雷旭麗

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300000)

0 引言

近年來(lái)，由于自然環(huán)境和重型車輛等因素的影響，橋梁常出現(xiàn)橋面開(kāi)裂、鋪裝層破損等現(xiàn)象，若橋面板沒(méi)有提前進(jìn)行防水處理，雨水就會(huì)滲入梁體造成構(gòu)件腐蝕，從而影響橋梁的使用壽命。橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分是非常重要的，它的質(zhì)量好壞影響著橋梁的使用壽命。鋪裝結(jié)構(gòu)直接承受著車輛荷載的作用，并防止車輪輪胎直接磨耗水泥混凝土橋面板、保護(hù)主梁免受雨水侵蝕，并對(duì)車輛輪重荷載起分布擴(kuò)散的作用。鋪裝結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。隨著交通流量和重型車輛的增加以及環(huán)境因素的影響，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層損壞情況越來(lái)越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)有:水泥混凝土橋面破壞形式為裂縫，露筋等(見(jiàn)圖1);而瀝青混凝土橋面則表現(xiàn)為裂縫，坑槽，壅包，推移等，造成原因?yàn)閷娱g有較大剪應(yīng)力及溫度變化。此時(shí)若防水粘結(jié)層粘結(jié)性不足，防水性差則會(huì)產(chǎn)生極大危害。這不僅會(huì)妨礙正常交通，影響行車安全性，易造成交通事故，也會(huì)影響橋面的美觀，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的。

1 防水粘結(jié)層材料性能研究

1.1 原材料的選擇

用來(lái)做對(duì)比試驗(yàn)的兩種防水粘結(jié)材料均有運(yùn)用到實(shí)際工程中的先例，SBS改性乳化瀝青由某市交通運(yùn)輸局制備，其中瀝青含量為55%，鑒于材料的特殊性在測(cè)其各項(xiàng)性能指標(biāo)時(shí)采用蒸發(fā)殘留物，而在測(cè)量其60℃粘度時(shí)，本文主要考慮破乳后起粘結(jié)作用的SBS改性瀝青的粘度;環(huán)氧樹(shù)脂型號(hào)為E44(6101);膠粉改性瀝青選用膠粉含量為21%的改性瀝青，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 防水粘結(jié)層材料高溫穩(wěn)定性

膠粉改性瀝青防水粘結(jié)層材料在165℃高溫條件下的狀態(tài)，表面呈現(xiàn)少量氣泡，但不具有流淌性，結(jié)構(gòu)層厚度不會(huì)變化，不會(huì)受到破壞。膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)也較高，在夏季高溫條件下作為防水粘結(jié)層，其軟化點(diǎn)是高于環(huán)境溫度的。高溫環(huán)境持續(xù)4 h時(shí)，廢膠粉改性瀝青也可很好地工作，不會(huì)因溫度而使其發(fā)生流淌。而在面層施工時(shí)，瀝青混合料的高溫可使防水粘結(jié)層材料廢膠粉改性瀝青呈軟化狀態(tài)，但不具備流淌性，這樣不會(huì)影響防水粘結(jié)層厚度的變化，即可以保證施工最佳方案。在攤鋪瀝青混合料時(shí)，軟化了的膠粉改性瀝青能更好地與上面層的瀝青混凝土結(jié)合，形成更堅(jiān)固的骨架結(jié)構(gòu)。由此看出，膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定性是較優(yōu)的，適合作防水粘結(jié)層材料(見(jiàn)圖2)。

表1 材料各項(xiàng)基本指標(biāo)

圖1 橋面露筋破壞

圖2 膠粉改性瀝青高溫狀況

1.3 防水粘結(jié)材料的低溫抗裂性

防水粘結(jié)材料的溫度敏感性也極強(qiáng)，高溫條件下它們可以呈現(xiàn)軟化甚至流動(dòng)狀態(tài)，使其在不同的環(huán)境溫度中表現(xiàn)出不同的物理性能，進(jìn)而體現(xiàn)出不同的路用性能。低溫時(shí)防水粘結(jié)材料也會(huì)受到較大影響，在低溫環(huán)境中材料一般容易發(fā)生裂縫甚至脆斷。在我國(guó)北方地域每年最低氣溫可以達(dá)到－40℃，這些地區(qū)在冬季時(shí)路面一般處于冰凍狀態(tài)，而其他地區(qū)在冬季也會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰凍期，材料在冰凍期“服役”時(shí)是十分容易出現(xiàn)病害的，這樣會(huì)直接影響橋梁的使用壽命，因此有必要對(duì)材料的低溫抗裂性進(jìn)行對(duì)比研究。

