沥青混凝土桥面铺装病害成因分析及防治措施研究.pdf

9 4 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 l 2 月第 1 2 期 沥青混凝土桥面铺装病害成因分析及防治措施研究 张昊， 李茂奇 (天津 市市 政工程 研究 院 ， 天津市3 0 7 4) 摘 要 ： 由于超重车 辆的大量 出现 ， 桥 面铺 装在长期 的运营过程 中容易 出现开裂 、 推移 、 水毁 等病害 。为 了解决桥 面铺 装层在 长期运 营过程中出现的病害， 针对桥面铺装常出现的病害进行了详细分析总结 ， 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 借鉴意义 。 关键词： 沥青混凝土； 桥面铺装 ； 病害 ； 成因分析； 防治措施 中图分类 号 ： U 4 4 3 3 3 文献标 识码 ： B 文章编号 ： l o 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 9 4 0 4 0 引言 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 1 9 9 8年开通以来 ， 全 线 5 0 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 接或间接地诱发交 通事故 ，造成人 民生命财产 的 损失。 如何 防治桥面铺装层病害 ， 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 。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 1 。 1 病 害成 因分 析 1 1 沥青层开裂 ( 1 ) 横 向开裂 桥面横向开裂主要是在连续缝处开裂， 连续缝 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 1 7 作 者简 介 ： 张吴 ( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 天津 人 ， 助 理工 程 师 ， 从事 道 路 工 程技术咨 询工作 。 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 。 ( 2 ) 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。 病害原 因： 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 。 1 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 。 出现上述病害有如下原 因。 ( 1 ) 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 1 5 0 0 MP a ， 水 泥混凝 土弹性模量 为 31 0 4 MP a ) ， 沥青混凝土为柔性结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 1 2 月第 1 2 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构9 5 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。 1 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 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。 ( 2 ) 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 1 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 间的结合 ， 高速行驶车辆产生 巨大的层问剪力 ， 导致该桥沥青混凝 土铺装 出现 了剪切破坏 和推移 现象 。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 。 ( 5 ) 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 6 e m， 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 】 。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 引起桥 面铺装 出现坑槽 、唧浆 的主要 原因在 于以下 4个 方面。 ( 1 ) 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 3个方面 ： 第一 ，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 。 第二， 水泥混凝土整体强度不足， 主要由混凝 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 。 第三 ， 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。 ( 2 ) 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 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 顶问的粘结力 ，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 。 ( 3 ) 水破坏作用 桥面排水设 置 的泄水孔 只能排 除桥 面水 ， 而 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。 ( 4 ) 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 。 1 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 3点。 ( 1 ) 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 1 0 a 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。 ( 2 ) 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 A C型 ，设计孑 L 隙率控制 在 3 5 ， 压实度提高到 9 8 ， 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 9 5 时 ， 现场孔隙 率往往大于 1 2 ， 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 际孔隙率较大 ， 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 。 ( 3 ) 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。 1 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 了车辙的形成。 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 。 2 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。 2 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 C 4 0 ，厚度增大至 1 O1 2 e m， 最 薄 处 不 得 小 于 8 e m，钢 筋 网 的钢 筋 直 径 采 用 1 1 ， 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 1 2 月第 l 2 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构9 7 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 1 0 e m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 。 2 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 水泥混凝土间连接的作用。防水层的种类较多， 根 据 不同的使用环 境选 取不 同的防水层材料 。一般 来讲 ， 城市桥梁 的重 载不 多 ， 铺装层 间剪力相对较 小 ， 可以采用 防水性 能 良好 的防水卷材 ； 在重载交 通的公路桥梁上，应采用改型沥青类和聚合物涂 料作 为防水层。 2 3 优化沥青混凝土配 比， 并加强施工控制 对于沥青混合料矿料级配不合理 ，造成沥青 混凝土 的孔隙率较大 ，而矿料颗粒组成不均匀使 得局部孑 L 隙率更大 ， 局部水破坏更严重 。在沥青混 凝土的配合比设计中，目标配合比和生产配合 比 同等重要 ，重视前者忽视后者 的做法是 目前 沥青 混凝土出现病害的一个重要 因素。因此 ， 进行合理 的沥青混凝土配合 比设计 ，并加强生产 配 比控制 是防止水损害 的重要环节 。 此外 ，加 强施 工控制也是保证沥青混凝 土质 量 的重要环节 ， 应主要通过控制摊铺 油温 、 把握碾 压次数等方面来保证压实度 。 2 4 合理设计桥面排水设施 设置有效 的排水设施 ， 迅 速排 除路表水 ， 避免 雨水渗入铺装层 内 ，可 以大大减小层 间水对 桥面 铺装的破坏。通过改变泄水孔的型式 ， 可以使其既 能排 出表面水又能排 出渗入沥青 面层结构 或滞 留 在界 面上 的雨水 。泄水孔上 口应低 于水 泥混 凝土 铺装层表面 ， 并设置纵 向排水盲沟 ， 连接各个 泄水 孔 。 3 结语 根据 以上分析可 以得 出如 下结论 ：为 了防止 桥 面铺装层 出现病害 ，我们应 该加强桥面铺装混 凝 土设计 ， 选择适 宜的防水层 ， 优化沥青混凝土配 比， 合理设计桥面排水设施 ， 加强施工质量控制 ， 加 强对已建桥 梁的后期养护工作 ， 及 时发现 问题 ， 及 时解决 问题 ；严格控制超载车辆 ，加强交通管 理 参考 文献 【 t 何锋 沥青 混凝 土桥面铺 装早 期破坏 研究 【 D 上 海 ： 同济大学 ， 2 0 0 6 2 】 杨民 对沥青混凝土桥面铺装层渗水 的病害分析及防治措施 的探讨f J 黑龙江交通科技， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 6 9 7 0 3 】闫海 平， 张文 青 沥青 混凝土桥 面铺装早 期病 害原 因分析 【 J 重 庆建筑 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 2 4 2 6 【 4 银力， 李丽民 桥面铺装早期病害类型与原因分析【 J 重庆科技 学院学报 ( 自然科学 版) ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 3 - 6 1 5 l5 朱 国祥， 卢 立平 ， 董利 军 柔 性桥 面铺装 的早期 病 害分析 J 】 城 市道桥与防洪， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 4 1 4 4 6 】 罗 昊冲， 曹 景 桥面铺 装层病 害分析 与结构设 计的选择 【 J 城市 道桥 与防洪， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 9 2 2 【 7 李震 ， 彭子 泳 沥青 混凝土 桥面铺装设 计与施 工技术研 究 J 1 大 众科技 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 4 5 4 9 8 】张 占军 设 防水层 的混凝 土 桥面铺 装 结构 剪应 力计 算 与分 析 J 西 安公路 交通大 学学报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 4 1 7 2 0 1 4年前三季度全国铁路 、 公路 、 水路完成投资 1 6万亿 交通运输部近 日发布 ， 2 0 1 4年前三季度， 我国铁路、 公路 、 水路固定资产投资完成 1 6 4 1 2 亿元 ， 同比 增长 1 5 0 ， 增速较去年同期加快 6 6 个百分点 ， 其中， 第三季度 ， 铁路 、 公路、 水路固定资产投资增长 2 2 5 ， 明显 高于上半年的 9 3 。 据统计， 2 0 1 4年前三季度， 铁路完成投资( 含基本建设 、 更新改造和机车车辆购置 ) 达 4 5 6 3亿元， 同 比增长 2 3 4 ， 增速较上半年加快 1 4 5 个百分点。 公路建设完成投资 1 0 7 7 1 亿元， 增长 1 4 6 ， 较上半年 加快 3 7 个百分点 ， 普通国省道、 农村公路投资增速均在 2 0 左右。水运建设完成投资 9 7 6亿元 ， 下降 6 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m