鋪裝太薄和鎮(zhèn)縫處的混凝土的質(zhì)量不高，很容易遭到水的損害。首先在鉸縫處形成裂縫，造成單梁受力，水由鋪裝層向下滲漏，從鉸縫流到梁板，對混凝土產(chǎn)生腐蝕，削弱了梁板的承載能力，最后造成橋梁的破壞。
過去采用的伸縮縫形式基本上都是漏水的，由伸縮縫處滲漏下的水往往流到梁端，再流到帽梁，對梁端和帽梁頂部混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，這一現(xiàn)象幾乎在每一座橋上都可以見到，八里臺立交橋、解放南路立交等就是最明顯的例證。京福公路東州大橋在1999年6月27日北起第十墩T型帽梁翼板南側(cè)西部突然斷裂，主要原因就是水從伸縮縫處流到帽梁上，腐蝕了上部混凝土和鋼筋造成的。
從對公路橋梁病害調(diào)查結(jié)果來看，橋面的損壞占的比例最大，其次是邊梁外側(cè)。梁端和帽梁。下部結(jié)構(gòu)則墩臺水位浮動處損害最多。
由于邊梁處欄桿和人行道設(shè)計沒有考慮到雨水的影響，致使含有橋面污物的雨水亂流，先是污染邊梁，影響美觀，繼而腐蝕混凝土，仔細觀察，到處可見這樣的痕跡。邊梁外側(cè)首先遭到破壞就是橋面雨水腐蝕造成的。附圖為水腐蝕對混凝土梁造成的破壞情況。
雨水孔的設(shè)計往往考慮欠佳，由于沒有重視雨水孔的安裝形式和質(zhì)量，致使收水口周圍和孔下梁板混凝土受到嚴(yán)重的腐蝕。
橋梁墩柱等下部結(jié)構(gòu)由于受到水的侵害，也必然產(chǎn)生損害，在水位上下浮動的部位更是嚴(yán)重。京津塘高速公路龍風(fēng)新河橋在1997年就發(fā)現(xiàn)了墩柱被嚴(yán)重腐蝕的病害，混凝土被腐蝕厚度達10cm以上，如不及時修復(fù)，后果不堪設(shè)想。
引起橋梁破壞的原因很多，如荷載、材料質(zhì)量、施工質(zhì)量、突發(fā)事件等等，但橋面防水系統(tǒng)沒有達到使用要求，以至造成橋梁的破壞，是極其重要的原因之一，其后果將是災(zāi)難性的。
二、橋梁防水系統(tǒng)缺陷對橋梁損害的機理分析
一般來說，水泥混凝土材料是耐水材料，在潮濕環(huán)境或水中能保持強度和穩(wěn)定性，潮濕條件也是水泥混凝土材料早期強度形成和發(fā)展不可缺少的條件。但是長期處于潮濕條件下，尤其在于濕交替循環(huán)狀態(tài)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就是證明。京津塘高速公路龍風(fēng)新河橋墩柱的被腐蝕就是典型的例證。空氣中的水和雨水是一種成分很復(fù)雜的液體，再混入橋面的污物，常含有溶解的氣體、礦物質(zhì)和有機質(zhì)等，常見的有酸性物質(zhì)、氧離了、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(zhì)超過一定限度時，會侵蝕、損害橋梁的混凝土和金屬材料。
水泥混凝土在塑性期或硬化初期會因為水分蒸發(fā)造成塑性開裂。一般而言，橋面混凝土厚度小，和空氣的接觸面積大，產(chǎn)生塑性開裂的幾率也大。加強橋面混凝土施工中的質(zhì)量管理和早期養(yǎng)護可以減少開裂，但難以完全消除。在以后的使用過程中，早期產(chǎn)生的裂縫會隨著車輛反復(fù)荷載的沖擊下逐漸擴展。如果沒有完善的防水系統(tǒng)，帶有腐蝕性物質(zhì)的水就會滲入到混凝土中和從裂縫中流入到混凝土中去。產(chǎn)生堿一骨料反應(yīng)以及酸堿性物質(zhì)對混凝土進行腐蝕的反應(yīng)。
