楊 亮，馬智勇

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051）

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)高速公路的大規(guī)模建設(shè)和快速發(fā)展，橋梁的耐久性問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。特別是橋面由于凍融破壞、橋梁鋼筋腐蝕、堿集料反應(yīng)、瀝青混凝土碳化等問(wèn)題，使橋面經(jīng)常出現(xiàn)滲水、鋪裝層剝落、橋面板破碎等問(wèn)題。研究表明，水的滲入是造成橋面破壞的最直接和最重要的原因之一。混凝土橋面漏水會(huì)腐蝕鋼筋，降低混凝土強(qiáng)度，縮短混凝土結(jié)構(gòu)物的使用壽命。早在20世紀(jì)70年代初，國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織（OECD）在其道路研究報(bào)告中就指出：過(guò)去20年在歐洲和北美建設(shè)的許多混凝土橋面由于漏水而受到了不同程度的損壞，交通量大并在冬季使用鹽水化冰的橋面損害尤其嚴(yán)重，而鋪設(shè)了防水層的橋面，只要防水層沒(méi)有大面積破壞，就沒(méi)有明顯的損壞。所以，現(xiàn)在許多國(guó)家已制定了各種橋面防水材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。1997年4月英國(guó)橋床防水協(xié)會(huì)主席丁爵福先生來(lái)華技術(shù)交流時(shí)，就談到了在歐洲的所有橋梁都必須設(shè)置防水層。

我國(guó)橋面防水過(guò)去一般沒(méi)有要求，到了上個(gè)世紀(jì)80年代末90年代初，隨著我國(guó)高速公路、立交橋和高架橋的發(fā)展，橋面防水問(wèn)題也日漸突出。例如在上海市內(nèi)環(huán)線高架橋的建設(shè)過(guò)程中，由于是世界銀行貸款，國(guó)外專(zhuān)家就堅(jiān)持橋面必須設(shè)置防水層。隨后，在1990年上海南浦大橋建設(shè)時(shí)，上海市政工程設(shè)計(jì)院就專(zhuān)門(mén)提出了“南浦大橋主橋橋面防水層及技術(shù)要求”。

與上海同時(shí)進(jìn)行橋面防水研究的還有北京市政工程研究院。1991年，北京西廂工程五座大型立交橋，根據(jù)北京市政工程局總工辦會(huì)議決定，橋面全部采用瀝青混凝土鋪裝層，下面必須設(shè)防水層。

為了更好地解決橋面的防水問(wèn)題，我國(guó)在1997年制定出臺(tái)的“公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范”中即提出了橋面防水問(wèn)題。也就是說(shuō)橋面防水到90年代末在國(guó)內(nèi)工程界已形成共識(shí)。在2006年發(fā)布的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）中，更是明確規(guī)定橋面瀝青鋪裝應(yīng)由粘結(jié)層，防水層及面層組成。規(guī)范規(guī)定，為提高橋面使用年限減少維修養(yǎng)護(hù)，應(yīng)在粘結(jié)層上設(shè)置防水層。

2 高速公路常見(jiàn)防水層設(shè)計(jì)方案比較

由于橋面防水層是設(shè)置在混凝土橋面板和瀝青混凝土鋪裝層之間，因此，防水層除保證必須有足夠的不透水性能外，還必須保證防水層同混凝土橋面板及瀝青混凝土鋪裝層兩者之間都有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，以適應(yīng)高速公路橋面快速行車(chē)的需要。即：防水性能與剪切強(qiáng)度是防水層的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。在規(guī)范中同時(shí)提出了防水層中常見(jiàn)的部分防水材料，如涂膜、卷材等專(zhuān)用防水材料；瀝青砂、瀝青瑪蹄脂、熱熔瀝青碎石、稀漿封層等聚合物改性瀝青類(lèi)防水材料等，環(huán)氧樹(shù)脂下封層等反應(yīng)性樹(shù)脂等等各種各樣的防水材料。所以，防水層材料的防水性能與防水材料與瀝青之間的剪切強(qiáng)度的評(píng)價(jià)即成為防水材料選擇的重要依據(jù)。

實(shí)際上，人們?cè)诟鞴こ添?xiàng)目對(duì)各種防水材料的使用過(guò)程中，逐步對(duì)上述防水材料用于高速公路瀝青路面這種特殊場(chǎng)合時(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。人們?cè)?jīng)使用過(guò)反應(yīng)性樹(shù)脂防水材料如焦油聚氨酯防水涂料和非焦油聚氨酯防水涂料等，這種材料的特點(diǎn)是會(huì)在基材表面形成薄膜，其強(qiáng)度高，具有一定的柔性，抗?jié)B性好，耐高溫，不易被瀝青混凝土燙烙而失效。但這種材料對(duì)基層干燥度要求也高，與瀝青混凝土親和性不好，與瀝青之間的剪切強(qiáng)度較低，容易脫離。實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度很難達(dá)到1 MPa（25℃），因此用于瀝青路面的高速公路防水層不一定合適。北京西廂工程實(shí)踐也表明，采用這種柔性材料的橋面防水層，在建成運(yùn)營(yíng)不到一年，瀝青混凝土路面就出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)和裂縫，瀝青混凝土鋪裝層和防水層之間出現(xiàn)脫離和間隙，積了很多水，只好鏟除重鋪。

