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1、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: CCRDIDK2A8 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 2 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: CCRDIDK2A8 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 3 4 中文题名桥面铺装材料与技术研究 英文题名Research
2、 on Materials and Technologies for Bridge Pavements 交通编号项目来源交通部 单位编号CCRDIDK2A8合同号2002-318-000-30 分类号U41项目起止年限2002.62005.7 第一完成单位重庆交通科研设计院密级秘密 陈仕周(副研究员)陈仕周(副研究员) 韩道均(教授级高工) 项目负责人报告撰写人 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
3、) 李林波(工程师)倪富健(教授) 项目参加人员 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 5 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
4、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
5、贡献,具有显著的工程实体意义和技术经济效益。 英文摘要 Based on the comparative investigation of concrete bridge pavements in West China and steel bridge pavements throughout China, this report systematically analyzed the causes of the distresses on bridge pavements from the points of paving materials, pavements structures, s
6、urrounding climates, traffic loads and construction factors. Then the author went deeply into the study of materials and structures for bridge paving, directly and profoundly. Besides the provision of standards for bridge paving materials, ideal types of pavements structures, ideal thickness and com
7、bined structures of pavements, ideal thickness of the leveling layer for concrete bridge and actions taken under special situations, this report also recommended a construction manual and established technical and economical comparative analysis methods for bridge pavements On the basis of classifyi
8、ng waterproof levels of bridge pavements in West China at the standards of climatic characters and on bonding bridge design levels and waterproof systems to pavement structures, design methods for waterproof systems of concrete bridge pavements and typical paving structures are firstly and systemati
9、cally introduced to China in this report. Aiming at the severity problem of early distresses on steel bridges in China, typical pavements structures for steel bridge with perfect waterproof systems and standards for materials have been provided here. And it is also the first deed in China that polym
10、er modified gussasphalt, thin epoxy resin skid-resistance layer and some other new techniques developed in this report have been applied into engineering practice In three years time, nearly 20 bridges, including both steel bridges and concrete bridges, were paved as the projects related to the repo
11、rt, with a total area of 1million square meters. All have been resulted in good effects. This report makes great contributions to the advancement of bridge paving technologies in China and the realization of solutions to technical problems in projects, making remarkable sense to both engineering pra
