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混凝土橋橋面系構造缺陷與防水系統
發布時間：2014-08-09
本文論述了橋面水對混凝土橋梁的危害，論證了設置橋面防水系統的重要性，進而論述了橋面系構造必須注意的要點，并介紹部分橋梁防水實用技術及施工方法。 一、橋梁防水系統缺陷引起的病害
建造公路和城市道路，尤其是高速公路和城市快速道路，動輒幾億、十幾億元的投資，其中橋梁占總造價的10％～30％左右，要求設計使用年限比較長，至少要滿足50年以上，有些長達100年以上。因此橋梁的安全性和耐久性是非常重要的。
天津市的橋梁，防水問題一直沒有得到足夠的重視，很多人過去有一個錯誤的觀點，認為混凝土本身不怕水，鋼筋混凝土結構的橋梁無須作防水，因此，對橋面系的構造設計不太講究，甚至很粗糙。恰恰就因為橋面系構造的設計缺陷及沒有完善的防水系統，引起了很多病害，再由于交通量的增長和超載交通的影響，使橋梁過早地遭到破壞，成為危橋。
自1995年以來，天津市每年都發生橋面忽然塌陷，甚至出現空洞的嚴重病害，由于巡查及時，才沒有發生重大事故，但是也造成了很大的損失。津國公路菜園橋，由于滲水致使橋梁混凝土腐蝕酥松、脫落，鋼筋與混凝土高骨，造成該橋報廢重建。寶盧公路上水渠橋，北圍堤路馬場減河橋等，都發現板梁底部混凝土大面積脫落，鋼筋裸露。外環線張貴莊鐵路高架橋、津榆公路一號橋，由于橋面積水、滲水，致使T梁翼板混凝土酥松，在車輪作用了突然出現了2m2以上的空洞，經檢查所有邊梁翼板都有同樣病害。同時邊梁腹板外側也都有明顯的混凝土腐蝕膨脹，鋼筋銹蝕的現象。以上病害的發生，除了超載因素外，橋面系構造的不合理和沒有橋面防水層是主要原因，另一方面橋面水泥混凝土鋪裝太薄和鎮縫處的混凝土的質量不高，很容易遭到水的損害。首先在鉸縫處形成裂縫，造成單梁受力，水由鋪裝層向下滲漏，從鉸縫流到梁板，對混凝土產生腐蝕，削弱了梁板的承載能力，最后造成橋梁的破壞。
過去采用的伸縮縫形式基本上都是漏水的，由伸縮縫處滲漏下的水往往流到梁端，再流到帽梁，對梁端和帽梁頂部混凝土產生嚴重的腐蝕，這一現象幾乎在每一座橋上都可以見到，八里臺立交橋、解放南路立交等就是最明顯的例證。京福公路東州大橋在1999年6月27日北起第十墩T型帽梁翼板南側西部突然斷裂，主要原因就是水從伸縮縫處流到帽梁上，腐蝕了上部混凝土和鋼筋造成的。
從對公路橋梁病害調查結果來看，橋面的損壞占的比例最大，其次是邊梁外側。梁端和帽梁。下部結構則墩臺水位浮動處損害最多。
由于邊梁處欄桿和人行道設計沒有考慮到雨水的影響，致使含有橋面污物的雨水亂流，先是污染邊梁，影響美觀，繼而腐蝕混凝土，仔細觀察，到處可見這樣的痕跡。邊梁外側首先遭到破壞就是橋面雨水腐蝕造成的。附圖為水腐蝕對混凝土梁造成的破壞情況。
雨水孔的設計往往考慮欠佳，由于沒有重視雨水孔的安裝形式和質量，致使收水口周圍和孔下梁板混凝土受到嚴重的腐蝕。
橋梁墩柱等下部結構由于受到水的侵害，也必然產生損害，在水位上下浮動的部位更是嚴重。京津塘高速公路龍風新河橋在1997年就發現了墩柱被嚴重腐蝕的病害，混凝土被腐蝕厚度達10cm以上，如不及時修復，后果不堪設想。
引起橋梁破壞的原因很多，如荷載、材料質量、施工質量、突發事件等等，但橋面防水系統沒有達到使用要求，以至造成橋梁的破壞，是極其重要的原因之一，其后果將是災難性的。
二、橋梁防水系統缺陷對橋梁損害的機理分析