人們也曾經(jīng)使用過(guò)熱熔改性瀝青防水卷材，胎體為玻纖氈。這種材料雖能滿(mǎn)足一般防水要求，但橋面采用卷材防水較其他部位有所不同，如橋面受動(dòng)荷載作用要求搭縫必須嚴(yán)密牢靠，基面必須干燥、平整，卷材與基面必須滿(mǎn)貼，質(zhì)量要求嚴(yán)格，操作難度大。并且，這種材料高溫性能較差在攤鋪瀝青混凝土?xí)r容易被燙烙。由于卷材胎體的存在，實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度也很難達(dá)到要求，故用于瀝青路面的高速公路防水層也不一定合適。

目前，在國(guó)內(nèi)外瀝青路面高速公路防水層用得比較多的材料體系主要有兩類(lèi)。其一是滲透結(jié)晶型DPS加上乳化瀝青；例如蘇通大橋主橋塔、武漢天興洲長(zhǎng)江大以及安徽六合高速等瀝青路面的防水；其二是單獨(dú)使用高效滲透型防水材料，如滲透非結(jié)晶凝膠型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SF）以及滲透結(jié)晶型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DPS）等。例如美國(guó)田納西州的州際高速公路、重慶長(zhǎng)江大橋以及安徽馬鞍山長(zhǎng)江大橋等。

表1是市面上某種性能較好的乳化瀝青性能測(cè)試表。

表1 某種乳化瀝青性能測(cè)試結(jié)果

乳化瀝青是將通常高溫使用的道路瀝青，經(jīng)過(guò)機(jī)械攪拌和化學(xué)穩(wěn)定的方法（乳化），將瀝青顆粒擴(kuò)散到水中而得到的穩(wěn)定乳液。乳化瀝青可以常溫使用，且可以和冷的、潮濕的石料一起使用。當(dāng)乳化瀝青破乳凝固時(shí)，還原為連續(xù)的瀝青并且水分完全排除掉，其最終強(qiáng)度才能形成。乳化瀝青使用方便，有防水、防滑、耐磨耗以及填充的作用，但乳化瀝青在使用過(guò)程中有可能存在著老化破損，使得與瀝青混凝土之間的附著力有降低的隱患。

而滲透結(jié)晶型DPS防水材料是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃的環(huán)保產(chǎn)品。凍結(jié)后無(wú)損害，是一種可永久儲(chǔ)存的透明液體。其主要防水原理是DPS中的催化劑和混凝土中的游離堿物發(fā)生化學(xué)作用，形成結(jié)晶體，填滿(mǎn)混凝土所有細(xì)小的孔隙，成為混凝土結(jié)構(gòu)的一部分，從而阻止外部的水、酸、堿、油、鹽和其他各種對(duì)混凝土有害物質(zhì)侵入，達(dá)到有效的防水功能。DPS噴涂于混凝土表面，不改變、不影響表面的顏色和結(jié)構(gòu)，可阻止對(duì)水、油脂、石油和酸的吸收，使混凝土表面無(wú)堿，干爽、光潔；可改善與柔性防水材料或飾面層的結(jié)合。DPS的主要性能如下：

（1）DPS可以降底混凝土的吸水性。涂有DPS的混凝土試樣按重量計(jì)算比未涂抹過(guò)保護(hù)劑DPS的混凝土試樣少吸水達(dá)95%。

（2）DPS可以有效的抵御鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕。涂有保護(hù)劑DPS的混凝土明顯地能抵御銹蝕，比未處理的混凝土更容易保持干凈。

（3）DPS可以增強(qiáng)混凝土表層的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試表明涂有保護(hù)劑DPS的混凝土試樣，可以提高抗壓強(qiáng)度。8 d后增強(qiáng)15%，31 d后增強(qiáng)23%。

（4）DPS可以提高混凝土的抗凍、抗融性能。表明在被凍與融化條件下，依照現(xiàn)有的濕度狀態(tài)，其結(jié)果證明能夠100%抵御鹽的侵蝕。

但是，由于DPS防水的原理是在混凝土內(nèi)部形成原來(lái)在混凝土內(nèi)部沒(méi)有的結(jié)晶體，進(jìn)而填充混凝土中的毛細(xì)管和孔隙而防水；所以，在DPS由于結(jié)晶之后必然發(fā)生的體積收縮現(xiàn)象有可能在混凝土內(nèi)部形成新的縫隙，這在某種程度上削弱了DPS的防水性能。

