水泥混凝土桥面铺装长效防水粘结体系MMA性能研究.pdf

第 3 9卷 ， 第 2期 2 0 1 4年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 2 Ap r ， 2 0 1 4 水泥混凝土桥面铺装长效防水粘结体系 M MA性能研 究 龙劭 一 ( 湖南省娄新高速公路建设开发有限公司 ，湖南 娄底4 1 7 0 0 0 ) 摘要 在我 国为数众 多的水 泥混凝土桥梁在远未达到设 计寿命 时 ， 就 出现 了钢筋锈 蚀 、 混 凝土松 散 、 结构 强度下 降 、 承载能力大 幅衰减等病害现象 。桥 面铺装 防水粘结体 系的性能对桥面铺装的使用 品质 及对水泥混凝土 桥梁结 构的使用寿命具有显著影响。设置长效防水粘结层是 确保 桥面铺装 结构耐 久性 的重大措施 之一 。以湖南 省娄新 高速公路水泥混凝土桥桥面铺装防水粘结层设置 为实 际研究背景 ， 引用 国外先进的水泥混凝 土桥面铺装 防 水粘结体 系设计方法及性能评价体系 ， 对 国外 应用广泛且优 良的长效 甲基丙 烯酸 甲酯 MMA防水粘 结体系与我 国 普遍采 用的 S B S 改性 沥青碎石封 层 、 改性乳 化沥青 等防水粘 结材料 防水 进行 了对 比试验 ， 为深 入进行 湖南省娄新 高速公 路水泥混凝土桥面铺装防水粘结体系研究及实际工程选择应用 提供 理论依据 。 关键词 水 泥混凝 土桥面铺装 ；甲基丙烯酸 甲酯 MM A；S B S改性沥 青碎石封 层 ； 改性乳化沥青 中图分类号 U 4 3 3 3 3 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 - 0 2 9 1 一 O 4 Th e M M A pe r f o r ma n c e s t u d y a b o ut Lo n g - t e r m wa t e r p r o o f b o n d i n g s y s t e m o f c e me n t c o nc r e t e br i d g e d e c k pa v e me n t LONG S h a o y i ( H u n a n L o u x i n E x p r e s s w a y C o n s t r u c t i o n D e v e l o p m e n t C o L t d ， L o u d i ， H u n a n 4 1 7 0 0 0， C h i n a ) A b s t r a c t T h e d e s i g n l i f e o f a l a r g e n u m b e r o f c e me n t c o n c r e t e b r i d g e s t e e l c o r r o s i o n l o o s e c o n - c r e t e，s t r u c t ur a l s t r e n g t h d e c r e a s e d，c a r r y i n g c a pa c i t y s ub s t a n t i a l l y a t t e n u a t e d d i s e a s e p h e n o me n o n Th e u s e o f t h e p e rfo r ma nc e o f t h e b r i dg e d e c k p a v e me n t q u a l i t y d e c k p a v e me n t wa t e r p r o o f b o n d i n g s y s t e m a n d h a s a s i g n i fic a n t i mp a c t o n t h e s e r v i c e l i f e o f c e me n t c o nc r e t e b r i d g e s t r u c t u r e Th e s e t o f l o ng l a s t i ng wa - t e r p r o o f a d h e s i v e l a y e r i s o n e o f t h e ma j o r me a s u r e s t o e n s u r e t h e d u r a b i l i t