桥面铺装材料与技术研究.docx
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桥面铺装材料与技术研究
西部交通建设科技项目
交通编号：
合同号：
2002-318-000-30单位编号：
CCRDI－DK－2A8
密级：
秘密分类号：
U41
桥面铺装材料与技术研究
研究报告简本
重庆交通科研设计院
重庆渝东高速公路有限公司
长安大学
东南大学
二00五年六月
西部交通建设科技项目
交通编号：
合同号：
2002-318-000-30单位编号：
CCRDI－DK－2A8
密级：
秘密分类号：
U41
桥面铺装材料与技术研究
研究报告简本
重庆交通科研设计院
重庆渝东高速公路有限公司
长安大学
东南大学
二00五年六月
中文题名
桥面铺装材料与技术研究
英文题名
ResearchonMaterialsandTechnologiesforBridgePavements
交通编号
项目来源
交通部
单位编号
CCRDI－DK－2A8
合同号
2002-318-000-30
分类号
U41
项目起止年限
2002.6～2005.7
第一完成单位
重庆交通科研设计院
密级
秘密
项目负责人
陈仕周（副研究员）
报告撰写人
陈仕周（副研究员）
韩道均（教授级高工）
项目参加人员
吴光蓉（副研究员）
王虎（副教授）
顾兴宇（讲师）
牟建波（工程师）
杜国平（高工）
唐智伦（高工）
陈辉强（助理研究员）
杜小平（高工）
李玉龙（工程师）
熊峰（工程师）
汪成夫（工程师）
胥志宏（助理研究员）
张占军（高级工程师）
阳君（工程师）
李林波（工程师）
倪富健（教授）
张华（助理研究员）
韩道均（教授级高工）
主题词
西部项目、验收
关键词
钢结构桥面铺装水泥混凝土桥面铺装
报告摘要
本课题，通过对西部地区水泥混凝土桥梁桥面铺装及我国钢桥面铺装的调查，从铺装材料、铺装结构、铺装受力（及桥梁结构）、环境气候、交通荷载、施工因素等多方面，系统分析了桥面铺装产生病害的原因，以此为基础，有针对性地深入开展了桥面铺装材料与技术研究。
提出了桥面铺装材料技术标准，铺装结构的合理形式、合理厚度和结构组合，水泥砼桥梁三角垫层（调平层）合理厚度，特殊条件下桥面铺装应采取技术措施，建议了桥面铺装施工指南，建立了桥面铺装技术经济比较分析方法。
基于西部地区气候特点进行了桥面铺装防水等级分类，结合桥梁设计等级及防水体系与铺装结构的匹配，在我国首次系统地建立了水泥混凝土桥梁桥面铺装防水体系设计方法，和典型桥面铺装方案。
针对我国钢桥面铺装早期的病害问题较严重等，提出了基于完善防水粘接体系的钢桥面铺装典型结构、材料技术标准等。
首次将聚合物改性沥青浇注式沥青混凝土、薄层环氧抗滑层等本课题开发的新技术应用于桥面铺装实体工程中。
采用本课题相关研究成果，三年来，铺筑了近20座钢桥和混凝土桥桥面铺装实体工程，总铺装面积达100万余平方米，取得了优良使用效果。
为我国桥面铺装技术进步及实际工程技术问题的解决做出了贡献，具有显著的工程实体意义和技术经济效益。
英文摘要
BasedonthecomparativeinvestigationofconcretebridgepavementsinWestChinaandsteelbridgepavementsthroughoutChina,thisreportsystematicallyanalyzedthecausesofthedistressesonbridgepavementsfromthepointsofpavingmaterials,pavementsstructures,surroundingclimates,trafficloadsandconstructionfactors.Thentheauthorwentdeeplyintothestudyofmaterialsandstructuresforbridgepaving,directlyandprofoundly.
