基于創新理念念的城市橋梁梁橋面防水技技術北京市市政工工程設計研究究總院穆祥純副院院長教授級級高工摘要摘要本文從基于創創新理念出發發，論述了21世紀的前十年中，我國國城市橋梁建建設領域在城城市橋梁橋面面防水技術的科技技研發、工程程實踐和創新新發展的相關關情況，并對該領領域的發展前前景作出了展展望，以期進進一步引起人們對對該領域的高高度關注，以以推動我國向向世界橋梁建設強強國的目標邁邁進。引言20世紀80年代以來，城城市建設蓬勃勃發展，建設設了一大批城城市橋梁，經經過一段時間間的運營和維維護，人們對對城市橋梁橋面面防水技術的的研究提上議事日程程。問題——城市橋梁橋面面漏水對橋梁梁結構腐蝕十十分嚴重，直直接影響橋梁梁的正常使用用壽命，并威威脅到城市橋橋梁的安全，，業內對城市市橋梁橋面防防水工程缺乏乏統一認識。。國內許多設計計科研單位都都在積極開展展城市橋梁橋橋面防水技術術的研究，但但相當長時間間內，缺少相相關的設計規規范和技術規規程。引言主編單位：北北京市市政工工程設計研究究總院該技術規程的的正式頒布執執行，系我國國城市橋梁防防水技術的一一個顯著進步步和創新發展展，也使今后后城市橋梁橋橋面防水工程程有章可循，，將促進我國國城市橋梁建建設的健康發發展。進入21世紀以來，對對此問題的研研發有了突破性進展。。主要內容2設計理念上的的創新和技術術路線3工程實踐上的的創新發展4提出城市橋梁梁橋面防水的的對策2344發展沿革展望和結語15西方國家西方國家對橋橋梁防水問題題歷來十分重重視，均有相關的規范和和技術規程。。明確規定城城市和公路橋橋梁必須設置橋面面防水層，并并從結構類型型、面層材料料、防水技術、施施工方法、設設計年限、使使用性能、維維修費用等做了詳詳盡的規定。。西方國家丹麥美國原始防水層50年代橋面防水層廣泛應用上世紀20年代60-80年代英國（1965年），強制在鋼筋混土橋設置防水層德國，冷底子油鋪瀝青卷材—塑性改性瀝青卷材（60—70年代）（80年代）丹麥、法國等大多數歐洲國家，美國加拿大，半數省州制定相應標準規范（70年代中后期）我國與國外相比，，我國對混凝凝土橋面防水水研究相對滯滯后，橋面防防水層設置不不很明確。1961版《公路橋涵設計計規范》：1041條“鋼筋混混凝土橋的橋橋面上應否設設置防水層和和設置哪一種種防水層（防防水混凝土、、粉粒式或中中粒式瀝青混混凝土鋪裝、、瀝青貼式防防水層），應應根據橋梁結結構類型跨徑徑大小、當地地氣候條件和和設置的必要要性等具體情情況而定。””1974版《公路橋涵設計計規范》：1.33條“鋼筋混凝凝土橋面與鋪鋪裝之間是否否應設防水層層，應視當地地氣溫、雨量量、橋梁結構構和橋面鋪裝裝的型式結合合當地具體情情況而定。簡簡支梁橋可采采用與橋面一一次澆注的防防水性水泥混混凝土鋪裝層層。在瀝青混混凝土鋪裝層層下可不設防防水層。橋面面在主梁受負負彎矩作用處處應設置防水水層。”我國上世紀80年代，我國的的城市和公路路橋梁相關技技術規范中對對橋梁橋面防水水的要求，也也只是提及一一般采用橋面面柔性鋪裝防防水系統，其防防水材料和施施工工藝主要參照建筑筑屋面及地下下工程等，尚未形形成一套適合合于評價和選選用橋梁橋面面柔性鋪裝防防水材料的試驗驗手段和性能能指標。—譬如：1989版《公路橋涵設計計規范》1.7.4條規定“鋼筋筋混凝土橋面面板與鋪裝層層之間是否要要設置防水層層，應視當地地的氣溫、雨雨量、橋梁結結構和橋面鋪鋪裝的型式等等具體情況確確定。