钢筋混凝土桥梁防水设计问题探讨

国内自20世纪80年代就注意到钢筋混凝土公路桥梁易遭受雨水侵蚀的问题，雨水的腐蚀作用表现在雨水渗透导致混凝土内碱环境破坏、钙质流失造成的混凝土溶蚀、钢筋生锈、强度降低，这是桥梁最终破坏的原因。北方地区冬季气温在0℃以下时，冻融对混凝土表面的破坏作用非常大，溶雪剂则能加剧钢筋的腐蚀速度。

90年代初，国内在新建或改造的公路桥梁工程中开始采用防水层，桥梁面层多采用沥青混凝土做行车路面层，当时就注意到防水材料必须与水泥混凝土、沥青混凝土有良好的结合性能，以及防水层必须能够承受热沥青混凝土摊铺碾压施工过程中的施工损伤以及夏季高温下防水层的传载性能。根据当时国内防水材料的生产情况，选择的防水材料是APP改性沥青防水卷材，设计单位、防水材料生产单位也开展了必要的实验研究，提出了一系列的材性指标，如防水卷材的耐高温指标（150℃）、抗硌破指标、低温抗裂指标等。APP防水卷材先后应用于北京机场高速、四元桥、京通快速等工程，均取得了良好的效果，所铺筑的桥面至今仍在使用中，桥面防水的工程效果也逐步得到广泛的认可，高等级公路上的桥梁桥面采取防水措施也逐渐成为一项必须的措施。

然而，同样的防水卷材在近’ 年的桥面工程中却频繁地出现问题，主要是桥面系统在投入使用几年内、某些工程甚至投入使用不到! 年即出现桥面遭到破坏，沥青混凝土面层出现严重裂缝并很快脱落，破坏面多在卷材防水层与水泥混凝土之间。问题的症结明确地指向防水层的传载能力不足，即卷材防水层与水泥混凝土结合面的抗剪切强度不足。APP防水卷材在桥面防水中是否合适受到质疑，有人质疑是APP卷材的质量有问题或施工质量有问题。公路桥面的防水明显转向探索使用其它防水材料，各种防水涂料（聚氨酯防水涂料、改性沥青防水涂料、水泥基刚性防水涂料等等）的涂膜防水开始在各种等级的公路桥面中被采用。公路桥面防水材料的选用出现了让设计师、建设单位难以选择的局面。

1 公路桥面防水系统作用原理分析

设置防水层的钢筋混凝土桥梁路面的构造一般如图!所示，桥面的构造分为3部分：沥青混凝土面层、防水层、钢筋混凝土结构。

首先，沥青混凝土是高等级公路最佳的路面铺装材料，对于铺装沥青混凝土的桥面，由于沥青混凝土的配比并非密实配比，即经过压实的沥青混凝土内仍然存在孔隙，特别是中粒式配比的沥青混凝土，降雨时孔隙会长久存水，孔隙水在行车动载作用下会产生瞬间“唧筒”压力水，这种往复产生、消失的“唧筒”压力水对底层混凝土具有更强的渗透腐蚀作用。

另外，公路桥梁的使用特点是高频率地承受交通车辆动载，钢筋混凝土结构处于频繁的往复受力变形中，承受拉应力的区域必然产生微细裂缝，这是选择防水材料必须注意的。防水层需要能够彻底隔离环境水又能抵御桥面往复结构变形，柔性防水层因其能够形成密闭防水系统、防水材料抗渗透性能好、力学强度高、具有一定的延伸变形性能，更适合于桥梁防水要求，因此以下仅讨论柔性防水层。

探讨分析路桥防水系统可从 3个方面入手：路桥防水功能要求、施工特点、系统运行力学原理。

2 路桥柔性防水的应用研究简介

柔性防水材料包括防水卷材和防水涂膜2类，从桥面构造中我们看到防水层在水泥混凝土与沥青混凝土之间形成一道隔离层，如果这道防水层是柔性材料，这应该是所有问题的起源。

桥面防水层需要能够有效传递交通荷载，因此理想状态下希望防水材料力学模量介于沥青混凝土（150MPa）和水泥混凝土（32000 MPa）之间。但是，目前所用的柔性防水材料其力学模量比上述数值低得多，一般在50-800 MPa。这就意味着防水层是一道软弱夹层，必然在一定程度上降低沥青混凝土路面层的承载能力。

不同的防水材料及其施工质量可造成沥青混凝土路面层承载能力不同程度的损失，这归因于防水层与水泥混凝土的粘结结合性能、与沥青混凝土的结合性能以及防水材料自身的材料性能某方面的不足。