Besidestheprovisionofstandardsforbridgepavingmaterials,idealtypesofpavementsstructures,idealthicknessandcombinedstructuresofpavements,idealthicknessofthelevelinglayerforconcretebridgeandactionstakenunderspecialsituations,thisreportalsorecommendedaconstructionmanualandestablishedtechnicalandeconomicalcomparativeanalysismethodsforbridgepavements
OnthebasisofclassifyingwaterprooflevelsofbridgepavementsinWestChinaatthestandardsofclimaticcharactersandonbondingbridgedesignlevelsandwaterproofsystemstopavementstructures,designmethodsforwaterproofsystemsofconcretebridgepavementsandtypicalpavingstructuresarefirstlyandsystematicallyintroducedtoChinainthisreport.AimingattheseverityproblemofearlydistressesonsteelbridgesinChina,typicalpavementsstructuresforsteelbridgewithperfectwaterproofsystemsandstandardsformaterialshavebeenprovidedhere.AnditisalsothefirstdeedinChinathatpolymermodifiedgussasphalt,thinepoxyresinskid-resistancelayerandsomeothernewtechniquesdevelopedinthisreporthavebeenappliedintoengineeringpractice
Inthreeyears’time,nearly20bridges,includingbothsteelbridgesandconcretebridges,werepavedastheprojectsrelatedtothereport,withatotalareaof1millionsquaremeters.Allhavebeenresultedingoodeffects.ThisreportmakesgreatcontributionstotheadvancementofbridgepavingtechnologiesinChinaandtherealizationofsolutionstotechnicalproblemsinprojects,makingremarkablesensetobothengineeringpracticeandeconomic.
项目研究报告辑要
目录
1前言1
2项目主要研究成果2
3研究技术路线3
4项目研究的关键技术6
5水泥砼桥梁桥面铺装材料与技术研究7
6钢桥桥面铺装材料与技术研究19
7实体工程实施和施工工艺研究28
8项目的经济、社会效益分析及推广应用前景29
9建议需要进一步研究的问题30
10致谢31
桥面铺装材料与技术研究