防水性性水泥混凝土土和瀝青混凝凝土鋪裝層下下可不設防水水層，但橋面面在主梁受負負彎矩作用處處應設置防水水層。”而防防水層主要采采用陽離子乳乳化瀝青的三三油二布涂料料、瀝青油毛毛氈等材料。。我國不良影響：由于我國大多多數城市橋梁梁不做防水或或防水不利造造成橋梁出現現橋面滲水、鋼筋銹蝕蝕、鋪裝層剝剝落、堿骨料料反應、鋼筋筋銹蝕而引起起的混凝土脹脹裂等嚴重損壞壞問題，嚴重影響了橋橋梁的耐久性性和正常使用用壽命，以及及行車的舒適性和和安全性.建國門立交橋橋面防水層受受損我國近二十年，隨隨著我國城城市橋梁的大大規模發展，，逐漸從單純純的屋面建筑筑防水材料發發展到道橋運運用的防水材材料。防水卷卷材和防水涂涂料已經成為為我國城市橋橋梁橋面防水水層的主要材材料。北京首都機場場，APP改性瀝青聚脂脂防水卷材，，耐高溫，抗抗老化，抗硌硌破的優良性性能并經過試試驗研究和施施工后的破損損試驗，發展展成一種特有有的“道橋專專用防水卷材材”。北京三環、四四環和五環等等城市立交橋橋梁中應用道道橋專用防水水卷材，其它它省市也借鑒鑒此做法。相應聚合物改改性瀝青涂料料也因其具有有優良的耐熱熱、耐腐、較較好的粘貼性性能，在南方方地區廣泛采采用，如上海海南浦大橋。。我國筆者2002年在全國橋梁梁學術大會論論文中針對橋橋梁防水方面存在的問題題提出四點建議：亟需制定我國國《城市橋梁防水水工程設計規規范》改進我國橋梁梁防水結構設設計重視橋梁結構構耐久性研究究重視橋梁結構構防水材料的的研究我國在國內專家、、學者的呼吁吁和努力下，，我國橋梁設設計規范(2004版《公路橋梁設計計通用規范》JTGD60-20043.6.2條)明確規定，””橋面鋪裝應應設防水層。。”2004年《城市橋梁橋面面防水工程技技術規程》正式立項，該該技術規程將將開始編制，，將包括“設設計、施工、、檢測”等內內容。自此關于是否否設置城市橋橋梁橋面防水水的爭論劃上上一個句號，標志著我我國該領域的的技術發展邁邁向一個新的的高度。主要內容2設計理念上的的創新和技術術路線3工程實踐上的的創新發展4提出城市橋梁梁橋面防水的的對策2344發展沿革展望和結語15設計理念和技技術路線2008版《城市橋梁設計計通用規范》規定“橋面面鋪裝應設防防水層。”——里程碑意義2010版《城市橋梁橋面面防水工程技技術規程》全面反映和吸吸收了近些年年來我國城市市橋梁橋面防防水技術在設設計理念、以以及在防水技技術和防水材材料方面的科科技研發和工工程實踐的創創新成果。明確了設置橋橋面防水層的的原則；揭示示了城市橋梁梁橋臺防水的的特點，以及及《規程》適用的范圍；；規定了防水水等級的劃分分。對城市橋梁防防水層材料選選定作出了基基本規定，明明確了防水層層的適用范圍圍；并詮釋了了橋面防水應應樹立城市橋橋梁橋面防水水系一個“系統”工程的理念。。設計理念和技技術路線水對鋼筋和混混凝土的腐蝕蝕：水滲入混凝土土裂縫后，由由于水中含有有大城市空氣氣中的二氧化化碳、二氧化化硫，此類酸酸性化合物加加速了碳化、、酸化的過程程，更由于北北方化冰鹽氯氯離子作用，，引起鋼筋表表面的腐蝕反反應，鋼筋體體積膨脹，導導致混凝土開開裂，保護層層剝離，影響響結構安全性性和適用性。。混凝土凍融循循環破壞：水進入混凝土土微孔中，正正負溫度交替替作用，形成成反復的冰脹脹壓力，致使使混凝土疲勞勞破壞，影響響壽命。