李正中 宋曉燕 肖慶一 魏連雨

（天津市市政工程研究院1） 天津 300074） （河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院2） 天津 300401）（河北省土木工程技術(shù)研究中心3） 天津 300401）

0 引 言

水泥混凝土橋梁的防水及其瀝青混凝土鋪裝層的耐久性是公路建設(shè)界面臨的嚴(yán)重問題［1］．原本為解決橋面防水問題而設(shè)置的防水粘結(jié)層，在實(shí)際使用過程中卻由于各方面原因產(chǎn)生了新的問題，瀝青混凝土鋪裝層與橋面板在行車荷載作用下特別容易發(fā)生層間滑移甚至相互脫離，嚴(yán)重降低了橋面鋪裝層的使用壽命［2－3］．

我國(guó)目前的橋面防水材料大多由建筑防水材料轉(zhuǎn)變而來［4］，而眾所周知，橋面防水材料要求的條件苛刻得多，基于施工條件、使用環(huán)境及層位關(guān)系，其應(yīng)具有更好的耐高溫能力、抗變形能力和足夠的抗剪及粘結(jié)能力［5－6］．而橡膠瀝青具有高彈性、高粘結(jié)性及良好的高溫穩(wěn)定性，將其成功應(yīng)用于橋面防水，必將能夠有效地將瀝青混凝土鋪裝層和橋面板牢固粘結(jié)為整體，從而延長(zhǎng)橋面使用壽命［7］．因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其層間抗剪性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

1 試驗(yàn)方案

基于室內(nèi)剪切試驗(yàn)來確定橡膠瀝青作為水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層所能抵抗水平剪切的能力，系統(tǒng)研究瀝青噴涂量（即防水粘結(jié)層厚度）、撒布碎石用量及粒徑大小、水泥混凝土橋面板界面狀況、環(huán)境溫度等因素對(duì)其層間抗剪強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律，具體試驗(yàn)方案如下：（1）根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整橡膠瀝青用量，在其他試驗(yàn)參數(shù)不變的前提下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以抗剪強(qiáng)度最大為判據(jù)以確定最佳用量；（2）在最佳橡膠瀝青用量前提下，確定碎石撒布類型（碎石用量和粒徑大?。?duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響；（3）確定水泥混凝土橋面板表面狀況及粗糙程度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響；（4）固定其他試驗(yàn)參數(shù)，僅改變?cè)囼?yàn)溫度進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以確定橡膠瀝青防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律．

橡膠瀝青在不同情況下的剪變特性進(jìn)行分析并歸類見圖1．圖1a）在位移較小時(shí)就出現(xiàn)明顯的峰值，此時(shí)取峰值極限剪應(yīng)力為材料抗剪強(qiáng)度；圖1b）未出現(xiàn)明顯的峰值，但曲線a，b 2段間的斜率差別較大，此時(shí)取斜率變化處c點(diǎn)的剪應(yīng)力為材料抗剪強(qiáng)度；圖1c）峰值出現(xiàn)在位移較大處，或整個(gè)變形過程中始終沒有出現(xiàn)峰值，且未出現(xiàn)斜率變化較大的點(diǎn)，此時(shí)按照前兩種情況確定位移最大值U0作為抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位移值，U0對(duì)于的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度．

圖1 橡膠瀝青防水粘結(jié)層不同情況下的剪變特性

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為真實(shí)模擬橡膠瀝青作為水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層的層間抗剪性能，按施工實(shí)際狀況在室內(nèi)成型混凝土試件［8－9］，即首先在特制試模內(nèi)（100 mm×100mm×50mm）澆注水泥混凝土，分層插搗均勻，然后通過機(jī)械振動(dòng)臺(tái)振密成型，養(yǎng)生7d后拆模，28d后用于剪切試驗(yàn)．再將表面經(jīng)過預(yù)處理的水泥混凝土試件裝入試模內(nèi)，按規(guī)定要求施作防水粘結(jié)層，隨后在上面成型5cm厚的瀝青混凝土，冷卻后脫模備用．用于測(cè)試其層間抗剪性能的試驗(yàn)裝置如圖2，該裝置使試件的受力面與加載方向成30°，剪切面尺寸為100mm×100mm．