y o f t h e De c k s I n t h i s p a p e r ， Hu na n Pr o v i n c e Lo u n e w h i g h wa y c e me nt c o n c r e t e b r i dg e d e c k pa v e me n t wa t e rpr o o f a d he s i v e l a y e r s e t f o r t h e a c t u a l r e s e a r c h b a c k g r o u n d，r e f e r e n c e s t h e a d v a n c e d f o r e i g n Ce me n t Co n c r e t e De c k Pa v e me n t wa t e r p r o o f a d h e s i v e s y s t e m d e s i g n a n d p e rfo r ma n c e e v a l ua t i o n s y s t e m ，f o r e i g n a n d e x c e l l e n t l o ng t e r m me t h y l me t h a c r y l a t e MMA wa t e r p r o o f b o n d i n g s y s t e m wi d e l y us e d i n Chi n a S BS mo d i f i e d a s p ha l t p a v e me n t s u r - f a c e mo d i f i e d e mu l s i f i e d a s p ha l t wa t e r pr o o f a d he s i v e ma t e r i a l wa t e r p r o o f c o mp a r a t i v e t e s t d e p t h Hu n a n Pr o v i nc e Lo u n e w h i g h wa y c e me n t c o nc r e t e b r i dg e d e c k pa v e me n t wa t e r p r o o f b o nd i n g s y s t e m r e s e a r c h a n d p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g s e l e c t a p p l i c a t i o ns t o p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s Ke y wo r d s c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t ； me t h y l me t h a c r y l a t e ；MM A； S B S m o d i fi e d a s p h a l t p a v e me n t s u r f a c e mo d i fie d e mu l s i fie d a s p h a l t 0 前言 我国公路事业正处于高速发展时期 ， 经过 1 0数 a的努力 ， 取得了令世人瞩 目的成绩。桥梁 是道路 路线跨越江河湖泊、 山谷深沟和其 它障碍物时的主 要结构物 ， 从它保持 了路线的连续性。随着我 国城 市 道路交 通 事业 的蓬 勃 发 展 ， 桥 梁 在 道路 中 的 比重 越来越大 ， 在道路工程 中具有不可替代 的作用 。但 是 ， 在我 国为数众多的水泥混凝土桥梁在远未达到 设计寿命时 ， 就出现 了钢筋锈蚀 、 混凝土松散、 结构 【 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 0 9 作者简介 】龙劭一 ( 1 9 7 4 一) ， 女 ， 湖南邵阳人 ， 硕士 ， 高级T程师 ， 主要从事高速 公路建设与管理lT作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 2 公路工程 3 9卷 强度下降、 承载能力大幅衰减等病害现象 。