2.1 涂膜防水材料

涂膜防水材料一般具有与水泥混凝土良好的结合性能，目前有多种涂膜材料被实验性地应用到桥梁防水工程中，涂膜的厚度一般较薄，多数在1.0mm 以下。室内模拟实验及工程现场取样发现，涂膜防水层的结合弱点在涂膜与沥青混凝土之间。高分子聚合物类涂膜界面分层明显，沥青类涂膜材料则能够形成一定的熔合面，涂膜厚度在1.0mm以下时，多数试样涂膜层在沥青混凝土的碾压施工下遭到不同程度的击穿，沥青混凝土在层间结合处的抗剪强度来自粘结、层间磨擦和沥青混凝土与水泥混凝土间击穿处的直接摩擦力。

实验发现，多数对比试件表现出设置涂膜防水后，抗剪强度降低，只有个别的沥青试样，在涂膜厚度低于0.6mm后，则抗剪强度有所提高。随着涂膜厚度的增加和网格增强层的采用，抗剪强度均呈快速降低的趋势。

2.2 卷材防水材料

室内实验发现改性沥青类防水卷材与沥青混凝土的粘结结合性能最好，而其它的高分子卷材明显表现出很容易与沥青混凝土脱落分离。

3mm厚以上的APP改性沥青聚酯胎卷材防水层在模拟碾压、实际试验路段碾压取样以及出现提早破坏的路段现场取样，均表现出维持了防水层未被击穿。剪切破坏面在水泥混凝土与卷材防水层间，对比实验均表现出较在水泥混凝土上直接铺筑沥青混凝土的抗剪强度有较大的降低。

防水卷材与水泥混凝土、沥青混凝土之间的粘结强度受材料性能极限约束。

实际路段提早破坏案例中多数表现为防水卷材与水泥混凝土层间粘结脱落，而无一例发生在沥青混凝土与防水卷材之间。

2.3 桥面的传力特点

交通车辆的荷载作用在桥面上是局部荷载，剪切应力具有沿沥青混凝土厚度快速递减的特点，增加沥青混凝土面层的厚度是降低结合面剪切应力最有效的措施。

上述情况是建立在不完整的、有限的实验规模的基础上，尚不足以提供确切的应用参考参数，故在此仅做定性分析介绍，以期能够引起业界对路桥工程质量的关注，从根本上解决问题。

3 桥面问题分析

实验研究所揭示的问题，越来越偏离初期研究时的设想，防水材料有其难以突破的局限性，我们应该重新审视路桥桥面系统设计问题。

目前桥梁设计中，沥青混凝土厚度选择设计参数是基于在钢筋混凝土上直接铺筑沥青混凝土面层，所有的设计参数均是在这种模型下通过实验、理论分析建立的；当设置柔性防水层后仍然按照上述原则选定沥青混凝土面层的厚度，桥面的安全系数必然要降低，这是当前新建桥面设置防水层后时有破坏案例发生的根本原因。也是设计师、建设单位所忽略的事实，忽视了防水层对沥青混凝土承载能力的影响，或将这种影响不切实际地让防水材料、防水系统承包商去克服，而不从沥青混凝土面层设计上去考虑。

另外，在一定的交通荷载标准下，所采用的设计参数均含有相当的安全系数，是这种安全储备掩盖了实际问题，当交通荷载不超过设计标准时，设置防水层后其整体安全系数仍然能够满足使用或接近极限状态。如市内不允许货运等大型车辆通行的路段，设置防水层后，桥面运行良好、桥梁得到很好的保护。

当道路交通量大、超重车辆频繁时，传递至防水层的剪切应力超过防水层结合处的承载极限，位移和疲劳导致沥青混凝土面层破坏的快速发生。如郊区交通干路，超载大型货运车辆往往达到上百吨，且频繁通行，这种情况是目前桥梁沥青混凝土面层设计中未加考虑的。

4 建议

柔性防水系统具有良好的防水效果，但会降低沥青混凝柔性防水系统具有良好的防水效果，但会降低沥青混凝土面层的承载能力；防水层越厚这种不利影响也越大，但防水层太薄则很容易被碾压击穿，即产生施工损伤，这与设置防水层的目的相违背。设置防水层必须取得良好的防水效果，增加面层沥青混凝土的厚度是最有效的措施。目前国内尚未建立起这方面的系统理论，沥青混凝土面层厚度的确定也就缺乏可靠的技术基础。目前国内桥面沥青混凝土面层厚度的设计普遍偏小，这为桥面防水带来很大的风险。