圖2 加載剪切試驗(yàn)裝置示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 橡膠瀝青合適用量

防水粘結(jié)層抗剪能力的充分發(fā)揮應(yīng)建立在合適的厚度基礎(chǔ)上，本節(jié)主要確定橡膠瀝青作為橋面防水粘結(jié)層的最佳用量（即最佳噴涂厚度）．具體試驗(yàn)條件為：溫度60℃；剪切速率10mm／min；表面未撒碎石．為盡可能減少混凝土表面狀況的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在其表面涂一層環(huán)氧樹脂，并在未固化前撒粒徑為0．3～0．6mm的細(xì)砂．試驗(yàn)過程中，橡膠瀝青噴涂溫度為185～190℃，其用量選用1．2，1．5，1．8，2．1，2．5kg／m2．不同橡膠瀝青用量下的層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3．

圖3 層間抗剪強(qiáng)度最大值與橡膠瀝青用量的關(guān)系曲線

由圖3所示，當(dāng)用量在1．8kg／m2附近時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，峰值左側(cè)增加較緩，而峰值右側(cè)下降較快；當(dāng)用量超過2．1kg／m2，層間抗剪強(qiáng)度明顯降低，防水粘結(jié)層此時(shí)可能成為滑動(dòng)層；而當(dāng)用量達(dá)到2．5kg／m2時(shí)，從層間破壞特征來看，防水粘結(jié)層與水泥混凝土試件及瀝青混凝土之間并未發(fā)生明顯的剪切破壞，而主要是由于防水粘結(jié)層自身出現(xiàn)自由滑動(dòng)而導(dǎo)致破壞．

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮混凝土橋面板粗糙程度的變異性和防水粘結(jié)層的傳統(tǒng)施工工藝，確定橡膠瀝青作為防水粘結(jié)層材料時(shí)，其合適灑布量范圍應(yīng)為1．6～2．0kg／m2，灑布溫度為190～200℃．在實(shí)際施工中，灑布量應(yīng)視橋面粗糙狀況以及撒布碎石情況決定，粗糙程度較大或撒布碎石粒徑較小時(shí)取低值，反之則取高值．

3.2 碎石撒布工藝

為防止在施工過程中出現(xiàn)運(yùn)輸車輛及攤鋪機(jī)的粘輪現(xiàn)象而影響防水粘結(jié)層的施工質(zhì)量，需要在噴灑完熱瀝青之后，撒布適量的干燥且潔凈的碎石，然后再用膠粉壓路機(jī)輕碾1～2遍，而且，撒布適量的碎石也能夠有效增加層間摩擦效果．本節(jié)主要確定碎石撒布用量及其粒徑對(duì)其層間抗剪強(qiáng)度的影響．具體試驗(yàn)條件為：溫度60℃；剪切速率10mm／min；撒布碎石粒徑為2．36～4．75mm和4．75～9．5mm，撒布量為滿鋪面積的70%左右，即10kg／m2左右（每塊試件上撒布碎石60～80g）；橡膠瀝青噴涂溫度為185～190℃，碎石撒布溫度為室溫．防水粘結(jié)層在不同撒布工藝下的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表1．

表1 防水粘結(jié)層在不同撒布工藝下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（60℃）

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

1）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，粒徑為2．36～4．75mm的碎石能夠有效提高層間抗剪強(qiáng)度，而粒徑為4．75～9．5mm的碎石卻使其有所降低．究其原因，主要是因?yàn)橄啾扔诜浪辰Y(jié)層的噴灑厚度（1．5～2．5mm），碎石粒徑過大會(huì)導(dǎo)致其不能完全被橡膠瀝青所覆蓋，從而增加了相對(duì)滑動(dòng)的可能性，使其成為滑動(dòng)層．而且，當(dāng)碎石粒徑過大時(shí)，瀝青混凝土鋪裝層將更多地與碎石嵌擠在一起，并沒有真正跟防水粘結(jié)層結(jié)合為一體，從而降低了層間抗剪強(qiáng)度．

2）隨著橡膠瀝青用量的增加，層間抗剪強(qiáng)度均有所提高，但超過一定用量時(shí)會(huì)使抗剪強(qiáng)度有所降低．這主要是因?yàn)殡S著瀝青用量的增加，碎石被瀝青裹覆的程度越來越好，一定程度上減小了其相對(duì)滑動(dòng)的可能性，但當(dāng)瀝青用量更大時(shí)，過多的自由瀝青也會(huì)增加其滑動(dòng)性，從而降低碎石間的嵌擠性；另外，隨著碎石粒徑的減小，瀝青混凝土鋪裝層能夠更充分地與防水粘結(jié)層結(jié)為整體，從而有效地提高層間結(jié)合性能．