對于于非冰凍地區區，干濕交替替水的作用，，潮濕時水化化物進入混凝凝土孔隙中生生成的鹽類溶溶液，當環境境變干燥后濃濃度不斷增加加，最后飽和和結晶產生晶晶體壓力使混混凝土破壞。。混凝土堿骨料料反應：混凝土“癌癥”，由于水的存存在，再加上上混凝土中的的堿含量和活活性骨料。三三者既是這種種“癌癥”的必要條件又又是充分條件件，生成硅鈣鈣膠凝體后，，因吸收水分分使混凝土異異常膨脹，破破壞成粉末，，無法修補。。《規程》編制組調研發發現，上世紀紀50—70年代建造的的橋梁，70％的城市橋橋梁在使用用期20-30年時就成為為危橋，而而且有水的的部位損壞壞十分嚴重重。“水”是影影響橋梁耐耐久性的主主要因素。防水層損壞壞案例分析析2002年二環路改改造，對全全線46座橋梁進行行普查、檢檢測，這些些上世紀80—90年代修建的的橋梁，最最長服務年年限僅23年。大部分出現現了橋面破破損、凹凸凸不平、排排水不暢、、欄桿隔離離帶的混凝凝土剝落等等病害。由于排水口口和伸縮縫縫的破壞，，水流滲透透了附近的的蓋梁墩柱柱，梁端混混凝土遭到到破壞，主主梁大多數數出現水跡跡和石灰質質凍結覆蓋蓋物北京市二環環路立交橋橋梁國內橋梁防水層損壞壞案例分析析統計表明：：43%主梁檢測混混凝土開裂裂超過0.2-0.3mm的20座13%鋼筋中度銹銹蝕的6座5%鋼筋嚴重銹銹蝕，主梁梁開裂變形形建議更換換的2座北京市二環環路立交橋橋梁防水層損壞壞案例分析析1980年修建，1999年改建，不不到20年使用期經檢測存在在問題：上部結構：：主梁漏水水出現白斑斑，主橫梁梁交叉開裂裂嚴重，伸伸縮縫漏水水牛腿酥裂裂下部結構：：墩頂豎向向裂縫，根根部融雪侵侵蝕，橫向向裂縫損壞等級：：評定III級，承載力力舊橋折算算系數0.85結論：整體體上不能長長期使用北方城市某某立交橋梁梁1防水層損壞壞案例分析析防水層損壞壞案例分析析1984年修建，1998年改建，14年使用期經檢測存在在問題：上部結構：：鋼筋銹蝕蝕、漏水，，高強螺栓栓及墊圈生生銹，削弱弱連接強度度下部結構：：蓋梁出現現病態，表表面腐蝕，，水流經過過之處，混混凝土沿鋼鋼筋縱向出出現裂縫，，寬度0.2-2mm，表面白色色沉積外漏漏，碳化深深度23-30mm,含堿量5.2-14.6，超過2-3倍以上現象是是由于鹽水水腐蝕和北北方寒冷地地區凍融所所致結論：拆除除重建北方城市某某立交橋梁梁2防水層損壞壞案例分析析防水層損壞壞案例分析析德國總結了了由于人為為和自然界界的7種原因造成破壞，，引起橋梁梁的修建和和翻修設計和修復復的費用達達到1：10為了提高橋橋梁耐久性性，德國人人的經驗是是必須堵截水源，橋面“防防水”、““排水”工工程是重要要的技術內內容國外橋梁防水層損壞壞案例分析析因此德國ZTV-BEL-B和DIN工業標準，，針對不同同的路面材材料和橋梁梁基面，規定可以采采用特殊專專用的SBS(適合鋪設溫溫度為150-160℃的瀝青混凝凝土或瀝青青瑪篩脂碎碎石混合料料)，或APP(適合鋪設溫溫度240-250℃的瀝青粗集集料路面材材料)卷材輔以環環氧樹脂基基層處理劑劑(鋼結構和混混凝土結構構的基層處處理材料略略有不同)。德國聯邦邦政府對橋橋面防水的的嚴格控制制，對生產產企業的特特許制等措措施，保證證了橋面防防水質量的的可靠性和和耐久性。。