一般來說，水泥混凝土材料是耐水材料，在潮濕環境或水中能保持強度和穩定性，潮濕條件也是水泥混凝土材料早期強度形成和發展不可缺少的條件。但是長期處于潮濕條件下，尤其在于濕交替循環狀態下，混凝土的耐久性問題是不容樂觀的。很多橋梁墩臺，在水位浮動的部位首先被破壞就是證明。京津塘高速公路龍風新河橋墩柱的被腐蝕就是典型的例證。空氣中的水和雨水是一種成分很復雜的液體，再混入橋面的污物，常含有溶解的氣體、礦物質和有機質等，常見的有酸性物質、氧離了、氯離子、氮、碳酸氣、硫化氫及其他酸性離子，以及堿金屬和堿土金屬離子，這些酸、堿物質超過一定限度時，會侵蝕、損害橋梁的混凝土和金屬材料。
水泥混凝土在塑性期或硬化初期會因為水分蒸發造成塑性開裂。一般而言，橋面混凝土厚度小，和空氣的接觸面積大，產生塑性開裂的幾率也大。加強橋面混凝土施工中的質量管理和早期養護可以減少開裂，但難以完全消除。在以后的使用過程中，早期產生的裂縫會隨著車輛反復荷載的沖擊下逐漸擴展。如果沒有完善的防水系統，帶有腐蝕性物質的水就會滲入到混凝土中和從裂縫中流入到混凝土中去。產生堿一骨料反應以及酸堿性物質對混凝土進行腐蝕的反應。
混凝土堿一骨料反應是指來自水泥沙卜口劑和環境中的堿金屬離子與砂石等緊料中的活性組分發生化學反應，在水泥砂漿與石子的界面處生成白色凝膠物質，這種物質在潮濕環境中吸水膨脹，從而造成混凝土結構從內部開始的漲裂，甚至破壞。這種病害稱為混凝土的"癌癥"。堿一骨料反應少則幾年，多則十幾年就可以使混凝土結構喪失安全性。這種破壞具有不斷發展和不可修復性。具體表現為混凝土表面龜裂、突出、酥松，然后剝離。堿-骨料反應的發生和對混凝土的破壞需要三個條件：混凝土中的高堿性、碎石中的富含堿活性成分以及水。以前所用的水泥及外加劑均為高堿性，天津地區砂石資源含有不同程度的堿活性成分，橋梁又沒有完善的防水系統，完全具備了堿一骨料反應的必要條件，所以很多橋梁都發生這種現象。
天津地區處在沿海地帶，空氣中和雨水中都含有一定的氯鹽成分，尤其在近海地區濃度更大。又因為在冬季為消除橋面的冰凍和積雪而廣泛地應用噴灑鹽水的方法，鹽水通過不防水的伸縮縫流向墩臺，通過不防水的橋面系滲入到混凝土的縫隙里，不光引起堿-骨料反應，而且引起鹽腐蝕，加速了反應。
天津為寒冷地區，有較長的冰凍期，滲入到混凝土中的水結冰、融化，反復進行，對混凝土的裂縫不斷擴大，對結構進行漫性破壞作用。冰融的結果，加劇了堿-骨料反應和鹽腐蝕的破壞作用。
堿-骨料反應，鹽腐蝕、凍融作用是混凝土結構的三大主要破壞因素，都是因為水進入混凝土結構里面引起的。
預制梁橋的餃縫處是受力復雜、混凝土最薄弱的部位，最容易受到侵蝕，尤其近年來，超重交通的形成，過載車輛的增多，過早地造成鉸縫部位的裂縫，橋面雨水通過裂縫進一步腐蝕混凝土和鋼筋，形成單梁受力，降低承載能力直至破壞。
對于堿-骨料反應，鹽的腐蝕、冰融作用應以防止和抑制為主。減少混凝土中的堿含量是解決的辦法之一，使用低堿水泥、低堿外加劑，可以減緩，但解決不了全部問題。無論堿-骨料反應、鹽腐蝕，還是凍融作用，只要是沒有水，就可以減緩或避免，所以必須設置完善的防水系統，將混凝土與水隔離開來，使其不具備發生反應的條件，就將達到延長橋梁使用壽命的要求。
三、橋梁防水系統的設計
橋梁防水系統的設計，就是設法將水與混凝土隔離，使水不能進入混凝土本體，尤其不能進入裂縫中去。系統包括以下幾方面。
1．混凝土本身的自防水