混凝土堿一骨料反應(yīng)是指來自水泥沙卜口劑和環(huán)境中的堿金屬離子與砂石等緊料中的活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在水泥砂漿與石子的界面處生成白色凝膠物質(zhì)，這種物質(zhì)在潮濕環(huán)境中吸水膨脹，從而造成混凝土結(jié)構(gòu)從內(nèi)部開始的漲裂，甚至破壞。這種病害稱為混凝土的”癌癥”。堿一骨料反應(yīng)少則幾年，多則十幾年就可以使混凝土結(jié)構(gòu)喪失安全性。這種破壞具有不斷發(fā)展和不可修復(fù)性。具體表現(xiàn)為混凝土表面龜裂、突出、酥松，然后剝離。堿-骨料反應(yīng)的發(fā)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。以前所用的水泥及外加劑均為高堿性，天津地區(qū)砂石資源含有不同程度的堿活性成分，橋梁又沒有完善的防水系統(tǒng)，完全具備了堿一骨料反應(yīng)的必要條件，所以很多橋梁都發(fā)生這種現(xiàn)象。
天津地區(qū)處在沿海地帶，空氣中和雨水中都含有一定的氯鹽成分，尤其在近海地區(qū)濃度更大。又因為在冬季為消除橋面的冰凍和積雪而廣泛地應(yīng)用噴灑鹽水的方法，鹽水通過不防水的伸縮縫流向墩臺，通過不防水的橋面系滲入到混凝土的縫隙里，不光引起堿-骨料反應(yīng)，而且引起鹽腐蝕，加速了反應(yīng)。
天津為寒冷地區(qū)，有較長的冰凍期，滲入到混凝土中的水結(jié)冰、融化，反復(fù)進行，對混凝土的裂縫不斷擴大，對結(jié)構(gòu)進行漫性破壞作用。冰融的結(jié)果，加劇了堿-骨料反應(yīng)和鹽腐蝕的破壞作用。
堿-骨料反應(yīng)，鹽腐蝕、凍融作用是混凝土結(jié)構(gòu)的三大主要破壞因素，都是因為水進入混凝土結(jié)構(gòu)里面引起的。
預(yù)制梁橋的餃縫處是受力復(fù)雜、混凝土最薄弱的部位，最容易受到侵蝕，尤其近年來，超重交通的形成，過載車輛的增多，過早地造成鉸縫部位的裂縫，橋面雨水通過裂縫進一步腐蝕混凝土和鋼筋，形成單梁受力，降低承載能力直至破壞。
對于堿-骨料反應(yīng)，鹽的腐蝕、冰融作用應(yīng)以防止和抑制為主。減少混凝土中的堿含量是解決的辦法之一，使用低堿水泥、低堿外加劑，可以減緩，但解決不了全部問題。無論堿-骨料反應(yīng)、鹽腐蝕，還是凍融作用，只要是沒有水，就可以減緩或避免，所以必須設(shè)置完善的防水系統(tǒng)，將混凝土與水隔離開來，使其不具備發(fā)生反應(yīng)的條件，就將達到延長橋梁使用壽命的要求。
三、橋梁防水系統(tǒng)的設(shè)計
橋梁防水系統(tǒng)的設(shè)計，就是設(shè)法將水與混凝土隔離，使水不能進入混凝土本體，尤其不能進入裂縫中去。系統(tǒng)包括以下幾方面。
1．混凝土本身的自防水
混凝土經(jīng)常接觸水的部位都要設(shè)計為防水混凝土，保證本身的密實性和防腐蝕的性能。尤其是橋面和下部結(jié)構(gòu)水位浮動的部位。在混凝土中加入粉煤灰或超細粉等可以減少水泥帶入的堿量，加太鋼纖維深丙烯纖維可以對膨脹、開裂起到阻裂作用，并具有很好的抗?jié)B能力，達到自防水的基本要求。橋面水泥混凝土的平均厚度不能小于10cm，最薄處厚度不能小于8cm，而且混凝土本身的配比設(shè)計以及澆筑質(zhì)量是最重要的。橋面鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑不宜小于10mm，間距不能大于150mm。很多橋梁不到十年甚至兩三年就破壞，設(shè)計橋面鋪裝的不盡合理和施工質(zhì)量存在缺陷是主要原因之一。
2．橋面防水涂層
無論橋面混凝土施工質(zhì)量如何好，均不能完全保證不開裂。所以橋面水泥混凝土鋪裝層上面必須設(shè)置防水層。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，附著力好。下面能牢固地與水泥混凝土表面粘結(jié)，上面與瀝青混和料牢固地粘結(jié)。否則就成為一個層問抗剪力很低的夾層，將導(dǎo)致橋面瀝青混凝土出現(xiàn)擁包、滑移，直至松散、破壞。