由此可見，碎石必須與橡膠瀝青穩(wěn)定地構(gòu)成整體從而再將水泥混凝土橋面板和瀝青混凝土鋪裝層粘結(jié)起來，才能夠真正提高層間抗剪性能．加強(qiáng)碎石與橡膠瀝青間的粘結(jié)，應(yīng)該能夠有效提高其整體的層間抗剪性能．為此，將粒徑為2．36～4．75mm的碎石在160～165℃下預(yù)熱后再進(jìn)行撒布，在同樣條件下進(jìn)行上述試驗(yàn)，可以看出，撒布預(yù)熱處理后的碎石，能夠明顯增加層間抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2．

表2 防水粘結(jié)層在撒布預(yù)熱處理后碎石下的層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（60℃）

因此，為充分發(fā)揮和提高層間抗剪效果，建議在施工中使用粒徑為2．36～4．75mm的潔凈碎石，灑布量控制為10kg／m2左右（即滿鋪面積的60%～80%），并適當(dāng)提高橡膠瀝青的噴灑溫度（190～200℃）和用量（1．8～2．2kg／m2）．如果有條件的話，建議將撒布碎石進(jìn)行預(yù)熱處理．

3.3 混凝土表面狀況預(yù)處理

為提高層間抗剪效果，使橋面板和混凝土鋪裝層通過防水粘結(jié)層真正結(jié)合為整體，需要對(duì)橋面板進(jìn)行拉毛預(yù)處理．而根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究［10］，層間抗剪強(qiáng)度與橋面板粗糙程度并非是完全的線性增長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)橋面板粗糙到某一特定值時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度反而會(huì)有下降趨勢(shì)，不同的防水層材料對(duì)這一特定值有不同的限定．

本節(jié)以層間抗剪強(qiáng)度最大為判據(jù)，對(duì)混凝土橋面板的最佳處理狀況進(jìn)行量化分析．試驗(yàn)條件為：溫度為25℃；剪切速率10mm／min；橡膠瀝青噴灑量為1．8kg／m2；不撒布碎石；將橋面板處理成不同粗糙面來考察其對(duì)層間抗剪性能的影響．其中，光滑面是指用人工磨制，原狀是指成型后不做任何處理，粗糙面是通過表面噴砂處理（噴砂施工情況見圖4）來模擬拉毛后的實(shí)際效果．混凝土表面粗糙程度用擺式摩擦儀測(cè)定的抗滑值（BPN）來表示．

圖4 橋面噴砂機(jī)及對(duì)室內(nèi)混凝土試件進(jìn)行表面處理

隨機(jī)選取表面處理情況分別為光滑、原狀和粗糙狀況的試件進(jìn)行試驗(yàn)，從宏觀方面初步研究表面狀況對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3．

表3 防水粘結(jié)層在不同界面狀況的層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（25℃）

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于不同的混凝土表面狀況，層間抗剪強(qiáng)度有一定差別，具體表現(xiàn)為：原狀表面的層間抗剪強(qiáng)度最小，其次為經(jīng)打磨處理的光滑表面，抗剪強(qiáng)度最大的為經(jīng)過噴砂處理的粗糙表面．其原因可能是：（1）原狀混凝土表面有粘結(jié)力較小的浮漿或受到污染或有未清潔干凈的塵土等，減小了抵抗水平剪力的有效面積，更容易被剪切破壞；（2）新鮮的光滑表面避免了原狀表面的上述現(xiàn)象，與橡膠瀝青的粘結(jié)力較大，層間抗剪強(qiáng)度有所增大；（3）混凝土表面具有一定的粗糙程度，有利于增加層間摩擦力，從而提高抗剪強(qiáng)度．由此初步看出，水泥混凝土橋面板表面進(jìn)行噴砂處理對(duì)于提高層間抗剪強(qiáng)度的重要性．

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步量化分析橋面板表面粗糙程度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，相關(guān)性回歸曲線見圖5．

表4 不同粗糙程度混凝土試件下的層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（25℃）

圖5 防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度與橋面板表面粗糙程度之間回歸關(guān)系曲線

由防水粘結(jié)層層間直剪試驗(yàn)得出結(jié)論，層間抗剪強(qiáng)度隨垂直應(yīng)力的增大而近似線性增大，適用于摩爾強(qiáng)度理論，即當(dāng)τ≤c＋σtgφ時(shí)，層間不會(huì)發(fā)生剪切破壞．而橋面鋪裝層層間接觸面上的材料近似為顆粒性材料，其層間抗剪強(qiáng)度主要來自于防水粘結(jié)層與瀝青面層和水泥混凝土橋面板之間的粘聚力c，以及防水粘結(jié)層與面層和橋面拌之間滑動(dòng)摩擦所引起的摩阻力σtgφ．

