1、基于創(chuàng)新理念的城市橋梁橋面防水技術(shù),北京市市政工程設(shè)計研究總院 穆祥純 副院長 教授級高工,摘要,摘要 本文從基于創(chuàng)新理念出發(fā)，論述了21世紀(jì)的前 十年中，我國城市橋梁建設(shè)領(lǐng)域在城市橋梁橋面防 水技術(shù)的科技研發(fā)、工程實踐和創(chuàng)新發(fā)展的相關(guān)情 況，并對該領(lǐng)域的發(fā)展前景作出了展望，以期進(jìn)一 步引起人們對該領(lǐng)域的高度關(guān)注，以推動我國向世 界橋梁建設(shè)強國的目標(biāo)邁進(jìn)。,引言,20世紀(jì)80年代以來，城市建設(shè)蓬勃發(fā)展，建設(shè)了一大批城市橋梁，經(jīng)過一段時間的運營和維護(hù)，人們對城市橋梁橋面防水技術(shù)的研究提上議事日程。 問題城市橋梁橋面漏水對橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕十分嚴(yán)重，直接影響橋梁的正常使用壽命，并威脅到城市橋梁的安全，業(yè)

2、內(nèi)對城市橋梁橋面防水工程缺乏統(tǒng)一認(rèn)識。,國內(nèi)許多設(shè)計科研單位都在積極開展城市橋梁橋面防水技術(shù)的研究，但相當(dāng)長時間內(nèi)，缺少相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)規(guī)程。,引 言,主編單位：北京市市政工程設(shè)計研究總院 該技術(shù)規(guī)程的正式頒布執(zhí)行，系我國城市橋梁防水技術(shù)的一個顯著進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展，也使今后城市橋梁橋面防水工程有章可循，將促進(jìn)我國城市橋梁建設(shè)的健康發(fā)展。,進(jìn)入21世紀(jì)以來，對此問題的研發(fā)有了 突破性進(jìn)展。,主要內(nèi)容,2,設(shè)計理念上的創(chuàng)新和技術(shù)路線,3,工程實踐上的創(chuàng)新發(fā)展,4,提出城市橋梁橋面防水的對策,2,3,4,4,發(fā)展沿革,展望和結(jié)語,1,5,西方國家,西方國家對橋梁防水問題歷來十分重視，均有 相關(guān)的規(guī)

3、范和技術(shù)規(guī)程。明確規(guī)定城市和公路橋梁 必須設(shè)置橋面防水層，并從結(jié)構(gòu)類型、面層材料、 防水技術(shù)、施工方法、設(shè)計年限、使用性能、維修 費用等做了詳盡的規(guī)定。,西方國家,我 國,與國外相比，我國對混凝土橋面防水研究相對滯后，橋面防水層設(shè)置不很明確。 1961版公路橋涵設(shè)計規(guī)范：1041條“ 鋼筋混凝土橋的橋面上應(yīng)否設(shè)置防水層和設(shè)置哪一種防水層（防水混凝土、粉粒式或中粒式瀝青混凝土鋪裝、瀝青貼式防水層），應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型跨徑大小、當(dāng)?shù)貧夂驐l件和設(shè)置的必要性等具體情況而定?！?1974版公路橋涵設(shè)計規(guī)范：1.33條“鋼筋混凝土橋面與鋪裝之間是否應(yīng)設(shè)防水層，應(yīng)視當(dāng)?shù)貧鉁?、雨量、橋梁結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝的型式結(jié)

4、合當(dāng)?shù)鼐唧w情況而定。簡支梁橋可采用與橋面一次澆注的防水性水泥混凝土鋪裝層。在瀝青混凝土鋪裝層下可不設(shè)防水層。橋面在主梁受負(fù)彎矩作用處應(yīng)設(shè)置防水層?！?我 國,上世紀(jì)80年代，我國的城市和公路橋梁相關(guān)技術(shù)規(guī)范中對 橋梁橋面防水的要求，也只是提及一般采用橋面柔性鋪裝防 水系統(tǒng)，其防水材料和施工工藝主要參照建筑屋面及地下工 程等，尚未形成一套適合于評價和選用橋梁橋面柔性鋪裝防 水材料的試驗手段和性能指標(biāo)。 譬如：1989版公路橋涵設(shè)計規(guī)范1.7.4條規(guī)定“鋼筋混凝土橋面板與鋪裝層之間是否要設(shè)置防水層，應(yīng)視當(dāng)?shù)氐臍鉁?、雨量、橋梁結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝的型式等具體情況確定。防水性水泥混凝土和瀝青混凝土鋪裝層下可