混凝土經常接觸水的部位都要設計為防水混凝土，保證本身的密實性和防腐蝕的性能。尤其是橋面和下部結構水位浮動的部位。在混凝土中加入粉煤灰或超細粉等可以減少水泥帶入的堿量，加太鋼纖維深丙烯纖維可以對膨脹、開裂起到阻裂作用，并具有很好的抗滲能力，達到自防水的基本要求。橋面水泥混凝土的平均厚度不能小于10cm，最薄處厚度不能小于8cm，而且混凝土本身的配比設計以及澆筑質量是最重要的。橋面鋼筋網鋼筋直徑不宜小于10mm，間距不能大于150mm。很多橋梁不到十年甚至兩三年就破壞，設計橋面鋪裝的不盡合理和施工質量存在缺陷是主要原因之一。
2．橋面防水涂層
無論橋面混凝土施工質量如何好，均不能完全保證不開裂。所以橋面水泥混凝土鋪裝層上面必須設置防水層。防水層不但本身要起到防水作用，而且要求其與水泥混凝土和瀝青混凝土都有很好的親和性，附著力好。下面能牢固地與水泥混凝土表面粘結，上面與瀝青混和料牢固地粘結。否則就成為一個層問抗剪力很低的夾層，將導致橋面瀝青混凝土出現擁包、滑移，直至松散、破壞。
3．伸縮縫的防水
天津市采用了很多種橋梁伸縮縫，只有在叨年代初采用的毛勒伸縮縫不漏水，近幾年改進后的仿毛勒伸縮縫也基本不漏水，其他均漏水。所以以前修建的橋，伸縮緩下面的梁端和帽梁受水損害最嚴重。由于伸縮縫的形式及安裝質量問題，造成該部位最容易損壞。除了毛勒縫、仿毛勒縫之外，對伸縮量小于5cm的小變位伸縮縫，采用聚合物改性瀝青彈塑體填充式伸縮縫，也能成功地解決伸縮縫漏水的難題。
4．橋面雨水孔與水落管
橋面雨水孔與水落管的設置應該像屋面一樣的嚴格，但是無論設計還是施工，都容易忽略。常見的問題主要表現在下面幾點：收水口小，不能及時將水泄走；收水口標高高于周圍標高，造成積水；收水口高出水泥混凝土表面，而且周圍混凝土不密實，造成管周圍漏水；出水管過短，發生尿檐現象。從而導致收水口周圍以及邊梁外側混凝土的破壞。
5．欄桿外測與人行道的構造
欄桿外側應設計為光滑的表面，底面設有止水槽，雨水能很快地順外側流向地面，而不應再流向邊梁。設有人行道的橋梁，人行道的防水也不能忽視，防止雨水滲流到主梁。但有些設計忽略了這一點，雨水從人行道縫隙滲漏，沿外側漫流，從而造成邊梁翼板及外側的污染和腐蝕，所以邊梁外側首先破壞。
6．梁端和帽梁的防水
由于伸縮縫很難保證完全不漏水，而伸縮縫的漏水對梁端和帽梁的損害又非常嚴重，所以，對梁端和帽梁頂部也要進行防水處理。
四、橋面鋪裝防水的主要方注
目前國內尚缺乏系列化的專用橋面防水材料，更沒有嚴格規定評定橋面防水材料性能的技術標準和方法。因此，優選、確定防水材料顯得尤其重要。天津地區市政、公路工程中的橋梁也一直沒有定型。一是價格太高，二是與瀝青混和料的親和性太差。直到1998年初金剛橋和寧車沽等橋面損壞才引起重視，重新研究引用經濟實用的防水材料，在唐津高速和疏港公路等橋上應用。
1．天津使用過的幾種防水材料的性能：
（1）聚氨酯彈性防水涂料。以聚氨脂為主體配合其他材料，有甲、乙兩種組合而成，固化后形成富有彈性的橡膠狀防水層。其優點：耐高溫、本身防水性能好，耐老化性能好；缺點：對基層干燥度要求高、與瀝青混和料的親和性差，易出現層間分離，使瀝青鋪裝脫落，而且造價高。無論從效果方面還是成本方面都不可取。
（2）環氧膠乳防水涂料。為環氧樹脂乳液和氯丁膠乳的混和體。優點：與水泥混凝土的親和性好，有延展性，造價適中。缺點：與瀝青混和料的親和性差，易出現瀝青混凝土的擁包、脫落。因為其半透明老L白色，可以用作邊梁外側的涂層以及下部結構的防水涂層。