德國采用熱熱熔法施工工瀝青卷材材防水層主要內容2設計理念上上的創新和和技術路線線3工程實踐上上的創新發發展4提出城市橋橋梁橋面防防水的對策策2344發展沿革展望和結語語15新問題橋面防水工工程出現的的新問題：：（1）防水卷材材“錯動””，防水水涂料橋面面瀝青鋪裝裝“酥裂””2000年5月，首都國國際機場的的航站樓2號橋拐彎道道處，橋面面瀝青鋪裝裝出現多道道嚴重的垂垂直裂縫。。2002年8月，北京西西四環，復復興路，紫紫竹院，豐豐臺高架橋橋等處出現現局部橋面面鋪裝開裂裂，防水層層錯動，開開裂位置都都在重車道道（外側）），或橋面面下坡處，，時間在高高溫、雨季季前后。2003年5月，施工完完不到一年年的北京六六環路，多多座橋面發發生裂縫，，其規律、、情況和北北京四環路路出現的問問題相似。。新問題橋面出現裂裂縫新問題原因分析外因：水平荷載較較大，超載載下坡區內因：施工：混凝凝土基面平平整度、粗粗糙度、干干燥度、粘粘結度都很很差，卷材材按頭鋪設設方法不對對，搶工期期、熱熔施施工不到位位設計：防水水層局部相相互連接差差，橋面滲滲水排除措措施不當新問題（2）橋面防水水層病害事事故如南方某城城市一座城城市橋梁，，全長1000米，2003年9月施工完成，，次年4—5月份，由于于防水層引引起橋面鋪鋪裝全部損損壞，造成經經濟損失全全部費用達達2000萬元。由于防水層層出現了問問題，由此此帶來的后后果，不僅僅是經濟上的損失，，頻繁的修修復返工也也對交通、、橋梁使用用帶來不良良的社會影響。。廣泛關注一系列事故故引起了有有關方面的的廣泛關注注，工程一一致呼吁要規范好設設計和施工工，提高法法制意識。。2004年初，北京京市市政工工程設計研研究總院向向建設部標標準定額司申請編編制行業標準《城市橋梁橋橋面防水工工程技術規規程》，并獲得批批準。由設設計、施工工研究20多個單位參參加，全國國范圍內，除北北京以外，，還有廣州州、重慶、、蘭州、沈沈陽等城市市，代表了東北北、西北、、西南和南南方等各個個地區，即即我國各地地區的同業專家家、學者均均有代表參參與了該規規程的編制制工作。主要內容2設計計理理念念上上的的創創新新和和技技術術路路線線3工程程實實踐踐上上的的創創新新發發展展4提出出城城市市橋橋梁梁橋橋面面防防水水的的對對策策2344發展沿革展望和結語15橋面防水的特點1、橋面防水特特點使用條件：針對橋梁處于于動態的工作作狀態，行車車荷載行使時時除豎直向壓壓力外，還有有水平方向的的制動力、離離心力及下坡坡時輪載的水水平分力作用用到橋面上，，當防水層受受到較大的水水平剪力，要要求防水層具具有較大的抗抗剪性能。施工條件：橋面防水層上上有瀝青混凝凝土鋪裝層，，其施工時要要高溫攤鋪、、筑路機碾壓壓，要求防水水層有耐高溫溫的能力和對對壓路機局部部承壓抗硌破破的能力。震動“疲勞””作用：橋面車輛活載載反復周期性性的作用，因因此橋面板結結構的應力、、變形、裂縫縫都是反復周周期性變化的的，在混凝土土的裂縫邊緣緣，會有“應應力集中”現現象，會使裂裂縫擴大和增增加，造成““裂縫累積的的損傷”，這這就是混凝土土的“疲勞””作用，這也也決定了防水水層的選擇不不同于靜載為為主的其他結結構。不能完全照抄抄“屋面工程程技術規范””，只能獨立立制定。橋面防水的適用范圍2、橋面防水水的適用范圍圍：⑴橋面防水層層其承受的車車輪荷載為接接觸輪載；⑵橋面鋪裝下下為混凝土基基面防水對策3、相應的防水水對策包括設計、施工和和質量驗收三個部分應關注的重要要內容：防水等級的確確定材料的使用性性能基面層的要求求設計構造措施施施工檢測內容容在《規程》明確規定了一一條強制性條條文（3.0.1條）“混凝土土橋面鋪裝內內應設防水層層，橋面系應應有完整的防防水、排水系系統。”