2024-01-16
 
钢桥面铺装浇筑式沥青防水粘结层分析与探讨
2024年01月16日   阅读量:121880

摘 要

浇筑式沥青方案在国内大跨径钢桥面铺装中得到越来越多的采用,但往往会在数种浇筑式沥青方案及防水粘结层方案之间举棋不定。同时防水粘结层失效亦是导致桥面铺装破坏的重要因素,造成了极大的经济损失和不良社会影响。合理的防水粘结层方案是钢桥面铺装成功与否的关键,因此对钢桥面铺装防水粘结层的研究具有重要的理论意义和实用价值沥青网sinoasphalt.com


关键词 钢桥面铺装 | 浇筑式 | 防水 | 粘结层 | 质量控制


0、引言


钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上,保护钢板并提供满足汽车行驶要求的路面表面功能,与钢桥面结构共同承重的单层或双层的承重构造物,一般由防锈层、防水粘结层、沥青混凝土铺装层等构成。粘结层是钢桥面铺装的重要组成部分,它将铺装层与钢桥面板粘结成一个整体,充分发挥铺装层与钢桥面板的复合作用,改善钢桥面板与铺装层之间的受力状况,增加铺装的疲劳抵抗性能。


鉴于目前国内外许多大跨径钢桥面铺装都存在由于防水粘结层而导致的破坏,造成了极大的经济损失和不良的社会影响,因此在当前我国大跨径钢桥建设快速发展的背景下,研发或寻找到适合我国钢桥面铺装浇筑式沥青防水粘结层很有必要,且十分紧迫。


欧洲与日本钢桥面铺装浇筑式沥青防水层设计理念相差很大,代表了东西方浇筑式沥青防水层的两种最常用的方案,也是目前国内钢桥面铺装浇筑式沥青采用何种防水层方案的纠结之处。日本认为浇筑式沥青几乎没有孔隙率的特性,本身就是天然的防水层,因此无须另外设置防水层,仅设置粘结层确保钢板与沥青混凝土之间的粘结即可,并将此设为国家规范指导执行;相反欧洲防水层设计理念则显得更为保守,从底漆到双层防水层、再到粘结层都十分重视。本文对欧洲与日本钢桥面铺装浇筑式沥青常用防水粘结层进行探讨。


1、钢桥面防水粘结层的要求


(1)致密不透水。在桥面所遇到的所有情况下都应该是不透水的,包括交通荷载作用下面层结构内孔隙水造成的瞬间高压。面层、主梁、防水粘结层上的接缝处需特别关注。


(2)良好的适应变形能力。能够吸收铺装层和钢板之间的部分相对位移,减少铺装层的内应力。


(3)很高的粘结强度,并且在桥面温度变化范围内保持稳定。保证在面层传来的各种外荷载应力下(包括水平剪力和垂直应力)铺装与钢桥面板不会脱离,在桥面板所有的可能温度范围内保持力学性能稳定。


(4)与其他材料的协调性。在钢桥面板与混合料之间的防水粘结层与上下的协调配合性很重要,不仅在力学性能,同时表现在物理、化学性能的协调上。尤其是在施工过程中受到高温碾压骨料的作用下,仍应具有上述优越的协调性能。


(5)施工操作性。野外现场施工,很薄的防水粘结层在桥面板上大面积洒布,此时施工简单、方便、自动化程度高、劳动强度低的材料广受欢迎,施工时应尽可能少地出现气泡、针孔、龟裂等现象。同时材料应无污染,在正常机械设备施工下不被破坏。另外应能适应较宽范围的施工温度,不太复杂的施工工艺,便于一般技术人员操作。


(6)耐久性。防水粘结层材料多为有机材料或高分子改性沥青,有机物的最大缺点是容易老化,在风雨、光、热、微生物和氧气综合作用下,材料会发生以过氧基为中间体的反应。老化后的材料会丧失弹性、韧性、强度等一些原先的优良性能,甚至会出现降低与其他层次材料的粘结能力,最终导致铺装层破坏。