5、不設(shè)防水層，但橋面在主梁受負(fù)彎矩作用處應(yīng)設(shè)置防水層。”而防水層主要采用陽離子乳化瀝青的三油二布涂料、瀝青油毛氈等材料。,我國,不良影響： 由于我國大多數(shù)城市橋梁不做防水或防水不利造成橋梁出現(xiàn)橋面滲 水、鋼筋銹蝕、鋪裝層剝落、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕而引起的混凝土脹 裂等嚴(yán)重?fù)p壞問題，嚴(yán)重影響了橋梁的耐久性和正常使用壽命，以及行 車的舒適性和安全性.,建國門立交橋面防水層受損,我 國,近二十年， 隨著我國城市橋梁的大規(guī)模發(fā)展，逐漸從單純的屋面建筑防水材料發(fā)展到道橋運用的防水材料。防水卷材和防水涂料已經(jīng)成為我國城市橋梁橋面防水層的主要材料。 北京首都機場，APP改性瀝青聚脂防水卷材，耐高溫，抗老化，抗

6、硌破的優(yōu)良性能并經(jīng)過試驗研究和施工后的破損試驗，發(fā)展成一種特有的“道橋?qū)Ｓ梅浪聿摹薄?北京三環(huán)、四環(huán)和五環(huán)等城市立交橋梁中應(yīng)用道橋?qū)Ｓ梅浪聿?，其它省市也借鑒此做法。 相應(yīng)聚合物改性瀝青涂料也因其具有優(yōu)良的耐熱、耐腐、較好的粘貼性能，在南方地區(qū)廣泛采用，如上海南浦大橋。,我國,筆者2002年在全國橋梁學(xué)術(shù)大會論文中針對橋梁防水方 面存在的問題提出四點建議： 亟需制定我國城市橋梁防水工程設(shè)計規(guī)范 改進(jìn)我國橋梁防水結(jié)構(gòu)設(shè)計 重視橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究 重視橋梁結(jié)構(gòu)防水材料的研究,我國,在國內(nèi)專家、學(xué)者的呼吁和努力下，我國橋梁設(shè)計規(guī)范 (2004版公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范JTG D60-2004 3.6.

7、2條) 明確規(guī)定，”橋面鋪裝應(yīng)設(shè)防水層?！?2004年城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程正式立項，該技術(shù)規(guī)程將開始編制，將包括“設(shè)計、施工、檢測”等內(nèi)容。,自此關(guān)于是否設(shè)置城市橋梁橋面防水的爭論劃上一個句 號，標(biāo)志著我國該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展邁向一個新的高度。,主要內(nèi)容,2,設(shè)計理念上的創(chuàng)新和技術(shù)路線,3,工程實踐上的創(chuàng)新發(fā)展,4,提出城市橋梁橋面防水的對策,2,3,4,4,發(fā)展沿革,展望和結(jié)語,1,5,設(shè)計理念和技術(shù)路線,2008版城市橋梁設(shè)計通用規(guī)范 規(guī)定 “橋面鋪裝應(yīng)設(shè)防水層?！?里程碑意義 2010版城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程 全面反映和吸收了近些年來我國城市橋梁橋面防水技術(shù)在設(shè)計理念、以及在防

8、水技術(shù)和防水材料方面的科技研發(fā)和工程實踐的創(chuàng)新成果。 明確了設(shè)置橋面防水層的原則；揭示了城市橋梁橋臺防水的特點，以及規(guī)程適用的范圍；規(guī)定了防水等級的劃分。 對城市橋梁防水層材料選定作出了基本規(guī)定，明確了防水層的適用范圍；并詮釋了橋面防水應(yīng)樹立城市橋梁橋面防水系一個“系統(tǒng)”工程的理念。,設(shè)計理念和技術(shù)路線,水對鋼筋和混凝土的腐蝕： 水滲入混凝土裂縫后，由于水中含有大城市空氣中的二氧化碳、二氧化硫，此類酸性化合物加速了碳化、酸化的過程，更由于北方化冰鹽氯離子作用，引起鋼筋表面的腐蝕反應(yīng)，鋼筋體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂，保護(hù)層剝離，影響結(jié)構(gòu)安全性和適用性。 混凝土凍融循環(huán)破壞： 水進(jìn)入混凝土微孔中，正