防水對策4、規定防水等等級的劃分按橋梁分類，，道路等級，，環境類別三三個方面，劃劃分為I、II兩個等級對I、II類防水分別提提出了不同的的使用年限（（15年和10年）和不同的的使用要求5、制定橋面防防水層選材的的基本規定瀝青混凝土鋪鋪裝面層：采用防水卷材材，防水涂料料－柔性防水水層，此類橋橋面鋪裝占90%以上水泥混凝土鋪鋪裝面層：采用滲透結晶晶型防水材料料－剛性防水水層，嚴禁使使用卷材防水水6、規定防水層層的適用范圍圍柔性防水層：：應符合行業標標準，主要從從環境條件防防水等級及其其他要求（3.0.4條）剛性防水層應符合相關行行業標準（3.0.6-3.0.8條）系統工程7、將橋面防水水作為一個““系統”工程程防－排水功能能設計－施工－－監測－養護護整體環節關于材料通用用性能，其應應用性能應符符合綜合要求求防水材料－結結構亦是“系系統”的防水水理念和其它規程法法規的關系8、《規程》和其他規程、、法規的關系系與《道橋用改性瀝瀝青防水卷材材》JC/T974，《道橋用防水涂涂料》JC/T975，承上啟下的作用與《公路橋涵設計計通用規范》JTG/D60及《城市橋梁設計計通用規范》（送審稿）相相結合和國家有關節節能、環保、、消防、安全全、衛生要求求法律法規一一致對新材料、新新技術、新工工藝，按《建設工程勘察察設計管理條條例》（國務院293號令）第二十十九條執行橋面防水系統統設計9、橋面防水系系統設計主要包括：防防水系統總體體布置、防水水材料選用原原則、關于防水卷材的的抗剪性能、、其他防水材材料、防水層層的厚度和結結構細部構造等等。防水系統總體體布置應滿足防－排排水功能以及及設計－施工工－監測－養養護整體環節節防水材料選用用原則橋梁結構型式式：坡度、剛剛度、平面型型式環境條件及施施工條件：有有效溫度、溫溫度梯度、高高溫耐熱、低低溫柔度、施施工溫度材料選用要考考慮材料性能能的相容性和和材料品質的的優選性防水卷材的抗抗剪性能10、防水卷材的的抗剪性能車輛荷載作用用在橋面上，，除了豎向力力以外，還有有水平方向的的力，如制定定力、離心力力等。車輛荷載下，，鋪裝和防水水層的豎力情情況用隔離體體分析車輛的水平力力是通過車輪輪與橋臺之間間的摩擦力傳傳遞到橋面鋪鋪裝及防水層層上的防水卷材的抗抗剪性能根據摩擦定律律：水平力F作用下，其摩摩擦力大小和和重量W與摩擦系數與與f乘積成正比當水平力小于于摩擦力時，，物體不動為為靜摩擦，此此時摩擦力等等于水平力T=F當水平力大于于摩擦力時，，物體滑動為為動摩擦，此此時摩擦力小小于水平力，，T≤W*f。因此可認為為不管水平力力大小，都可可用一個最大大的摩擦力值值來包絡防水卷材的抗抗剪性能用Ansys通用有限元軟軟件分析：3×3塊單元模型，，在10KN輪重作用于瀝瀝青面層上，，著地面積0.60×0.20，摩擦系數f=0.50。計算得出瀝青青鋪裝厚8cm時的層間剪應應力，城A荷載折算值為為0.12mPa，相當于防水水卷材50℃時的抗剪強度度。防水卷材和防防水涂料性能能對比防水卷材or防水涂料防水卷材和防防水涂料性能能對比近年來，我國國一些防水材材料的生產企企業，秉承環環保和低碳理理念，研制了了適合我國道道橋專用聚合合物改性瀝青青防水涂料，，以及具有自自主知識產權權的配套施工工設備。主要材料是以以多種橡膠復復合對瀝青改改性，涂膜干干燥后保持