通 过现场调查分析发现 ， 出现这类现象的主要原因是 由于桥面铺装层的过早破坏 以及在建设时没有对防 水体系有效保护桥面板和桥梁主梁结构的混凝土构 件的重要性引起足够地重视 ， 桥面铺装发生破坏后 外界水分侵蚀桥面板 ， 渗人桥面混凝土内在导致钢 筋发生锈蚀的同时 ， 也会引起锈蚀部分体积发生膨 胀， 并达到原来的 2 5 6倍以上， 从而对周 围混凝 土形成挤压 ， 造成混凝土开裂 、 剥蚀。 冻融破坏 、 钢筋锈蚀和碱集料反应被视为水泥 混凝土桥梁的三大耐久性问题 ， 研究 和合理设置防 水层主要 目的是保证和提高耐久性 ， 如 防止 因冰冻 造成桥面混凝土破坏及保护主梁钢筋不被腐蚀等 ， 且设置合理的桥面防水系统是最有效的措施之一。 目前， 根据我国防水粘结材料 的组成及施工工 艺， 对桥面铺装的防水粘结材料进行归纳， 我国混凝 土桥常用的防水粘层材料主要 有以下几类 ， 即沥青 类材料作为粘接层的防水体系； 高分子聚合物类作 为粘接层的防水体系， 如图 1所示。 I f 乳 化 沥 青 类 l I f 基 质 沥 青 类 鬈器 套 无溶剂型 青类 粘结材料 、 I_屋甘量质彻肓矢 L 合成高分子物类f 橡胶型 三二 玛蹄脂类 【 树 脂 型 i 反 应 性 树 脂 型 道桥防水便览 的桥面防水设计及评价方法对以上 三种材料进行防水材料性能对比试验研究 。 1 甲基 丙烯酸 甲酯 MMA开发及 简介 本课题 组 自主开发了反应性 甲基丙烯酸 甲酯 MMA长效桥面铺装防水粘结体系( 产 品名： P r o c o ) 。 本项 目基于活化 甲基丙烯酸树脂长效防水粘结体系 材料的开发 主要经历 了 以下 主要步 骤： 环氧 树 脂、 聚氨酯 、 丙烯酸树脂 、 有机硅树脂、 不饱和聚酯树 脂等相关材料性能及应用研究；项 目研究原材料 的选择 ， 材料改性、 复配原理和反应方式机理研究 ； 材料配方研究及助剂选择和材料配方优化 ； 材 料性能测试与评价， 以及材料 体系相容性研究 ； 产品形成与应用指南的确定。 P r o c o具有 其他 材料 不可 比拟 的韧性 、 耐 热性 及 结合强度 ， 因此 ， 其具有优 良的裂缝跨越能力， 在一 定程度上可防止混凝土桥面渗水 ； 并且 具有在高温 下依然 优 良的抗 剪强度 以及 抵抗 重载交 通 下 的剪 切 推移作用。其双层基于活性甲基丙烯酸树脂防水膜 成膜厚度可达 2 m m， 其耐候性优 良， 能完全实现对 于水泥混凝土桥梁真正意义 的长效保护 ， 其使用寿 命 可达 到 5 0 a以上 。 P r o c o是应用于混凝土桥面沥青铺装 的防水粘 结体系 ， 其包括了下封 闭层、 防水层及粘结层 ， 具体 组成如图 2所示 。 脂 防水膜 ， 脂防水膜 ， 结层 厚度 l m m 厚度 1 m m 图 2 P r o c o混凝土桥面长效 防水粘结体 系组成示意图 Fi g ur e 2 Th e s c h e ma t i c d i a g r a m o f Pr o c o c o nc r e t e b r i d g e d e c k l o ng t e r m wa t e r p r o o f b i nd i ng s y s t e m 2 日本道桥 防水设计 、 检验评 价方法简介 日本针 对水 泥混 凝土桥 面铺 装 防排水进 行 了较 0 为深入体系的研究 ， 专 门针对 于水泥混凝 土桥面铺 装防水材料的选择及设计形成 了完善体 系的设计 、 评价方法及试验标准 ， 制定 了专 门的日本道桥 防 水便览， 其水泥混凝土桥面铺装 防水材料选 择设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 龙劭一 ： 水 泥混凝 土桥面铺装 长效防水粘结体 系 M MA性能研究 2 9 3 计与我国的设计方法有较大的区别 ， 其先进性主要 体现在 ， 在 日本对 于防水材料的设计是属于实时跟 踪依据施工成型好的水泥混凝土桥面板的状况 ， 结 合现场施工作业面交叉及现场环境气 候状况 为依 据 ， 进行 防水层的“ 实时跟踪” 设计 。在一个实体工 程中 ， 针对不同施工环境条件、 水泥混凝土作业面情 况、 现场施工情况的不 同， 所设计选材的防水材料也 针对 性 的应 用选 材 。 其次 ， 对 于防水材料 的试验 比选 ， 有两部分 组 成 ： 防水材料基本试验 、 追加试验。