9、負(fù)溫度交替作用，形成反復(fù)的冰脹壓力，致使混凝土疲勞破壞，影響壽命。對于非冰凍地區(qū)，干濕交替水的作用，潮濕時水化物進(jìn)入混凝土孔隙中生成的鹽類溶液，當(dāng)環(huán)境變干燥后濃度不斷增加，最后飽和結(jié)晶產(chǎn)生晶體壓力使混凝土破壞。 混凝土堿骨料反應(yīng)： 混凝土“癌癥”，由于水的存在，再加上混凝土中的堿含量和活性骨料。三者既是這種“癌癥”的必要條件又是充分條件，生成硅鈣膠凝體后，因吸收水分使混凝土異常膨脹，破壞成粉末，無法修補。,規(guī)程編制組調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上世紀(jì)5070年代建造的橋梁，70的城市橋梁在使用期20-30年時就成為危橋，而且有水的部位損壞十分嚴(yán)重。 “水”是影響橋梁耐久性的主要因素。,防水層損壞案例分析,200

10、2年二環(huán)路改造，對全線46座橋梁進(jìn)行普查、檢測，這些上世紀(jì)8090年代修建的橋梁，最長服務(wù)年限僅23年。大部分出現(xiàn)了橋面破損、凹凸不平、排水不暢、欄桿隔離帶的混凝土剝落等病害。 由于排水口和伸縮縫的破壞，水流滲透了附近的蓋梁墩柱，梁端混凝土遭到破壞，主梁大多數(shù)出現(xiàn)水跡和石灰質(zhì)凍結(jié)覆蓋物,北京市二環(huán)路立交橋梁,國內(nèi)橋梁,防水層損壞案例分析,統(tǒng)計表明： 43% 主梁檢測混凝土開裂超過0.2-0.3mm的 20座 13% 鋼筋中度銹蝕的6座 5% 鋼筋嚴(yán)重銹蝕，主梁開裂變形建議更換的2座,北京市二環(huán)路立交橋梁,防水層損壞案例分析,1980年修建，1999年改建，不到20年使用期 經(jīng)檢測存在問題： 上

11、部結(jié)構(gòu)：主梁漏水出現(xiàn)白斑，主橫梁交叉開裂嚴(yán)重，伸縮縫漏水牛腿酥裂 下部結(jié)構(gòu)：墩頂豎向裂縫，根部融雪侵蝕，橫向裂縫 損壞等級：評定III級，承載力舊橋折算系數(shù)0.85 結(jié)論：整體上不能長期使用,北方城市某立交橋梁 1,防水層損壞案例分析,防水層損壞案例分析,1984年修建，1998年改建，14年使用期 經(jīng)檢測存在問題： 上部結(jié)構(gòu)：鋼筋銹蝕、漏水，高強螺栓及墊圈生銹，削弱連接強度 下部結(jié)構(gòu)：蓋梁出現(xiàn)病態(tài)，表面腐蝕，水流經(jīng)過之處，混凝土沿鋼筋縱向出現(xiàn)裂縫，寬度0.2-2mm，表面白色沉積外漏，碳化深度23-30mm,含堿量5.2-14.6，超過2-3倍 以上現(xiàn)象是由于鹽水腐蝕和北方寒冷地區(qū)凍融所致

12、結(jié)論：拆除重建,北方城市某立交橋梁 2,防水層損壞案例分析,防水層損壞案例分析,德國總結(jié)了由于人為和自然界的7種原因造成破壞，引起橋梁的修建和翻修 設(shè)計和修復(fù)的費用達(dá)到1：10 為了提高橋梁耐久性，德國人的經(jīng)驗是必須堵截水源，橋面“防水”、“排水”工程是重要的技術(shù)內(nèi)容,國外橋梁,防水層損壞案例分析,因此德國ZTV-BEL-B和DIN工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對不同的路面材料和橋梁基面，規(guī)定可以采用特殊專用的SBS(適合鋪設(shè)溫度為150-160的瀝青混凝土或瀝青瑪篩脂碎石混合料)，或APP(適合鋪設(shè)溫度240-250的瀝青粗集料路面材料)卷材輔以環(huán)氧樹脂基層處理劑(鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基層處理材料略有不同)。