1前言
1.1概况
随着西部大开发战略计划的实施，我国西部地区公路建设事业得到了大规模发展。
桥梁作为公路建设项目中的重要组成部分，其结构的耐久性及桥面使用功能也越来越受到重视。
合理和可靠的桥面铺装体系，不仅能提供行驶性能良好而耐久的桥面，而且能作为桥面的有效防护体系，防止水份的渗透，保证桥梁结构的耐久性。
我国西部地区幅员辽阔，空间跨度大，气候分区复杂；且平原较少，山区为主，地形复杂；桥梁结构型式也多种多样，一些弯坡斜桥、高墩桥、急弯坡桥、长上下坡桥梁等也在线型设计受限时不得不采用，跨大江大河及大峡谷时，也采用了许多大跨径钢桥等等，这使得西部地区桥梁建设难度较大。
桥面铺装也因气候条件复杂多变，受力条件较复杂而具有相当难度，成为西部公路建设中不得不重点解决的突出问题。
为此，交通部结合西部公路建设，专门设立“桥面铺装材料与技术研究”（2002-2005）科研项目对此展开研究。
1.2目标和意义
在现有桥面铺装研究成果和工程应用实例基础上，进一步通过理论与试验研究，系统开展水泥混凝土桥梁桥面铺装和钢结构桥梁桥面铺装材料和技术研究，逐步完善现有桥面铺装材料及结构体系，并开发研究新的铺装技术，形成不同体系的桥面铺装成套技术。
以解决我国西部地区的混凝土桥及钢桥的桥面铺装结构、材料、施工工艺为目标，并以形成适用于我国西部不同地区气候，交通状况的桥面铺装成套技术为最终目标。
切实提高我国西部地区桥梁桥面铺装铺筑水平，延长桥面铺装使用寿命，防止早期病害的发生，取得显著技术、经济效益。
使我国的桥面铺装技术达到国际先进水平。
本研究的意义在于研究提出桥面铺装适宜结构组合和材料技术标准，解决西部建设中桥面铺装早期损坏等工程技术问题，延长桥面铺装使用寿命，有效保护桥面板及桥梁结构，延长桥梁使用寿命，同时为相关规范的制订打下坚实的基础。
2项目主要研究成果
本项目主要研究成果有以下四个方面：
1〉解决了我国钢桥面铺装脱层、推移的早期破坏病害问题，形成了钢桥面铺装典型结构，提出了关键材料技术标准。
①研究开发了钢桥面铺装反应性树脂粘接材料、溶剂型沥青橡胶粘接材料、橡胶沥青砂胶缓冲层材料，完善了双层改性沥青SMA铺装体系，并在工程实际应用中证明解决了脱层推移的早期病害问题。
②研究了聚合物改性沥青浇注式混凝土的组成与性能。
其性能全面超过德国、日本等常用浇注式砼性能（贯入度及贯入度增量指标值不变，试验温度提高了20℃等），解决了浇注式沥青混凝土对我国复杂地区气候的适应性问题。
③首次应用时程分析方法进行了桥面铺装动力分析，提出了桥面铺装力学参数的动力系数。
2〉研究并提出了基于不同地区气候和桥梁设计的桥面铺装防水等级分类，建立了砼桥梁桥面铺装结构组合体系、设计方法，形成了数种适应于不同条件的铺装典型结构和材料关键技术指标。
①采用打砂方法清理桥面，采用下封闭层及防水层的防水体系，解决了桥面铺装防水粘接问题。
②提出了砼桥桥面铺装结构设计方法，铺装各层厚度组合（含三角垫层最小厚度建议）。
③提出了桥面铺装各层材料技术要求，除规范规定以外，提出了多种防水体系材料性能指标、层间粘接力及抗剪强度指标等，形成了铺装材料技术指标（要求）体系。
④提出了特殊条件下的技术措施。
如研制开发了薄层环氧抗滑层材料以解决特殊路段桥面抗滑问题。
3〉完成了实体工程铺筑和施工工艺研究，提出了砼桥梁桥面铺装和钢桥桥面铺装施工指南。
4〉建立了桥面铺装经济效益分析方法，以采用课题研究成果处治的桥面铺装工程为实例，分析了本研究成果的社会经济效益。
3研究技术路线
不管是混凝土桥面还是钢桥面，其铺装技术问题的解决，均需结合桥面板的结构受力特点、地区气候条件及交通荷载情况等不同的铺装使用条件，开展系统的研究工作。