（3）陽離子氯丁膠乳瀝青防水涂料。主要成分為氯丁膠乳、石油瀝青和水以及配套材料。對基層的干燥度要求低，能適應氣溫較低季節施工，雨季施工必須在施工后10h之內無雨，否則應補涂。目前這種材料耐高溫性能稍差，對水泥混凝土面層的附著力不夠穩定，而且完全人工操作，占用工期時間較長。
（4）聚合物瀝青橋面防水涂料。該產品以復合離子型乳化瀝青、橡膠、樹脂改性劑為主要原料構成的單組分水乳型防水涂料。其特點：與水泥混凝土及瀝青混合料表面粘結均非常牢固，耐高低溫，160℃高溫不流淌，不起泡、不滑動，－20℃不開裂，在熱瀝青混合料攤鋪后，可以軟化與其粘結，粘結強度高，耐久性能好，冷施工、使?quot;高速噴霧機"機械噴涂、操作安全簡便、施工速度快，成膜時間快，lh可以表干，12h后可以進行鋪筑瀝青混凝土，最能適應快速施工，價格比其他品種部便宜。
（5）PC橡膠防水卷材防水層。該產品可以做成lmm以下薄膜，用本身液體涂料粘結到基面上。具有較好的粘結強度，即可以自粘又能與混凝土表面進行粘結，還能與瀝青混合科牢固地粘結。其低溫性能尤其好，在一40℃溫度下1h繞φ10mm金屬絲對折無裂紋。施工速度快，lh以后即可放行。目前此種材料還沒有大量地使用，積累資料不多。
其他還有很多種防水涂料，目前應用不多，不再贅述。
2．防水涂料的施工要點
（l）涂料對水泥混凝土鋪裝要求必須達到強度指標，牢固。密實，任何防水材料都必須涂在合格的基層上，表面必須平整、粗糙，不能有鋼筋等尖銳突出物，并且無垃圾、元浮灰、無松散、無漿皮、無污染，乳液類型的涂料，可以用水沖洗后施工，表面基本干燥、無積水就可，濕度大的部位可用強力吹風機或空氣壓縮機吹于。
（2）防水涂料本身的性能是關鍵，必須保證在瀝青混和料和水泥混凝土之間起到牢固的粘結作用，材料本身必須滿足在160℃高溫下不流淌的要求。所以必須選擇優質的防水材料。
（3）乳液性質的防水涂料，高溫天氣應避開中午施工，以避免形成氣泡，一旦形成氣泡，立即進行處理，趕平后不影響粘結力。
（4）收水口部位及陰陽角處應作特殊處理。
（5）在防水層沒完全干透之前，禁止行火車輛通行。在攤鋪瀝青混和料時，應及時檢查被損壞的部位并立即修補。
3．橋面防水涂層的質量要求及控制
涂料的基本要求是"牢、薄、透、勻"。防水層不但本身能防水，還要有延展性，當基面產生微小裂縫后防水層不被拉裂，而且必須與上下基面牢固地粘結，在車輛荷載作用下不產生滑移現象。所以必須非常均勻地施作一薄層，總厚不宜超過lmm。
（1）對防水材料必須進行檢驗。每一批量都應抽檢，重點抽檢其耐熱性以及粘和性，必須滿足160℃不流淌的條件。還應進行外觀檢驗，發現異常立即停止使用。
（2）對基面應進行嚴格地檢查驗收，不允許有任何不合格的地方。
（3）施作時應及時檢查有無空鼓汽泡、脫落、翹邊等現象，以便及時處理。
（4）在攤鋪瀝青混和料時，應隨時檢查有無損壞的地方，及時進行修補。
（5）瀝青混凝土施工完成冷卻后，可作行走剎車實驗，橋面鋪裝層應無脫粘起翹現象。
（6）重點檢查伸縮縫、收水口部位的質量。
五、伸縮縫部位的防水
橋梁防水的另一個重要部位是橋梁伸縮縫，必須達到牢固、延年、防水的要求。梁端的破壞，帽梁的破壞，主要原因就是伸縮縫漏水造成的，所以必須把伸縮縫的防水設計和安裝質量當作非常重要的問題對待。