3．伸縮縫的防水
天津市采用了很多種橋梁伸縮縫，只有在叨年代初采用的毛勒伸縮縫不漏水，近幾年改進后的仿毛勒伸縮縫也基本不漏水，其他均漏水。所以以前修建的橋，伸縮緩下面的梁端和帽梁受水損害最嚴(yán)重。由于伸縮縫的形式及安裝質(zhì)量問題，造成該部位最容易損壞。除了毛勒縫、仿毛勒縫之外，對伸縮量小于5cm的小變位伸縮縫，采用聚合物改性瀝青彈塑體填充式伸縮縫，也能成功地解決伸縮縫漏水的難題。
4．橋面雨水孔與水落管
橋面雨水孔與水落管的設(shè)置應(yīng)該像屋面一樣的嚴(yán)格，但是無論設(shè)計還是施工，都容易忽略。常見的問題主要表現(xiàn)在下面幾點：收水口小，不能及時將水泄走；收水口標(biāo)高高于周圍標(biāo)高，造成積水；收水口高出水泥混凝土表面，而且周圍混凝土不密實，造成管周圍漏水；出水管過短，發(fā)生尿檐現(xiàn)象。從而導(dǎo)致收水口周圍以及邊梁外側(cè)混凝土的破壞。
5．欄桿外測與人行道的構(gòu)造
欄桿外側(cè)應(yīng)設(shè)計為光滑的表面，底面設(shè)有止水槽，雨水能很快地順外側(cè)流向地面，而不應(yīng)再流向邊梁。設(shè)有人行道的橋梁，人行道的防水也不能忽視，防止雨水滲流到主梁。但有些設(shè)計忽略了這一點，雨水從人行道縫隙滲漏，沿外側(cè)漫流，從而造成邊梁翼板及外側(cè)的污染和腐蝕，所以邊梁外側(cè)首先破壞。
6．梁端和帽梁的防水
由于伸縮縫很難保證完全不漏水，而伸縮縫的漏水對梁端和帽梁的損害又非常嚴(yán)重，所以，對梁端和帽梁頂部也要進行防水處理。
四、橋面鋪裝防水的主要方注
目前國內(nèi)尚缺乏系列化的專用橋面防水材料，更沒有嚴(yán)格規(guī)定評定橋面防水材料性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方法。因此，優(yōu)選、確定防水材料顯得尤其重要。天津地區(qū)市政、公路工程中的橋梁也一直沒有定型。一是價格太高，二是與瀝青混和料的親和性太差。直到1998年初金剛橋和寧車沽等橋面損壞才引起重視，重新研究引用經(jīng)濟實用的防水材料，在唐津高速和疏港公路等橋上應(yīng)用。
1．天津使用過的幾種防水材料的性能：
（1）聚氨酯彈性防水涂料。以聚氨脂為主體配合其他材料，有甲、乙兩種組合而成，固化后形成富有彈性的橡膠狀防水層。其優(yōu)點：耐高溫、本身防水性能好，耐老化性能好；缺點：對基層干燥度要求高、與瀝青混和料的親和性差，易出現(xiàn)層間分離，使瀝青鋪裝脫落，而且造價高。無論從效果方面還是成本方面都不可取。
（2）環(huán)氧膠乳防水涂料。為環(huán)氧樹脂乳液和氯丁膠乳的混和體。優(yōu)點：與水泥混凝土的親和性好，有延展性，造價適中。缺點：與瀝青混和料的親和性差，易出現(xiàn)瀝青混凝土的擁包、脫落。因為其半透明老L白色，可以用作邊梁外側(cè)的涂層以及下部結(jié)構(gòu)的防水涂層。
（3）陽離子氯丁膠乳瀝青防水涂料。主要成分為氯丁膠乳、石油瀝青和水以及配套材料。對基層的干燥度要求低，能適應(yīng)氣溫較低季節(jié)施工，雨季施工必須在施工后10h之內(nèi)無雨，否則應(yīng)補涂。目前這種材料耐高溫性能稍差，對水泥混凝土面層的附著力不夠穩(wěn)定，而且完全人工操作，占用工期時間較長。
（4）聚合物瀝青橋面防水涂料。該產(chǎn)品以復(fù)合離子型乳化瀝青、橡膠、樹脂改性劑為主要原料構(gòu)成的單組分水乳型防水涂料。其特點：與水泥混凝土及瀝青混合料表面粘結(jié)均非常牢固，耐高低溫，160℃高溫不流淌，不起泡、不滑動，－20℃不開裂，在熱瀝青混合料攤鋪后，可以軟化與其粘結(jié)，粘結(jié)強度高，耐久性能好，冷施工、使?quot;高速噴霧機”機械噴涂、操作安全簡便、施工速度快，成膜時間快，lh可以表干，12h后可以進行鋪筑瀝青混凝土，最能適應(yīng)快速施工，價格比其他品種部便宜。