所有应用于公路 工程水泥混凝土桥面铺装防水材料必须通过基本试 验 ， 通 过 基 本 试 验 是 防 水 材 料 应 用 于 工 程 的 “ 门 槛” ， 基本试 验包括 6项试 验： 防水性试验、 低 温弯 曲试验、 拉拔试验、 浸水拉拔试验、 剪切试验、 耐盐性 试验 。 追加试验是根据现场环境情况以及是否出现作 业 面交 叉情 况 ， 选 择 性进 行 试 验 验 证 。追 加 试 验 主 要包括 6项试验 ： 抗膨胀性试验 、剥落负荷试验、 局 部变形性试验、 车辙负荷试验 、 疲劳开裂负荷试验 、 剪切疲劳试验。按照设计 条件 ， 尤其是在施工条件 严格的情况等 ， 必须要求要有性能较高的桥面防水 层时， 最好追加一部分校对试验或全部校对试验。 桥面防水层 的比选 ： 在桥面防水层的候补选定 里 ， 根据基本校对试验( 根据设计条件里 的 追 加试验 的一部分或全部) 确认其满足要求的性能。 同时， 备齐施工管理要领等的要点类型。 最合适 的桥面防水层的选定 ： 在有较多桥面防 水层的候补时 ， 以桥面防水层选定的标准 以及性能 校对结果为基础 ， 应优先选定符合要求性能的优质 桥面防水层， 根据其试验结果等， 选择拥有必要性能 的高品质防水层 。 本文仅针对基丙烯酸 甲酯 MMA防水粘结体系 P r o c o 、 S B S改 性 沥 青 碎 石 封 层 、 改 性 乳 化 沥青 3种 防水粘结材料进行基本性能检测 ， 必选确认其 可用 性 ， 划定适用于高速公路水泥混凝土桥面防水材料 的类型 ， 供实体工程选用提供理论依据。后续再根 据划定的防水材料类 型， 结合施工现场 的实际情况 ( 气候环境、 桥面板状况、 施工交叉情况) 选择性进 行追 加试 验 ， 最 终 认 定 选 用 防 水材 料 的类 型。见 表 1 。 表 1 日本在不 同位置 防水层选定的标准 T a b l e 1 J a p a n s t a n d a r d s o f s e l e c t e d w a t e r p r o o f l a y e r i n d i f f e r e n t p o s i t i o n 3 防水粘 结材 料基本试 验研究 3 1 防 水 性 试 验 防水性试验主要用于检验确认防水材料的最基 本的防水性能。试验温度采用 ( 2 3 2 ) o C， 试验压 力采 用 0 1 MP a 。测量 3 m i n和 3 3 m i n后 的渗水 量 ， 精确到 0 1 mL 。甲基丙烯酸 甲酯 MMA防水 粘 结体系 P r o c o 、 S B S改性 沥青 碎石封层 、 改性乳化 沥 青 3种防水粘结材料防水性检验试验结果见表 2所 示 。 防水材料的防水性能是防水层应具备的最基本 的性 能 。P r o c o 、 S B S改性 沥青 防 水 层 由于 成 膜 厚度 较厚 ， 防水试验基本无渗水。改性乳化沥青 由于成 膜厚度较薄 ， 仅为 0 2 mm左右， 其防水性能不能得 到完全保证。 3 2低 温 弯曲试 验 在寒冷地 区， 防水材料低温抗开裂性能 的好坏 直接关系到其耐久性 ， 冬季气温骤降会使防水粘结 材料的抗拉伸性 能降低， 收缩变形 过大发生脆裂。 为此 ， 防水粘结材料必须满足一定的低温抗变形 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 4 公路工程 3 9卷 表 2 防水性试验结果 Ta b l e 2 Th e e x p e r i me nt a l r e s u l t s a b o ut wa t e r p r o o fin g p e r - f o r ma nc e 防水材料 试验结果 ( 0 1 m L ) P r o c o S B S改性沥青 改性乳化 沥青 O 0 5 状 态描述 防水性 能评价 完全无渗水、 防水膜完好 完全无渗水、 防水膜完好 基本无渗水、 防水膜有穿透现象 优 优 良 力。甲基 丙烯 酸 甲酯 MMA防水 粘 结体 系 P r o e o 、 S B S改性沥青碎石封层、 改性乳化沥青 3种防水 粘 结材料低温弯曲检验试验结果见表 3所示。 表 3 低温韧性试验 结果 Ta b l e 3 Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s a b o ut t o ug h n e s s un d e r l o w t e m p e r a t ur e 防水材料 的低温性能是防水层应具备的最基本 的性能之一。