每一类型的铺装方案均为完整的铺装体系，应充分注意研究工作的系统性和完整性。
研究的技术路线见流程图：
（主要研究内容分类框图）
图3.1桥面铺装材料与技术研究流程图
图3.2水泥混凝土桥梁桥面铺装材料与技术研究
图3.3钢结构桥梁桥面铺装材料与技术研究
4项目研究的关键技术
1〉进行钢桥面铺装的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ体系的综合及温度应力等受力机理的分析；钢板与铺装间结合界面的受力分析。
2〉钢桥面铺装，防水粘接材料的性能及技术标准。
3〉水泥混凝土桥梁桥面铺装结构及防水粘接材料研究。
4〉浇注式沥青混凝土的材料组成、性能、设计方法及技术指标体系的建立。
5〉不同气候分区条件下铺装材料技术要求。
其中，开发钢桥面铺装防水粘接材料，解决钢桥面铺装脱层、推移的早期病害问题；依据不同地区气候条件及考虑桥梁结构设计等多方面因素提出完善砼桥梁桥面铺装防水体系、合理结构组合及材料技术要求是本研究的主要关键问题。
5水泥砼桥梁桥面铺装材料与技术研究
5.1研究技术路线
图5.1桥面铺装结构研究流程图
图5.2桥面铺装材料性能指标研究流程
5.2沥青混凝土铺装结构
1〉桥面铺装病害（桥梁结构耐久性）调查结果显示，水泥混凝土桥梁的桥面板均存在微孔和裂缝，从而为水进入桥梁结构提供了通道，并导致桥梁结构钢筋锈蚀、以及因为冻融循环引起混凝土的损坏，最终造成桥梁的耐久性降低。
2〉沥青混凝土桥面铺装的主要病害类型为坑凼，松散、剥落，占被调查桥梁总数的55.2％，且西北季节性冰冻地区的发生率明显高于西南地区。
其病害原因与沥青混凝土路面的水损坏相似，也与西北地区冬季在桥面撒除冰盐、冻融循环的破坏作用、调平层在负弯矩的作用下或因调平层过薄而损坏并引起沥青层损坏有关。
其次病害类型为车辙、推拥，占被调查桥梁总数的43.8％，不论是夏季炎热的西南还是夏季凉爽的西北，其热稳性病害均较路面严重，这主要与桥面铺装较薄、混凝土调平层刚度较大、铺装层内剪应力较大、以及桥面铺装沥青层的温度大部分高于沥青路面温度等原因有关。
裂缝病害，占桥梁调查总数的30.2％，并以桥梁结构原因所致的裂缝为主，包括伸缩缝附近刚柔交替行车荷载的冲击作用、负弯矩处的拉应力、空心板的湿接缝强度不足、箱梁横向刚度不足、腹板顶面产生较大的弯拉应力等所致的裂缝，还包括由施工原因造成的面板裂缝、拱上拉杆受力复杂桥面受力不匀、墩台沉降等原因所致的裂缝。
3〉桥面铺装结构体系及材料需有效地保护桥梁结构免遭水的侵蚀，并适应桥梁的温度变化条件、桥梁结构对铺装的动荷载条件、混凝土的多孔含水基面条件，以保证道面的稳定性、耐久性需要。
并以满足桥梁防水保护需要和提供耐久、平整、舒适、安全的行车道面为最终目的。
4〉在总厚度不变的情况下，设计水泥混凝土三角垫层宜较沥青混凝土铺装层偏薄的铺装结构，比如4:
6,5:
8形式，三角垫层最小厚度为4cm，考虑施工影响等，设计厚度宜为6～10cm。
5〉T梁在翼缘板交接处和肋板顶面、箱梁在顶面板变厚度处（肋板旁梗翼）对应位置的三角垫层、防水层、铺装层均会产生最大拉应力，从而导致这些部位的铺装体系出现损坏；另外在T梁翼缘板交接处剪应力较大,这与铺装病害调查显示的T梁湿接缝位置容易出现裂缝的结论一致。
所以要特别注意增强T梁之间的接缝处理来提高横向稳定性。
6〉偏载作用下水泥混凝土桥面铺装在支点中心或前后0.1m范围铺装层顶面产生最大弯曲拉应力，并导致铺装层出现裂缝，则与桥面铺装病害调查的支点负弯矩区易出现裂缝的结论一致。
可考虑在连续梁支点设置60cm厚度以上的端横隔板能对铺装层表面弯拉应力起到一定改善作用，60cm厚度以下反而由于应力集中现象加大了铺装层表面弯拉应力。