2、欧洲防水粘结层体系


所有钢桥面铺装系统中欧洲的钢桥面铺装种类最多,其对防水粘结层体系的完善也非常重视,主要包括:(1)两层反应性树脂防水层,上面再用沥青类粘结剂;(2)一层反应性树脂防水层上洒布改性沥青粘层(沥青防水层与反应性树脂防水层的结合);(3)沥青类防水粘结层(洒布改性沥青);(4)反应性树脂防水层上撒上小碎石(未固化前),在其上洒布改性沥青,形成缓冲层。目前欧洲防水粘结体系多采用甲基丙烯酸甲酯树脂MMA,主要用于钢桥面及水泥混凝土桥面的防水粘结。该防水系统由底漆、两层MMA高性能防水膜和粘合层组成,对基层水分及氯离子腐蚀起防护作用,迅速固化后,形成坚韧、柔性、无缝的防护膜。该产品施工工艺易于控制,是桥面防水粘结的高端产品。该类产品曾成功应用于土耳其博斯普鲁斯海峡大桥、香港青马大桥、香港昂船洲大桥、香港西部通道、重庆菜园坝长江大桥等。


MMA包含了底漆,应用于封闭混凝土、水泥砂浆及钢材(包括电镀钢材)和其它金属表面,加强Eliminator高性能防水膜和基体表面之间的黏合,具有抗腐蚀性。高性能防水膜的主要功能是防护混凝土及钢材结构,迅速固化后形成坚韧、柔性、无缝的防水膜,使用特制无气喷涂工具来量度、拌和和喷涂。其中粘结层应用于高性能防水膜上,使膜和沥青面层粘接在一起,为防水粘结层与表面层之间提供最佳粘合。

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3、日本防水粘结层体系


日本引进德国浇注式沥青铺装技术后,并没有完全照搬,而是结合本国气候环境条件及早期遇到的问题和困难,以本四联络桥为平台,集全国优秀专家成立了钢桥面铺装技术委员会,通过对全国311座钢桥面铺装的调查分析和对本四联络桥进行持续数十年的潜心研究,在掌握钢桥面铺装中存在问题的基础上,通过消化吸收和持续改进,形成了独具特色的钢桥面铺装标准体系。如以浇注式沥青下面层替代防水层,取消钢桥面板现场涂装,提高防锈等级,强化材料适应性和耐久性研究等,使得日本钢桥面铺装技术稳步发展。


日本防水粘结层根据混合料种类,桥面板,防水层等来选择粘结层材料。主要种类包括沥青乳剂系列,沥青橡胶系列,橡胶系列,硬化树脂系列(环氧、尿烷系列)。使用改性沥青密级配混凝土作为下面层时,仍需设置防水层。防水层一般用改性沥青卷材,包括薄膜型防水材料和涂膜型防水材料。在日本,下面层使用SMA也不设置防水层,认为SMA混合料也有良好的密水性。日本钢桥面铺装方案现主要采用浇筑式沥青混凝土上面铺筑改性沥青混凝土。由于浇筑式沥青混凝土孔隙率很小,具有良好的密水性,因而未设防水层,仅在钢板喷砂除锈后涂布沥青和热可塑性高分子材料为主要材料的溶剂型粘结材料作为粘结剂。现已成功应用于南京长江第四大桥,其余大多为日本桥梁包括日本本州四国联络桥、横滨东京湾大桥、东京湾门大桥、东京湾虹大桥等。

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4、防水粘结体系综合分析


日本钢桥面铺装抛丸除锈后直接滚涂防水粘结层,而MMA防水体系首先涂布防腐底漆。钢桥面铺装抛丸除锈后提供的粗糙面,保证了钢板与防腐底漆之间良好的粘结强度约5.0MPa,而之后防水层及与浇筑式之间的粘结强度则与桥面粗糙面已无关,仅依靠防腐底漆与防水层之间的粘结强度,约0.9~2.0MPa,而前者之间的粘结强度则远大于后者(如表3),防水体系的成败控制点仍在防水层与粘结层之间的0.9MPa,如此利用辛苦抛丸除锈出来的粗糙面是否可惜。而防水粘结层一体的日本,钢板粗糙面则直接与防水层及粘结层粘结在一起,粘结层以下的粘结强度基本都可以保证5.0MPa以上。同时若未涂布防腐底漆防水体系成立且钢桥面未发生锈蚀,则防腐底漆在钢桥面铺装的必要性有待考究。