（5）PC橡膠防水卷材防水層。該產(chǎn)品可以做成lmm以下薄膜，用本身液體涂料粘結(jié)到基面上。具有較好的粘結(jié)強度，即可以自粘又能與混凝土表面進行粘結(jié)，還能與瀝青混合科牢固地粘結(jié)。其低溫性能尤其好，在一40℃溫度下1h繞φ10mm金屬絲對折無裂紋。施工速度快，lh以后即可放行。目前此種材料還沒有大量地使用，積累資料不多。
其他還有很多種防水涂料，目前應(yīng)用不多，不再贅述。
2．防水涂料的施工要點
（l）涂料對水泥混凝土鋪裝要求必須達到強度指標(biāo)，牢固。密實，任何防水材料都必須涂在合格的基層上，表面必須平整、粗糙，不能有鋼筋等尖銳突出物，并且無垃圾、元浮灰、無松散、無漿皮、無污染，乳液類型的涂料，可以用水沖洗后施工，表面基本干燥、無積水就可，濕度大的部位可用強力吹風(fēng)機或空氣壓縮機吹于。
（2）防水涂料本身的性能是關(guān)鍵，必須保證在瀝青混和料和水泥混凝土之間起到牢固的粘結(jié)作用，材料本身必須滿足在160℃高溫下不流淌的要求。所以必須選擇優(yōu)質(zhì)的防水材料。
（3）乳液性質(zhì)的防水涂料，高溫天氣應(yīng)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(jié)力。
（4）收水口部位及陰陽角處應(yīng)作特殊處理。
（5）在防水層沒完全干透之前，禁止行火車輛通行。在攤鋪瀝青混和料時，應(yīng)及時檢查被損壞的部位并立即修補。
3．橋面防水涂層的質(zhì)量要求及控制
涂料的基本要求是”牢、薄、透、勻”。防水層不但本身能防水，還要有延展性，當(dāng)基面產(chǎn)生微小裂縫后防水層不被拉裂，而且必須與上下基面牢固地粘結(jié)，在車輛荷載作用下不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。所以必須非常均勻地施作一薄層，總厚不宜超過lmm。
（1）對防水材料必須進行檢驗。每一批量都應(yīng)抽檢，重點抽檢其耐熱性以及粘和性，必須滿足160℃不流淌的條件。還應(yīng)進行外觀檢驗，發(fā)現(xiàn)異常立即停止使用。
（2）對基面應(yīng)進行嚴(yán)格地檢查驗收，不允許有任何不合格的地方。
（3）施作時應(yīng)及時檢查有無空鼓汽泡、脫落、翹邊等現(xiàn)象，以便及時處理。
（4）在攤鋪瀝青混和料時，應(yīng)隨時檢查有無損壞的地方，及時進行修補。
（5）瀝青混凝土施工完成冷卻后，可作行走剎車實驗，橋面鋪裝層應(yīng)無脫粘起翹現(xiàn)象。
（6）重點檢查伸縮縫、收水口部位的質(zhì)量。
五、伸縮縫部位的防水
橋梁防水的另一個重要部位是橋梁伸縮縫，必須達到牢固、延年、防水的要求。梁端的破壞，帽梁的破壞，主要原因就是伸縮縫漏水造成的，所以必須把伸縮縫的防水設(shè)計和安裝質(zhì)量當(dāng)作非常重要的問題對待。
為了處理好橋梁的伸縮縫，世界各國的專家們煞費苦心地在研究各種伸縮裝置，盡管伸縮縫裝置在橋梁總造價中占很少一部分，但損壞以后造成的后果是嚴(yán)重的。天津市的橋梁伸縮縫也是經(jīng)過很多專家不斷研究改進，大至有以下幾種：軟質(zhì)木板浸瀝青配以瀝青馬蹄脂伸縮縫，鋼板伸縮縫，梳型鋼板伸縮縫，橡膠條伸縮縫，橡膠板伸縮縫，進口毛勒伸縮縫，國產(chǎn)仿毛肋伸縮縫等。從調(diào)查情況看來，只有進口毛勒伸縮縫，經(jīng)過近十年的使用沒有明顯損壞，能達到防水作用，近幾年改進以后的仿毛勒伸縮縫質(zhì)量也基本達到了這一要求以外，其他種類都不理想：一是不延年，兩三年后，安裝質(zhì)量不好的當(dāng)年就發(fā)生問題；二是不防水，不但造成橋面鋪裝的損壞，而且造成梁端和帽梁的損壞。