7〉铺装层的厚度直接影响着铺装层与防水层、防水层与混凝土桥面板之间的层间法向应力、层间剪应力的大小，并随铺装层厚度的增加而减小。
防水层厚度对防水层拉应力影响较小，而垫层和铺装层的厚度增加可降低防水层的拉应力。
8〉根据桥梁的设计安全等级和桥梁所处的气候环境条件，将桥梁对桥面的防水等级要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中Ⅰ为最高防水等级并以此类推，桥面铺装的防水结构选择将依据桥梁的防水等级要求进行；我国沥青路面施工技术规范中关于沥青路面的气候分区仍将适用于桥面铺装的沥青混凝土材料和防水层材料的选择。
9〉防水层材料在桥面防水结构体系中所贡献的防水性，与防水材料自身的防水耐久性、防水材料的施工性能、防水材料的抗裂缝能力、防水材料与基面的连接性能等多方因素有关，并且还与这些因素在桥面防水中所占的权重系数有关，考虑所有综合因素后组合成四类与防水等级相匹配的防水结构体系。
10〉桥面铺装设计方法，就是根据桥梁设计安全等级和所在的气候区，拟定的桥面铺装防水等级，确定桥面铺装防水体系，并结合我国沥青路面施工技术规范中关于沥青路面的的气候分区，确定铺装用沥青用沥青混凝土材料和防水层材料，通过对防水结构体系的抗剪强度、粘结强度试验确定铺装结构的容许剪应力和容许拉拔应力，以此为设计指标，确定铺装层厚度，并对沥青铺装层在特殊部位和负弯矩区最大拉应力，负弯矩区防水层最大拉应力进行验算，以满足沥青混凝土的容许弯拉应力和防水层的容许弯拉应力的要求；防水层合理厚度主要取决于获得最大层间抗剪、法向抗拉拔强度，并满足防水结构体系的防水性指标要求。
11〉根据代表性防水结构体系的抗剪强度和拉拔强度，得出推荐的沥青层最小值5cm。
结合沥青路面的舒适性对沥青层的厚度要求，推荐桥面铺装的沥青层典型厚度为5～12cm。
12〉卷材、涂膜、热融沥青碎石、沥青玛碲脂等防水层的厚度一般为1.2～5mm。
稀浆封层的厚度一般为5～10mm、沥青砂的厚度一般为20～25mm，并以防水结构体系获得最大层间抗力、达到体系的防水性指标所对应厚度为防水层的合理厚度。
13〉桥面铺装典型结构如下图5.3：
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
图5.3桥面铺装典型结构图
5.3水泥混凝土铺装结构
1〉水泥混凝土桥面铺装的主要病害类型为裂缝，其发生率占调查桥梁数的57％。
主要与桥面铺装的特殊受力条件如负弯矩作用和桥梁振动作用有关，并且与桥面铺装层厚度不足的不利影响有很大关系，另外沉降和伸缩缝引起的铺装层开裂也主要与桥梁结构的特殊性有关。
2〉通过对水泥混凝土铺装层温度应力及失水收缩应力分析计算，可知负温度和荷载作用下，连续梁桥支点和负弯矩区肋板顶面、T梁肋板和箱梁顶板变厚度位置（肋板旁梗翼）处拉应力最大，空心板在接缝处和T梁翼缘板交接处剪应力大，均易导致桥面铺装的裂缝。
这与水泥混凝土层桥面铺装的病害调查相一致，是桥面板及其铺装设计和施工的主要控制部位。
负弯矩部位的铺装层中配置双层钢筋，或单层配筋尽量靠近铺装层表面位置是主要措施。
3〉铺装层设接缝工作时，铺装层间剪应力、层间法向拉拔力和铺装层底面拉应力显著大于无缝工作状态，连续无缝时应力都较小。
建议采用连续铺装形式并一次摊铺成型。
4〉在简支桥桥面连续支点和前后附近设置模量较低的垫片能显著降低铺装层顶面拉应力，拉应力对垫片模量和厚度很敏感，对长度则不甚敏感，适宜采用500MPa以下30mm厚度以内稍长于两支座中心距离的垫片。
5〉水泥混凝土桥面设计中应保证铺装层合理的厚度以降低层间法向拉拔力、层间剪应力、铺装层顶面拉应力。