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日本的浇筑式沥青与欧洲的浇筑式沥青从结构体系上区别不大,但防水粘结层与欧洲观念相差甚远。欧洲浇筑式防水粘结层采用两层防水层及一层粘结层,而日本为一层且防水、粘结功能两用。是否防水粘结层层数越多越保险,如果从概率的角度来看,假设在一定的时间内某一单层的粘结失效概率在8%,则单层的成功概率为92%。如果此防水体系有三层,则该体系成功的概率(92%)3为77.86%;若此防水体系只有一层,则成功概率为92%。因此防水体系的成功不仅在于防水层层数的多少,更在于粘结强度的保证。同时经现场观摩沥青溶剂型粘结剂脱离后再粘结性能对比试验,展示了沥青溶剂型粘结剂的分离后再粘结性能比树脂类要优越很多。


防水粘结层MMA的主要优点有:经喷涂完全凝结后形成高强度弹性膜,抗刺破能力强;与基底及铺装层粘结性能优异;各涂层间粘附力强;能抵抗铺装面层高达250℃的高温;抗氯离子渗入,耐腐蚀性优越;可根据客户需求,提供最适合的涂层材料;能在低温下迅速固化,适合各地全年施工等。


目前日本式粘结层体系在日本成功应用业绩较多,日本之外知名的应用业绩则较少。日本粘结层仅涂布一层用以保证钢桥面长期交通负荷状态下,发生的水分子迁移、桥面干湿循环、动荷载持续作用、剪力作用、抵抗氯离子和其他化学物的侵害,更甚至在中国特色的严重超载下常常难以让用户放心。其在25℃条件下在钢桥面板与浇筑式混凝土之间提供一个良好的粘结强度,其物理粘结能力会随着温度而变化,且会随着温度的上升而软化,尤其在夏季温度持续攀升的情况下粘结强度会降低,由此将会提高路面的养护维修成本及损害机会。在施工过程中,粘结层滚涂之后很容易粘结在过往施工车辆的车轮下,导致在浇筑沥青前污染,及破坏粘结层的厚度及粘结功能,然而MMA则在防水体系每一层达到凝固时间和强度后才可允许施工车辆驶入,不会产生上述问题。


日本式粘结层在涂布施工过程中的质量控制参数较少,MMA施工过程中的质量控制参数则很多,包括厚度控制、凝固时间控制、破坏点检测等。MMA防水粘结体系希望通过施工过程中的质量保证与控制措施、多座桥的施工经验及严格的现场监督去降低体系每一层的失效风险,以期提升其整体的体系可靠概率。


浇筑式沥青方案下的MMA防水体系设计通常被认为太保守,因桥面铺装的破坏成因不仅仅是因为防水失效或粘结作用失效,从造价的角度,MMA防水体系造价近400元/m2,然而日本式防水体系每m2价格仅为其三分之一,大大节省了造价。钢桥面铺装使用寿命往往设计为15年,日本式粘结层通常在大修阶段需要重新涂布,然而MMA体系则仅需要铲除上层浇筑式沥青,其使用寿命还可以延长。因此选用何种方案还应当从全寿命周期角度来充分论证选用。


5、结语


我国自上世纪九十年代开始进行钢桥面铺装技术的探索和实践,迄今已近20年。期间,对引进国外钢桥面铺装技术进行了积极的尝试。


从早期的江阴大桥直接引用英国MA体系开始至今,欧洲浇筑沥青、美国环氧沥青铺装、日本环氧和日本浇筑等几乎在国外成功的铺装技术无一例外得以引进,但遗憾的是,无论原汁原味的洋方案还是结合本土的改良方案乃至土生土长的本国方案,实践效果不尽理想。反观日本,引进德国浇筑式技术却能一次性成功,得益于日本以国家层面牵头组织全国之力依托重点工程开展长期系统的研究,并建立了专业的研究机构和庞大齐全的试验检测设备,这值得我们深思与借鉴。

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