仿毛勒伸縮縫主要是由異型鋼梁、位移控制系統(tǒng)、橡膠止水帶組成。其特點是受力安全，位移均勻，伸縮自由，行車平穩(wěn)，防水性能好。但造價較高，維修施工工藝較為復(fù)雜，養(yǎng)護時間長。該裝置關(guān)鍵是安裝質(zhì)量，與主體結(jié)構(gòu)的鉚固必須牢固，錨固混凝土的質(zhì)量要高，橡膠止水帶的本身質(zhì)量和鑲嵌質(zhì)量都必須保證。
目前引進推廣的彈塑體系無縫式伸縮縫對伸縮量小于scm的縫使用效果很好，造價低廉，僅是仿毛勒縫的一半左右，行車舒適，又能很好地解決防水問題。尤其是在舊橋改造時，對縫的更換非常方便，可以在不完全斷交的情況下，5小時左右即可完成。彈塑體伸縮裝置是通過彈塑體混合材料自身特殊的力學(xué)性能來適應(yīng)橋梁伸縮變形。在承受瞬時荷載和高頻震動時顯示彈性，在低頻緩力的作用下顯示塑性。彈塑體材料是以聚合物改性瀝青為主的混合材料。關(guān)鍵是采用優(yōu)質(zhì)的彈塑體材料，材料本身的配方是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，再就是采用的工藝質(zhì)量水平。
彈塑體材料本身的耐老化性能大大高于普通瀝青混凝土，當(dāng)橋面瀝青鋪裝層進行維修的時候作一下修整就可以了。天津市采用的新加坡彈塑體材料最早的已經(jīng)四年，沒有任何老化的跡象。
簡支梁的連續(xù)板伸縮縫從設(shè)計到施工都存在著一些問題，因此在此處很快就出現(xiàn)病害，損壞和漏水，應(yīng)該徹底改變做法。
六、結(jié)論及建設(shè)
（1）橋梁必須設(shè)置完善的防水系統(tǒng)。首先是混凝土本身的自防水，保證本身的密實性和防腐蝕性能。橋面混凝土鋪裝層的質(zhì)量是至關(guān)重要的，平均厚度不能小于10cm，最薄處不能小于8cm，為了減少混凝土的開裂，直在其中加太鋼纖維或聚丙烯纖維，而且對混凝土的配合比設(shè)計和澆筑質(zhì)量要嚴(yán)加控制。鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑不宜小于10mm，間距不能大于150m。目前，天津已經(jīng)生產(chǎn)φ10以下冷軋帶肋鋼及焊接鋼網(wǎng)，更適合用作橋面鋼筋網(wǎng)。
（2）在保證橋面混凝土質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還必須設(shè)置防水層，防止水的滲透，伸縮縫必須設(shè)計選擇防水型的，帽梁頂部，邊梁外側(cè)，以及下部結(jié)構(gòu)水位浮動部位都應(yīng)該考慮防水問題，防止水從任何地方對混凝土侵害。只有這樣，形成完善的防水系統(tǒng)，才能保證橋梁的使用壽命。
（3）橋面防水涂料的關(guān)鍵是與水泥混凝土及瀝青混和料都有很好的親和性，能牢固地粘結(jié)在一起，并且能夠在瀝青混和料的高溫下，只軟化，不流淌。目前高性能的聚合物改性瀝青防水涂料可以滿足這一要求，可以廣泛采用。
（4）毛勒、仿毛勒伸縮縫是目前比較理想的伸縮縫，5cm以下小伸縮量，配合著彈塑性伸縮裝置的使用可以解決防水和延年的問題。
（5）梁端和帽梁頂部建議用普通的防水涂料進行處理，防止伸縮縫失效時漏水腐蝕混凝土。
（6）下部結(jié)構(gòu)在水位浮動部位處，除了要作防腐蝕混凝土外，也要涂防水涂料。
（7）邊梁的欄桿、地伏混凝土的外側(cè)應(yīng)包住翼板并設(shè)計滴水槽，防止雨水沿邊梁漫流。
（8）雨水收水口必須低于水泥混凝土鋪裝的高程，出水管應(yīng)保證不尿檐。