為了處理好橋梁的伸縮縫，世界各國的專家們煞費苦心地在研究各種伸縮裝置，盡管伸縮縫裝置在橋梁總造價中占很少一部分，但損壞以后造成的后果是嚴重的。天津市的橋梁伸縮縫也是經過很多專家不斷研究改進，大至有以下幾種：軟質木板浸瀝青配以瀝青馬蹄脂伸縮縫，鋼板伸縮縫，梳型鋼板伸縮縫，橡膠條伸縮縫，橡膠板伸縮縫，進口毛勒伸縮縫，國產仿毛肋伸縮縫等。從調查情況看來，只有進口毛勒伸縮縫，經過近十年的使用沒有明顯損壞，能達到防水作用，近幾年改進以后的仿毛勒伸縮縫質量也基本達到了這一要求以外，其他種類都不理想：一是不延年，兩三年后，安裝質量不好的當年就發生問題；二是不防水，不但造成橋面鋪裝的損壞，而且造成梁端和帽梁的損壞。
仿毛勒伸縮縫主要是由異型鋼梁、位移控制系統、橡膠止水帶組成。其特點是受力安全，位移均勻，伸縮自由，行車平穩，防水性能好。但造價較高，維修施工工藝較為復雜，養護時間長。該裝置關鍵是安裝質量，與主體結構的鉚固必須牢固，錨固混凝土的質量要高，橡膠止水帶的本身質量和鑲嵌質量都必須保證。
目前引進推廣的彈塑體系無縫式伸縮縫對伸縮量小于scm的縫使用效果很好，造價低廉，僅是仿毛勒縫的一半左右，行車舒適，又能很好地解決防水問題。尤其是在舊橋改造時，對縫的更換非常方便，可以在不完全斷交的情況下，5小時左右即可完成。彈塑體伸縮裝置是通過彈塑體混合材料自身特殊的力學性能來適應橋梁伸縮變形。在承受瞬時荷載和高頻震動時顯示彈性，在低頻緩力的作用下顯示塑性。彈塑體材料是以聚合物改性瀝青為主的混合材料。關鍵是采用優質的彈塑體材料，材料本身的配方是保證質量的關鍵，再就是采用的工藝質量水平。
彈塑體材料本身的耐老化性能大大高于普通瀝青混凝土，當橋面瀝青鋪裝層進行維修的時候作一下修整就可以了。天津市采用的新加坡彈塑體材料最早的已經四年，沒有任何老化的跡象。
簡支梁的連續板伸縮縫從設計到施工都存在著一些問題，因此在此處很快就出現病害，損壞和漏水，應該徹底改變做法。
六、結論及建設
（1）橋梁必須設置完善的防水系統。首先是混凝土本身的自防水，保證本身的密實性和防腐蝕性能。橋面混凝土鋪裝層的質量是至關重要的，平均厚度不能小于10cm，最薄處不能小于8cm，為了減少混凝土的開裂，直在其中加太鋼纖維或聚丙烯纖維，而且對混凝土的配合比設計和澆筑質量要嚴加控制。鋼筋網鋼筋直徑不宜小于10mm，間距不能大于150m。目前，天津已經生產φ10以下冷軋帶肋鋼及焊接鋼網，更適合用作橋面鋼筋網。
（2）在保證橋面混凝土質量的基礎上，還必須設置防水層，防止水的滲透，伸縮縫必須設計選擇防水型的，帽梁頂部，邊梁外側，以及下部結構水位浮動部位都應該考慮防水問題，防止水從任何地方對混凝土侵害。只有這樣，形成完善的防水系統，才能保證橋梁的使用壽命。
（3）橋面防水涂料的關鍵是與水泥混凝土及瀝青混和料都有很好的親和性，能牢固地粘結在一起，并且能夠在瀝青混和料的高溫下，只軟化，不流淌。目前高性能的聚合物改性瀝青防水涂料可以滿足這一要求，可以廣泛采用。
（4）毛勒、仿毛勒伸縮縫是目前比較理想的伸縮縫，5cm以下小伸縮量，配合著彈塑性伸縮裝置的使用可以解決防水和延年的問題。
（5）梁端和帽梁頂部建議用普通的防水涂料進行處理，防止伸縮縫失效時漏水腐蝕混凝土。
（6）下部結構在水位浮動部位處，除了要作防腐蝕混凝土外，也要涂防水涂料。
（7）邊梁的欄桿、地伏混凝土的外側應包住翼板并設計滴水槽，防止雨水沿邊梁漫流。
（8）雨水收水口必須低于水泥混凝土鋪裝的高程，出水管應保證不尿檐。
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