基于本研究分析中应力大小及随铺装厚度变化的规律，建议初步设计铺装厚度：
实心板桥8cm～10cm,空心板桥10cm～14cm，T梁、箱梁10cm～16cm，厚度过大对降低层间应力没有贡献且增加桥梁的恒重。
并从材料和施工方面都应注意增强层间粘结性能，对于路线纵坡段的桥梁,注意加强铺装层表面抗滑和耐磨性能。
6〉各种水泥混凝土铺装材料的抗裂性能相对关系为：
聚丙烯酰胺改性水泥混凝土>聚丙烯纤维网混凝土≈钢纤维混凝土>防水混凝土>普通混凝土。
具体运用可按下表选用。
表5.1水泥混凝土铺装材料及其适用性
序号
铺装结构体系组成
防水效果
所适用的防水等级
1
聚合物水泥混凝土+粘结层＋调平层
优
适于Ⅰ级防水的桥梁
2
合成纤维混凝土+粘结层＋调平层
良
适于Ⅱ级防水的桥梁
3
钢纤维混凝土＋粘结层+调平层
适于非冰冻区Ⅱ级防水的桥粱
4
防水混凝土+粘结层＋调平层
中
适于Ⅲ级防水的桥梁
5
普通混凝土+粘结层＋调平层
次
适于Ⅳ级防水的桥梁
5.4桥面铺装的防排水体系
1〉公路桥梁防排水体系的研究，应从整体性、主动性防排水加以解决。
要充分分析桥梁类型、结构、等级以及所处环境进行桥面铺装的防排水设计与施工。
2〉对公路桥梁桥面铺装表面排水的设计需要从桥梁所处公路的等级、车辆限制速度、地区雨量、安全性水膜深度要求、桥梁结构设计尺寸和铺装结构水力糙度等各个方面着手，进行验算与分析来选择铺装材料和设计桥梁排水系统设施结构尺寸。
对桥面铺装一些诸如伸缩缝、防水层、排水孔等特殊防水部位，要进行专门的防排水设计。
5.5桥面铺装用水泥混凝土材料技术标准
总结已有施工经验，参照相关技术规范和研究成果，提出纤维增强混凝土桥面铺装材料技术要求，聚合物改性混凝土桥面铺装材料技术要求。
5.6桥面铺装防水层材料技术标准
1〉卷材和涂膜防水材料高温性能以不同条件下的最低发粘温度、铺筑沥青混合料过程中防水层的顶峰温度大于材料的最低流淌温度为主要指标如下表：
表5.2卷材和涂膜防水材料的高温性能指标
气候区
平均最高气温>30℃
最高气温20℃～30℃
最高气温<20℃
5h不发粘温度（℃）
≥80
≥70
≥60
耐热度℃
普通沥青混凝土
100~140
改性沥青混凝土
≥150
100~140℃
浇注式沥青混凝土
≥150
2〉参照我国沥青材料路用性能的气候分区，卷材和涂膜防水层材料的低温性能采用低温柔度指标评价如下表：
表5.3不同气候区的卷材和涂膜防水材料低温柔度指标（试验温度）
气候区
年极端最低气温
沥青面层厚度（cm）
5
10
冬严寒区
＜-37.0℃
＜-30
＜-25
冬寒区
-37.0℃～-21.5℃
-30
-25
冬冷区
-21.5℃～-9.0℃
-15
-10
冬温区
＞-9.0℃
-10
-5
3〉防水卷材的抗拉伸性能指标用防水材料的纵、横向最大拉力和破断伸长率表征，涂膜的拉伸性能以材料的伸长量表征，如下表：
表5.4防水卷材和涂膜的其它性能指标
指标
卷材
纵、横向最大拉力
≥400N
纵、横向伸长率
≥2％
涂膜
20℃拉伸性
5.5cm
吸水率指标
≤7％
抗施工机械损伤
线压力300N/cm的轮碾，运行160次
不破损
60℃，0.7Mpa，碾压200次
抗热集料刺破损伤
140℃铺筑AC－20并呈型碾压
中等数量，颜色较浅，比较分散的黑斑（10－20处）或更好
4〉防水卷材和涂膜的的厚度大小与抗损伤能力密切相关，防水层厚度不足是抗施工损伤能力低的主要原因之一，应根据抗施工损伤性能的高低来确定卷材和涂膜防水层的最小厚
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