13、德國聯(lián)邦政府對橋面防水的嚴(yán)格控制，對生產(chǎn)企業(yè)的特許制等措施，保證了橋面防水質(zhì)量的可靠性和耐久性。,德國采用熱熔法施工瀝青卷材防水層,主要內(nèi)容,2,設(shè)計理念上的創(chuàng)新和技術(shù)路線,3,工程實踐上的創(chuàng)新發(fā)展,4,提出城市橋梁橋面防水的對策,2,3,4,4,發(fā)展沿革,展望和結(jié)語,1,5,新問題,橋面防水工程出現(xiàn)的新問題： （1）防水卷材“錯動”， 防水涂料橋面瀝青鋪裝“酥裂” 2000年5月，首都國際機場的航站樓2號橋拐彎道處，橋面瀝青鋪裝出現(xiàn)多道嚴(yán)重的垂直裂縫。 2002年8月，北京西四環(huán)，復(fù)興路，紫竹院，豐臺高架橋等處出現(xiàn)局部橋面鋪裝開裂，防水層錯動，開裂位置都在重車道（外側(cè)），或橋面下坡處，時間在

14、高溫、雨季前后。 2003年5月，施工完不到一年的北京六環(huán)路，多座橋面發(fā)生裂縫，其規(guī)律、情況和北京四環(huán)路出現(xiàn)的問題相似。,新問題,橋面出現(xiàn)裂縫,新問題,原因分析 外因： 水平荷載較大，超載下坡區(qū) 內(nèi)因： 施工：混凝土基面平整度、粗糙度、干燥度、粘結(jié)度都很差，卷材按頭鋪設(shè)方法不對，搶工期、熱熔施工不到位 設(shè)計：防水層局部相互連接差，橋面滲水排除措施不當(dāng),新問題,（2）橋面防水層病害事故 如南方某城市一座城市橋梁，全長1000米，2003年9月 施工完成，次年45月份，由于防水層引起橋面鋪裝全部損 壞，造成經(jīng)濟(jì)損失全部費用達(dá)2000萬元。 由于防水層出現(xiàn)了問題，由此帶來的后果，不僅是經(jīng)濟(jì) 上的損失

15、，頻繁的修復(fù)返工也對交通、橋梁使用帶來不良的 社會影響。,廣泛關(guān)注,一系列事故引起了有關(guān)方面的廣泛關(guān)注，工程一致呼吁 要規(guī)范好設(shè)計和施工，提高法制意識。 2004年初，北京市市政工程設(shè)計研究總院向建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定 額司申請編制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程 ，并獲得批準(zhǔn)。由設(shè)計、施工研究20多個單位參加，全國范 圍內(nèi)，除北京以外，還有廣州、重慶、蘭州、沈陽等城市， 代表了東北、西北、西南和南方等各個地區(qū)，即我國各地區(qū) 的同業(yè)專家、學(xué)者均有代表參與了該規(guī)程的編制工作。,主要內(nèi)容,2,設(shè)計理念上的創(chuàng)新和技術(shù)路線,3,工程實踐上的創(chuàng)新發(fā)展,4,提出城市橋梁橋面防水的對策,2,3,4,4,發(fā)展沿革,

16、展望和結(jié)語,1,5,橋面防水的特點,1、橋面防水特點 使用條件： 針對橋梁處于動態(tài)的工作狀態(tài)，行車荷載行使時除豎直向壓力外，還有水平方向的制動力、離心力及下坡時輪載的水平分力作用到橋面上，當(dāng)防水層受到較大的水平剪力，要求防水層具有較大的抗剪性能。 施工條件： 橋面防水層上有瀝青混凝土鋪裝層，其施工時要高溫攤鋪、筑路機碾壓，要求防水層有耐高溫的能力和對壓路機局部承壓抗硌破的能力。 震動“疲勞”作用： 橋面車輛活載反復(fù)周期性的作用，因此橋面板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、裂縫都是反復(fù)周期性變化的，在混凝土的裂縫邊緣，會有“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，會使裂縫擴(kuò)大和增加，造成“裂縫累積的損傷”，這就是混凝土的“疲勞”作用，

17、這也決定了防水層的選擇不同于靜載為主的其他結(jié)構(gòu)。 不能完全照抄“屋面工程技術(shù)規(guī)范”，只能獨立制定。,橋面防水的適用范圍,2、 橋面防水的適用范圍： 橋面防水層其承受的車輪荷載為接觸輪載； 橋面鋪裝下為混凝土基面,防水對策,3、相應(yīng)的防水對策 包括設(shè)計、施工和質(zhì)量驗收三個部分 應(yīng)關(guān)注的重要內(nèi)容： 防水等級的確定 材料的使用性能 基面層的要求 設(shè)計構(gòu)造措施 施工檢測內(nèi)容 在規(guī)程明確規(guī)定了一條強制性條文 （3.0.1條）“混凝土橋面鋪裝內(nèi)應(yīng)設(shè)防水層，橋面系應(yīng)有完整的防水、排水系統(tǒng)。”,防水對策,4、規(guī)定防水等級的劃分 按橋梁分類，道路等級，環(huán)境類別三個方面，劃分為I、II兩個等級 對I、II類防水分