12、ctice and economic. 6 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 1 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
13、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
14、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
15、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 2 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。 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。 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
16、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。 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。 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。 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) 。 提出了桥面铺装各层材料技术要求,
17、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。 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 3 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
18、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 桥面铺装材料与技术研究 水泥混凝土桥梁桥面 铺装 钢结构桥梁钢桥面铺装 (重点研究内容) 沥青混凝土桥面铺装 (重点研究内容) 水泥混凝土桥面铺 装 4 图 3.2 水泥混凝土桥梁桥面铺装材料与技术研究 桥面铺装材料与技术研究之一 水泥混凝土桥梁桥面铺装技术研究 不同结构桥梁桥面铺装 受力机理分析 西部地区桥面铺装使用情况调查及 病害原因分析(20 座以上桥梁) 沥青混凝土桥面铺装 薄层抗滑 磨耗层 (厚度 聚丙烯纤维网混凝土钢纤维混凝土
19、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级防水的桥梁 2 合成纤维混凝土+粘结层调平层适于级防水的桥梁 3 钢纤维混凝土粘结层+调平层 良适于非冰冻区级防水 的桥粱 4 防水混凝土+粘结层调平层中适于级防水的桥梁 5 普通混凝土+粘结层调平层次适于级防水的桥梁 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
20、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。 14 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
21、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 2030 最高气温30的气候区采用 35作为试验温度。 7 对于沥青砂防水层,以空隙率2.5作为沥青砂的防水性能标准,为 保证低空隙率沥青砂的热稳性,沥青砂所使用的改性沥青等级应比当地沥青混 合料用改性沥青等级提高一级,并满足以下要求如下表。 表 5.5 沥青砂的动稳定度指标 8 对于稀浆封层防水层,为保证桥面铺装防水层用稀浆封层的层间连接 性能,应采用改性乳化沥青作为稀浆封层的结合料,改性乳化沥青的技术要求 与 2005 年的公路沥青沥青路面施工技术规范的不同主要反应在下表,而集
22、料的技术要求、改性乳化稀浆封层混合料的技术要求与规范相同。 表 5.6 改性乳化沥青技术要求 气候条件与技术指标相应于下列气候分区所要求的动稳定度(次/mm) 30 2030 30的气候区桥面铺装用粘结层沥青用 D()或 D()表示,其技术指标与 2005 年的公路沥青沥青路 面施工技术规范的不同主要反应于下表所示: 表 5.7 超出规范等级的改性沥青技术标准 SBS 类D(+)SBR 类-C()PE,EVA 类 D() 针入度 25 0.1mm 205040602040 延度 5 cm 1030 软化点 655565 135运动粘度 pa.s 3 10 桥面铺装防水体系层间连接性能要求:防水
23、层与沥青层之间或防水层 与混凝土板之间的 25冻融循环后的抗剪强度应大于 0.4Mpa,25冻融循环后 的抗拔强度也应大于 0.4Mpa。 11 桥面铺装防水体系的防水性要求:防水层上铺筑沥青混凝土后,以防 水层作为迎水面,在 5m 水头压力的水压下,防水层能保持 1min 的持续时间而 不透水。 5.7 沥青混合料的技术指标 17 1 沥青混合料的热稳性指标:桥面铺装沥青层比路面铺装沥青的温度略 高,在荷载作用下桥面铺装层内所产生的剪应力比路面铺装沥青层的要大,因 此桥面铺装沥青混合料的的热稳性要求比路面的要高,宜采用改性沥青作为铺 装层结合料,且动稳定度应达到下表中的要求。 表 5.8 沥
24、青混合料车辙试验动稳定度技术要求 气候条件与技术指标相应于下列气候分区所要求的动稳定度(次/mm) 30 2030 4.0 水泥胶砂强度检验方法 T0592-94 28 天新旧界面剪切强度,MPa 12.0 斜剪试验(ASTM 标准) 28 天新旧界面粘结强度,MPa 1.2 钻芯拉拔试验 28 天抗渗性能,mm 12 水泥胶砂强度检验方法 T0592-94 28 天新旧界面剪切强度,MPa 25.0 斜剪试验(ASTM 标准) 28 天新旧界面粘结强度,MPa 2.0 钻芯拉拔试验 28 天抗渗性能,mm 30 3020 -9 -9- 21.5 30 3020 -9 -9-21.5 30 3