由圖5曲線可以看出：隨著混凝土表面粗糙程度的增大，層間抗剪強(qiáng)度先上升后下降．混凝土表面相對(duì)比較光滑時(shí)，層間摩阻力較低；隨著粗糙程度的增加，摩阻力增大，剪切強(qiáng)度逐漸提高；但隨著粗糙程度的進(jìn)一步增大，表面紋理加深，構(gòu)造深度增大，部分防水材料可能聚集在混凝土表面紋理中，而無法形成均勻的防水層，反而使得粘結(jié)力下降，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低．

同時(shí)，圖3曲線也說明：混凝土橋面板過于光滑或過于粗糙都不利于防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮，當(dāng)其抗滑擺值在45～55之間時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)最大值．因此，在橋面預(yù)處理時(shí)，應(yīng)注意表面粗糙程度，將其嚴(yán)格控制在合理的范圍內(nèi)．對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，得出橡膠瀝青防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度與橋面板抗滑值間的關(guān)系式為

3.4 環(huán)境溫度影響

夏季高溫季節(jié)，防水粘結(jié)層和瀝青混凝土鋪裝層的模量降低，與水泥混凝土橋面板相差很大，使得粘結(jié)強(qiáng)度降低，在行車荷載等剪切作用下，極易形成推移、擁包等病害［10］．因此，非常有必要控制防水粘結(jié)層在高溫下的抗剪強(qiáng)度值．本節(jié)主要確定環(huán)境溫度對(duì)其層間抗剪性能的影響，剪切速率為10mm／min；橡膠瀝青噴灑量為1．8kg／m2；不撒布碎石，層間抗剪強(qiáng)度與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線見圖6．

圖6 防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度與環(huán)境溫度間的回歸關(guān)系曲線

由圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：橡膠瀝青防水粘結(jié)層在60℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別相當(dāng)于15℃和25℃時(shí)的1／4和1／3，說明層間抗剪強(qiáng)度隨溫度變化較大，尤其在高溫下的抗剪強(qiáng)度明顯降低．而這剛好與橋面主要集中在夏季高溫時(shí)發(fā)生推移、擁包等病害的情況相吻合．由層間抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式τ＝c＋σtgφ分析原因，在夏季高溫季節(jié)，橡膠瀝青粘度降低，抗流動(dòng)能力減小，直接導(dǎo)致與水泥混凝土橋面板之間的粘結(jié)力c下降，從而使得橋面在夏季高溫時(shí)容易出現(xiàn)推移、擁包等病害．本節(jié)試驗(yàn)直接反映了高溫環(huán)境對(duì)層間結(jié)合穩(wěn)定性的破壞作用，因此，必須嚴(yán)格控制防水粘結(jié)層材料在高溫狀態(tài)下的抗剪能力．對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，得出橡膠瀝青防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度與環(huán)境溫度間的關(guān)系式為

4 結(jié) 論

文中基于室內(nèi)剪切試驗(yàn)對(duì)橡膠瀝青防水粘結(jié)層的層間抗剪性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，確定影響其層間結(jié)合穩(wěn)定性的各種因素及規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）為提高橡膠瀝青防水粘結(jié)層的層間抗剪效果，建議撒布粒徑為2．36～4．75mm的潔凈碎石，灑布量控制為10kg／m2左右，并適當(dāng)增加橡膠瀝青的噴灑溫度（190～200℃）和用量（1．8～2．2kg／m2）．如果有條件的話，建議將撒布碎石進(jìn)行預(yù)熱處理．

2）為充分發(fā)揮橡膠瀝青防水粘結(jié)層的層間抗剪效果，應(yīng)將水泥混凝土橋面板的表面粗糙程度控制在合理的范圍內(nèi)，橋面板過于光滑或過于粗糙都不利于橡膠瀝青防水粘結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮，當(dāng)其抗滑擺值在45～55之間時(shí)，其層間抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)最大值．

3）環(huán)境溫度是影響橡膠瀝青防水粘結(jié)層層間抗剪性能的關(guān)鍵因素，必須嚴(yán)格控制橡膠瀝青在高溫狀態(tài)下的抗剪和粘結(jié)性能．

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