18、別提出了不同的使用年限（15年和10年）和不同的使用要求 5、制定橋面防水層選材的基本規(guī)定 瀝青混凝土鋪裝面層： 采用防水卷材，防水涂料柔性防水層，此類橋面鋪裝占90%以上 水泥混凝土鋪裝面層： 采用滲透結(jié)晶型防水材料剛性防水層，嚴(yán)禁使用卷材防水 6、規(guī)定防水層的適用范圍 柔性防水層： 應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要從環(huán)境條件防水等級及其他要求（3.0.4條） 剛性防水層 應(yīng)符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（3.0.6-3.0.8條）,系統(tǒng)工程,7、將橋面防水作為一個“系統(tǒng)”工程 防排水功能 設(shè)計施工監(jiān)測養(yǎng)護(hù)整體環(huán)節(jié) 關(guān)于材料通用性能，其應(yīng)用性能應(yīng)符合綜合要求 防水材料結(jié)構(gòu)亦是“系統(tǒng)”的防水理念,和其它規(guī)程法規(guī)的關(guān)系,

19、8、規(guī)程和其他規(guī)程、法規(guī)的關(guān)系 與道橋用改性瀝青防水卷材JC/T974，道橋用防水涂料JC/T975，承上啟下的作用 與公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTG/D60及城市橋梁設(shè)計通用規(guī)范（送審稿）相結(jié)合 和國家有關(guān)節(jié)能、環(huán)保、消防、安全、衛(wèi)生要求法律法規(guī)一致 對新材料、新技術(shù)、新工藝，按建設(shè)工程勘察設(shè)計管理條例（國務(wù)院293號令）第二十九條執(zhí)行,橋面防水系統(tǒng)設(shè)計,9、橋面防水系統(tǒng)設(shè)計 主要包括：防水系統(tǒng)總體布置、防水材料選用原則、關(guān) 于防水卷材的抗剪性能、其他防水材料、防水層的厚度和結(jié) 構(gòu)細(xì)部構(gòu)造等。 防水系統(tǒng)總體布置 應(yīng)滿足防排水功能以及設(shè)計施工監(jiān)測養(yǎng)護(hù)整體環(huán)節(jié) 防水材料選用原則 橋梁結(jié)構(gòu)型式：坡度、

20、剛度、平面型式 環(huán)境條件及施工條件：有效溫度、溫度梯度、高溫耐熱、低溫柔度、施工溫度 材料選用要考慮材料性能的相容性和材料品質(zhì)的優(yōu)選性,防水卷材的抗剪性能,10、防水卷材的抗剪性能 車輛荷載作用在橋面上，除了豎向力以外，還有水平方向的力，如制定力、離心力等。 車輛荷載下，鋪裝和防水層的豎力情況用隔離體分析 車輛的水平力是通過車輪與橋臺之間的摩擦力傳遞到橋面鋪裝及防水層上的,防水卷材的抗剪性能,根據(jù)摩擦定律： 水平力F作用下，其摩擦力大小和重量W與摩擦系數(shù)與f乘積成正比 當(dāng)水平力小于摩擦力時，物體不動為靜摩擦，此時摩擦力等于水平力 T = F 當(dāng)水平力大于摩擦力時，物體滑動為動摩擦，此時摩擦力小

21、于水平力，TW*f。因此可認(rèn)為不管水平力大小，都可用一個最大的摩擦力值來包絡(luò),防水卷材的抗剪性能,用Ansys通用有限元軟件分析：33塊單元模型，在10KN輪重作用于瀝青面層上，著地面積 0.600.20，摩擦系數(shù) f=0.50。 計算得出瀝青鋪裝厚8cm時的層間剪應(yīng)力，城A荷載折算值為0.12mPa，相當(dāng)于防水卷材50時的抗剪強度。,防水卷材和防水涂料性能對比,防水卷材 or 防水涂料,防水卷材和防水涂料性能對比,近年來，我國一些防水材料的生產(chǎn)企業(yè)，秉承環(huán)保和低碳理念，研制了適合我國道橋?qū)Ｓ镁酆衔锔男詾r青防水涂料，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的配套施工設(shè)備。 主要材料是以多種橡膠復(fù)合對瀝青改性，涂膜干燥后保持橡膠的彈性，耐高溫達(dá)180。C,，低溫可達(dá)40 。C，延伸率大