P r o e o由于是完全活化反应性树脂 材 料 ， 其感温性能较低 ， 在温度发生变化时 ， 其模量变 化不大 ， 所以其低 温抗裂性 能 由于 S B S改性沥青 、 改性乳化沥青等沥青类感温性材料。 3 3拉 拔试 验及 浸水拉 拔试 验 几乎所有的防水粘结层在高温下 ， 都会变软 ， 其 粘结强度会大幅降低。拉拔试验是考察防水粘结层 在高温下， 其粘结性能 ， 评价其高温抗剪切能力。甲 基丙烯酸甲酯 MMA防水粘结体系 P r o c o 、 S B S改性 沥青碎石封层 、 改性乳化 沥青 3种防水粘结材料高 温拉拔试验结果见表 4所示 。 表 4拉拔试 验结果 Ta b l e 4 Th e e x p e r i me n t a l r e s ul t s a b o ut pu l l i ng a nd dr a wi ng P r o c o由于是完全活化反应性树脂材料， 其感温 性能较低 ， 在温度升高时 ， 其粘结强度下降幅度远小 于沥青类感温性材料 ， 所 以其高温抗剪切性能远远 优于 S B S改性沥青、 改性乳化沥青等沥青类感温性 材料 。 3 4剪切试 验 桥面防水粘结层施工完毕后 ， 在其上进行至少 两层的沥青混合料摊铺碾 压施工 ， 在施工过程中运 料车、 摊铺机履带以及碾压过程对于防水层 的刺破 损伤以及揉搓作用会造成防水层的损伤。因此 ， 采 用铺装体系剪切试验， 综合评价防水层经过以上作 用的抗剪切性能。甲基丙烯酸甲酯 MMA防水 粘结 体系 P r o c o 、 S B S改性沥青碎石封层 、 改性乳化沥青 3 种防水粘结材料剪切试验结果见表 5所示。 表 5剪切试验结果 Ta b l e 5 Th e e x p e r i me n t a l r es u l t s a bo u t c ut t i ng P r o c o由于是完全活化反应性树脂材料 ， 其完成 反应后防水膜成膜厚度到达 2 l l fl m， 能较好的抵抗施 工过程中的刺破损伤， 同时其感温性能较低 ， 在温度 升高时， 其抗剪切强度下降幅度远小于沥青类 感温 性材料。同时 ， S B S改性沥青、 改性乳化沥青等沥青 类感温性材料 ， 在铺装上面层摊铺碾压过程 中会在 高温下变软融化 ， 上层沥青混合料嵌入沥青类防水 层中， 损坏其防水粘结膜的完整性 ， 造成防水性能及 抗剪切性能降低。 3 5耐 盐性 试验 在一些特殊环境下 ， 防水层会遭遇酸性、 碱性介 质的侵蚀 ， 而一般的柔性 防水粘结材料多为有机类 或高分子材料 ， 其化学成分复杂 ， 有可能会在酸性 、 碱性介质作用下造成其性能衰减。因此 ， 有必要对 防水粘结层的抗酸、 碱性进行监测确认。甲基丙烯 酸甲酯 MMA防水粘结体系 P r o e o 、 S B S改性沥青碎 石 封层 、 改性 乳化 沥 青 3种 防水 粘 结材 料 剪 切 试 验 结果见表 6所示。 表 6剪切试验结果 Ta b l e 6 Th e e x pe r i me nt a l r e s u l t s a bo ut c ut t i n g 防水材料 1 硫酸溶 液 P r o c o S B S改性 沥青 改性乳 化沥青 表面完 好、 无脱落无起泡 表面较完好 ， 局部起泡 表面较完好， 局部起 泡 1 氢氧化钠溶液 防水性 能评价 表面完好 、 无脱落无 起泡 表面较完好 ， 局部起泡 表面较完好 ， 局部起泡 优 良 良 本项 目研究开发的反应性树脂材料 甲基丙 烯酸树脂 MMA主要 由反应性树脂 单体、 功能性树 脂 、 催化剂以及填料和助剂等组成， 材料产品由双组 份或三组分构成 ， 材料按要求混合后通过催化剂引 发， 产生交联反应 ， 从而形成不溶不熔的 固态涂膜 ， ( 下转 第 3 0 2页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 2 公路工程 3 9卷 籁 1 j 5 丑 j翻 i 图 5 地 区洪峰流量模 比系数适线分析 Fi g ur e 5 Mo du l u s c o e f fic i e n t c u r v e - fit a n a l y s i s f o r a r e a p e a k di s c ha r g e 表 3 地 区洪峰流量模 比系数 值计算成果表 T a bl e 3 Th e c a l c u l a t e d r e s u l t s for v a l u e o f a r e a p e a k d i s - c h a r g e mo du l u s c o e f fic i e nt 4 4 4 3 68 3 1 3 2 7 O 2 Ol 1 3 6 l 2 3 3 3 5 l O 2 0 运用于调查得到的历史洪水推算出不同频率下 设计洪峰流量 ， 计算公式如下 ： Q p=( K P K d ) Q d 式 中： Q 。 