滲透非結(jié)晶凝膠型SF類(lèi)防水材料是一種新型的高效滲透型納米防水材料，是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃的環(huán)保產(chǎn)品。SF類(lèi)防水材料是由納米級(jí)的膠體硅酸鹽粒子（非堿金屬與堿土金屬硅酸鹽，粒子大小在1～100 nm之間）、高活性催化劑和特制水基分散介質(zhì)等成分組成；其防水原理與DPS完全不同：經(jīng)噴涂SF類(lèi)防水材料之后，SF滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，不是象DPS類(lèi)材料一樣生成結(jié)晶體，而是在混凝土內(nèi)部形成細(xì)小的非結(jié)晶無(wú)定形微凝膠。這些微凝膠進(jìn)而充填混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管和孔隙，與混凝土形成一個(gè)15 cm厚的共同防護(hù)體。從而有效的防止了水、氯離子、SO2及各種化學(xué)物質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕。與此同時(shí)，微凝膠還會(huì)與混凝土內(nèi)部的游離堿性物質(zhì)和游離水發(fā)生中和反應(yīng)，生成中性化合物結(jié)構(gòu)，防止了混凝土內(nèi)部的有害化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。另外，生成的微凝膠還有一個(gè)特別的能力，它自身可以始終在其周?chē)约皟?nèi)部保持著占微凝膠飽和含水率6.5%的水。也就是說(shuō)，微凝膠具有一定的定量鎖水功能，而這一點(diǎn)在北方地區(qū)尤其可貴：即SF類(lèi)防水材料可使混凝土不發(fā)生凍融現(xiàn)象。微凝膠具有的這種定量鎖水功能還對(duì)混凝土起著修復(fù)作用。在實(shí)際的混凝土施工、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，含水量的多少直接影響混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，微凝膠可以避免水分由于快速蒸發(fā)或水分不足而造成的混凝土裂縫等缺陷。

SF生成無(wú)定形微凝膠而不是結(jié)晶體會(huì)產(chǎn)生兩大獨(dú)特性能，其一是不會(huì)由于結(jié)晶而在混凝土內(nèi)部發(fā)生體積收縮而產(chǎn)生新的裂縫；并且由于其獨(dú)特的定量鎖水功能還可以彌補(bǔ)裂縫；其二是這種微凝膠是無(wú)定形的，故可以隨著外力而發(fā)生變形。從而抵消所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。所以SF特別適合用作瀝青路面高速公路的防水層，因?yàn)樗梢栽诤艽蟪潭壬舷捎谲?chē)輛行駛在瀝青路面高速公路上時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生的應(yīng)力。

SF的各項(xiàng)性能指標(biāo)比DPS類(lèi)材料要更優(yōu)，其測(cè)試指標(biāo)參見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)瀝青路面高速公路橋面防水層材料性能比較

SF的性能特點(diǎn)表現(xiàn)如下：

（1）經(jīng)檢測(cè)，噴涂SF后的砂漿與瀝青之間的剪切強(qiáng)度為8.5 MPa，比沒(méi)有噴涂SF的砂漿與瀝青之間的剪切強(qiáng)度6.1 MPa提高了約40%；這充分保證了瀝青路面與混凝土的結(jié)合；這一點(diǎn)是目前很多其他墻面防水層材料所很難達(dá)到的。

（2）具有較好的防水性能；涂有SF的混凝土試樣按重量計(jì)算比未涂抹過(guò)保護(hù)劑DPS的混凝土試樣少吸水達(dá)97%以上。

（3）微凝膠能有效填補(bǔ)混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管和孔隙。增加了混凝土密度，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度。

（4）微凝膠具有一定的定量鎖水功能，可以提高混凝土的抗凍、抗融性能。并且可以避免混凝土裂縫的產(chǎn)生以及修復(fù)已產(chǎn)生的裂縫。

（5）無(wú)定形的微凝膠可以隨著外力而發(fā)生變形，從而抵消車(chē)輛行駛時(shí)對(duì)瀝青路面所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

（6）可以有效的阻止鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕。

（7）微凝膠與混凝土的共同體有效的提高了熱阻，降低了熱膨脹、脫水帶來(lái)的破壞。

（8）SF具有良好的耐久性，至少有不低于橋面瀝青鋪裝層使用年限的壽命（約8～10 a）。并能適應(yīng)高架橋動(dòng)荷載抗壓，抗拉的特點(diǎn)，以保證防水要求。

（9）SF的施工非常方便，只要混凝土表面干燥、干凈，用低壓庭園式噴灑器噴涂SF即可。故很容易即可滿(mǎn)足大橋工期安排的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)表2常見(jiàn)瀝青路面高速公路橋面防水層材料性能的比較，從中較為直觀的反映出這幾種材料的異同，作為區(qū)域內(nèi)重要的高等級(jí)公路，橋面防水可考慮采用性能更加優(yōu)越的滲透非結(jié)晶凝膠型SF類(lèi)防水材料。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].