25、020 -9 -9-21.5 -21.5 低温弯曲极限应变(-10,50/ min) 2.810-33.010-33.210-3 29 铺装底层透水率 110-7/s 刘埃尔流动性(240) 20s 建议沥青用量(油石比)711% 7 实体工程实施和施工工艺研究 结合课题进度安排,本课题先后在沪蓉国道主干线万州梁平高速公路, 采用两种方案铺筑了水泥砼桥梁桥面铺装实体工程(2003 年 10 月) ,在广西柳 州红光桥铺筑了钢桥面铺装实体工程 2004 年 6 月,到目前,使用效果优良,无 任何损坏。 铺设一层改性沥青道路专用防水卷材 铺装底层AC-16,厚度40mm 涂布溶剂型粘接剂,用量为0
26、.30.5Kg/m 混凝土桥面板,打砂后形成干燥、粗糙、清洁表面 2 铺装面层改性沥青AK-13A,厚度35mm 铺装面层改性沥青AK-13A,厚度45mm 2 混凝土桥面板,打砂后形成干燥、粗糙、清洁表面 涂布溶剂型粘接剂,用量为0.30.5Kg/m 改性乳化沥青稀浆封层,厚度5mm a) 跳蹬子 2#桥 b) 沙坝水库大桥 图 7.1 水泥砼桥桥面铺装实体工程结构图 图 7.2 钢桥面铺装实体工程结构图 涂布溶剂型粘接剂,用量为0.20.4L/m 涂布500600g/的环氧粘接剂,撒布1.182.36mm的碎石,撒布量500800g/ 涂布200300g/环氧粘接剂,撒布0.30.6mm的
27、碎石,用量为300400g/ 钢桥面板喷砂除锈光洁度Sa2.5级、粗糙度50100m钢 板 2 粘接层 防水层 橡胶沥青砂胶(厚度36mm) 2 改性乳化沥青粘层(用量0.40.5L/m ) 铺装上层改性沥青SMA(厚度35mm) 铺装下层改性沥青SMA10(厚度35mm) 铺装层 30 除课题规定的实体工程以外,本课题研究成果还应用于多项生产实体工程, 其中,上海东海大桥桥面铺装具有特殊意义,其结构如下图所示。 螺旋排水管 溶剂型沥青橡胶,用量0.20.4 粘层:改性乳化沥青. 撒布.预拌碎石,用量. 贴缝条 水泥混凝土桥面板:打砂,形成干燥、洁净、粗糙的界面 路 缘 铺装层 防水层 桥面板
28、 反应性树脂下封层,用量.4.6 铺装下层:,厚度30,表面撒布碎石,用量为 铺装上层:改性沥青,厚度50 图 7.3 上海东海大桥桥面铺装结构图 8 项目的经济、社会效益分析及推广应用前景 工程实例经济分析说明,在重点工程中,如果以整个使用寿命为分析周期, 初期建设或维修应该尽可能采用技术性能优越,维修次数较少的方案,即使该 方案的初期成本远高于另一方案。这是因为在工程数量不大的情况下,后期维 修过程中所带来的用户费用在方案总成本里占有相当大的比例,以至对方案的 经济性能造成决定性的影响。 仅在本课题实施期间,课题研究成果已在累计 11 项砼桥梁桥面铺装 13 座 钢桥桥面铺装中得到应用,解
29、决了工程实际技术问题。累计铺装工程造价约 2.9 亿元,预计直接经济效益 2500 万元,如果考虑全寿命周期的经济效益,则更加 显著。表明,本课题研究成果社会经济效显著,具有广阔推广应用前景。 31 表 8.1 西部课题成果应用工程清单(钢桥面铺装) 序号应用工程项目名称 施工面积 (m2) 时间 (年) 工程造价 (万元) 备注 1 厦门海沧大桥(进岛方向翻修) 80002002420双层 SMA 2上海卢浦大桥1800020031000双层 SMA 3上海薀藻浜大桥60842003289双层 SMA 4无锡蓉湖大桥40002003220双层 SMA 5广东虎门大桥(翻修)252002003
30、1254双层 SMA 6山东胜利黄河大桥109042003650浇注式SMA 7安庆长江大桥2800020041680浇注式SMA 8天津子牙河大桥76422004410浇注式SMA 9广西柳州红光大桥79802004435双层 SMA 10山东滨州黄河大桥40502005252 双层 SMA 11重庆菜园坝长江大桥2134420061250方案已确定 12长沙三汊矶大桥168362006718方案已确定 13重庆朝天门大桥3915020072340方案已确定 说明:“双层 SMA”指研究报告中钢桥面铺装典型结构一, “浇注式SMA”为典型 结构二,其中安庆长江大桥为典型结构三。 表 8.2
31、西部课题成果应用工程量清单(水泥混凝土桥面铺装) 序号应用工程项目名称 施工面积 (m2) 时间 (年) 工程造价 (万元) 备注 1渝邻高速公路桥梁12194620031200粘接层下封层 2梁长、万梁高速公路桥梁400002003380粘接层下封层 3跳蹬子 2桥2500200313粘接层下封层 4沙坝水库大桥5500200348粘接层下封层 5西藏山南泽当大桥3580200557 环氧抗滑层 6七里半大桥4300200548翻修 7广东肇庆大桥南引道2000200532环氧抗滑层 8重庆陈家坪立交1670200527环氧抗滑层 9重庆南山立交1200200522环氧抗滑层 10 云南安楚
32、高速公路星宿大桥等 三座水泥混凝土桥面 6200200549粘接层 11重庆黄葛渡立交桥面8700200571粘接层 12上海东海大桥820000200513000 下封层浇注式 +SMA 32 9 建议需要进一步研究的问题 我国现有钢桥面铺装技术的研究,均是以桥梁设计荷载或路面标准轴载 (100KN)为前提条件的,但实际情况是大量的超载车行驶在这些桥面铺装上, 往往导致铺装使用寿命较短。针对我国已建桥梁桥面系刚度不足以适应现有实 际交通荷载条件(桥面系结构无法加固和提高刚度情况,如何延长桥面铺装的 使用寿命至 1015 年,是非常艰巨的任务,必须突破现有浇注式沥青混凝土铺 装、环氧改性沥青混
33、凝土铺装、双层 SMA 铺装等传统思路,进行有原创性的 科技创新取得有突破性的技术进步,才可能解决问题。该研究的完成,将使我 国钢桥面铺装技术达到国际领先水平。 10 致谢 本课题的研究是在各级领导的关怀和支持下完成的,他们为我们开路劈荆, 为本课题的顺利进行营造了良好的条件和环境,在课题即将结束之际,用我们 的劳动成果向他们表达我们最诚挚的谢意。 西部各省桥梁的病害调查与原因分析为我们把握本课题的重点起到至关重 要的作用。在调查期间我们得到了广西、重庆、陕西、甘肃和新疆等地区行政 领导的大力支持,为我们得到详实的桥面铺装资料创造了良好的条件,在此对 他们表示最真诚的感谢。 在课题研究过程中得到了很多道路行业的前辈和专家们的支持和帮助,他 们对本课题的开展和进行提出了大量宝贵的建设性的意见,对课题的重点和难 点进行了指点和帮助,促进了课题研究的完善和全面。在此对他们表示崇高的 敬意和深切的感谢。 试验路和实体工程的铺筑对课题研究的开展是非常重要,而且各地的条件 和环境差别很大,试验路实施的难度很大。在试验路的铺筑过程中得到了各试 验路段的行政领导、监理和施工等部门的紧密配合和大力支持,为本课题的顺 利完成奠定了基础。在此对他们的辛苦劳动表示最真诚的感谢。
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