为设计洪峰流量 ， m s ； K 。 为设计洪峰流量 模 比系数 ；K d 为调查洪水洪峰流量模 比系数 ；Q d 为 调查洪水洪峰流量， m s 。 两种方法可互相印证 ， 以确定计算的准确性。 3 结束语 铁路桥涵水文工作是铁路桥涵工程设置的基础 工作， 通过水文分析指导铁路桥涵排洪工程的布设 ， 做到节约投资， 把洪水灾害的程度降到最低， 防患于 未然， 确保铁路运输的安全和畅通。 参考文献 1 T B 1 0 0 1 7 -9 9 ， 铁路工程水文勘测设 计规范 S 2 张磊 新疆水文分 区与设 计流量经 验公 式研究 D 长 沙： 长 沙理 工大学 。 2 0 0 9 3 铁道 第一 勘察 设计 院 壹 桥 8 2 2 3桥 涵水 文手 册 Z 兰州 ， l 9 8 7 4 李 良杰 桥梁洪 水设计 流量分 析与计算 J 公路 工程 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 7 8 5 铁道第三勘测设 计院 铁路 工程 设计 手册桥 渡 水文 M 北 京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 3 6 高冬光 公路桥涵设计手册桥位设 计( 第二 版) M 北 京： 人 民交通 出版社 ， 2 0 1 1 7 新疆公路勘察设计 院 大中桥渡 设计洪 水流量参 数编 制说 明 Z 1 9 7 9 8 阿依努尔 孜牙别克 新疆塔城地 区河流水 文特性 J 水文 2 0 0 3( 1 ) ： 5 4 5 6 9 阿依 努尔 孜 牙别 克 白杨 河流 域 水文 要素 变 化特 征分 析 J 水资源研究 ， 2 0 1 0( 3 ) ： 1 8一l 9、 2 3 1 O 陈洪涛 ， 汤英 新疆塔城地 区近 5 5年降水变化 特征分析 J 水资源与水工程学报 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 6 5 6 9 1 1 阿依夏 ， 辛俊 额敏河流域水文特性 J 水文 2 0 0 2 ( 2) ： 5 1 5 3 1 2 杨正华 E X C E L在皮尔逊 型曲线 中的应 用 J 四川 建筑 2 O 1 0 ( 2 ) ： 8 4 8 5 ( 上接第 2 9 4页) 其 2 m m防水膜反应后 自身材料耐腐蚀及抗老化性 能 良好 ， 成膜完整、 整体性强， 能完全封闭酸性、 碱性 介质的进入， 很好的保护桥面板不被酸性、 碱性介质 侵蚀 ， 真正实现防水层对于桥梁结构的长效保护。 4结论及建议 课题采用日本道桥 防水便览中的基本试验 方法对组 自主开发 的长效桥面防水材料 P r o c o 、 S B S 改性沥青碎石封层 、 改性乳化沥青 3种 防水粘结材 料料进行基本性能检测 ， 根据试验结果 ， 可以得出以 下结 论 ： 甲基丙烯酸树脂 MMA防水粘结体系， P r o c o 具有其他材料不可比拟的韧性、 耐热性及结合强度 ， 并且具有在高温下依然优良的抗剪强度以及抵抗重 载交通下的剪切推移作用。其双层基于活性 甲基丙 烯酸树脂防水膜成膜厚度 可达 2 m m， 其耐候性优 良， 能完全实现对于水泥混凝 土桥梁真正意义 的长 效保护 。 加强在建设时对防水 体系长效保 护桥面板 和桥梁主梁结构的重视程度 ， 提高我 国桥面铺装 的 整体运营水平。 参考文献 1 王宏畅 ， 茅建校 ， 陈旭东 沥青路 面表面纵 、 横 向疲 劳裂缝 扩展 研究 J 森林 工程 ， 2 0 1 2 ( 2 ) 2 李丹 ， 余健 ， 章登精 南京地区环氧沥青混凝土钢 桥面铺装病 害分析及养护措施 J 森林工程 ， 2 0 1 2 ( 5 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m