圖3為膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時(shí)，經(jīng)歷低溫冰凍后，材料在外力作用下的變形情況。從圖3中可以看出膠粉改性瀝青在彎曲180°后表面沒(méi)有出現(xiàn)裂痕。在冬季，車輛荷載作用后材料能承受較大的力，發(fā)生極大的變形也不會(huì)出現(xiàn)破壞，因此也具有較優(yōu)的低溫柔韌性，適合在低溫條件中工作。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出膠粉改性瀝青在低溫環(huán)境中能更好地工作，在車輛荷載的反復(fù)作用下也不易出現(xiàn)裂縫病害，過(guò)低的溫度直接影響到橋梁等的使用壽命，因此在選擇材料時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)境因素。

2 防水粘結(jié)層材料力學(xué)性能的研究

本節(jié)采用實(shí)際工程中“水泥混凝土橋面板+防水粘結(jié)層+AC-13C瀝青混合料面層”的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，在高低溫環(huán)境中對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切拉拔試驗(yàn)。并考察各種其他因素對(duì)路用性能的影響，不同的防水粘結(jié)層材料在同樣的狀態(tài)下進(jìn)行路用性能檢測(cè)，對(duì)比出膠粉改性瀝青是否更適合運(yùn)用到實(shí)際工程中。對(duì)路用性能的檢測(cè)采用剪切拉拔試驗(yàn)的主要原因是橋面鋪裝功能及其特殊使用環(huán)境所決定的。

試驗(yàn)過(guò)程中剪切試驗(yàn)參考長(zhǎng)沙理工大學(xué)對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度儀LWD-3型進(jìn)行了改裝，依照實(shí)驗(yàn)室模擬橋面結(jié)構(gòu)層厚度自制合適尺寸的夾具，該裝置自動(dòng)化程度高，能夠自動(dòng)對(duì)試件進(jìn)行剪切并記錄數(shù)據(jù)，并且操作簡(jiǎn)單，讀數(shù)準(zhǔn)確迅速，適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大量的試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)。

圖3 膠粉改性瀝青

圖4 剪切儀器

試驗(yàn)過(guò)程中采用剪切速率為5 cm/min，施加荷載方向?yàn)榇怪奔虞d，夾具的斜面角度為45°，模擬的垂直力與水平力相等時(shí)的受力情況。試件的高度控制在43 mm±0.5 mm，這樣可保證試件剪切面正好為防水粘結(jié)層界面，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。對(duì)于結(jié)果的處理采用公式(1):

其中，S為試件剪切截面積，m2;F為試驗(yàn)中加載力，N;τ為防水粘結(jié)層剪應(yīng)力，Pa。

拉拔試驗(yàn)WEP-100型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖5)，自制拉拔夾具，拉拔時(shí)先將橋面結(jié)構(gòu)層用環(huán)氧樹(shù)脂膠和夾具粘結(jié)在一起，待環(huán)氧樹(shù)脂實(shí)干(5 h)后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔過(guò)程中嚴(yán)格控制拉伸速率，保證每次試驗(yàn)過(guò)程的拉伸速率一樣，本研究過(guò)程中將拉伸速度設(shè)定為0.05 kN/s。試驗(yàn)過(guò)程中破壞界面發(fā)生在防水粘結(jié)層接觸面時(shí)認(rèn)定試驗(yàn)結(jié)果有效，若破壞發(fā)生在試件與夾具粘結(jié)界面則需重新試驗(yàn)，每次試驗(yàn)需保證夾具和試件接觸面的干凈平整，加載方式為垂直拉伸。其基本情況見(jiàn)圖5。

3 破壞界面的分析

圖5 拉拔試驗(yàn)儀器

針對(duì)以上剪切試驗(yàn)時(shí)防水粘結(jié)層出現(xiàn)的各種界面破壞有三種(見(jiàn)圖6):1)防水粘結(jié)層自身層間破壞;2)防水粘結(jié)層與水泥混凝土面板之間出現(xiàn)破壞;3)防水粘結(jié)層與瀝青混合料層間出現(xiàn)破壞。層與層之間有粘結(jié)力及石料之間的嵌擠力，剪切破壞時(shí)主要是受到的外界力克服了結(jié)構(gòu)層之間的這個(gè)合力，使之受到破壞。在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，三種破壞與材料關(guān)系較大。膠粉改性瀝青主要出現(xiàn)的破壞形式為防水粘結(jié)層與水泥混凝土面板之間的破壞;SBS改性乳化瀝青則是出現(xiàn)自身層間破壞;環(huán)氧樹(shù)脂作為防水粘結(jié)層時(shí)，出現(xiàn)的破壞形式為與上面層瀝青混合料之間的開(kāi)脫。

膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時(shí)對(duì)界面處理要求較高，保證界面潔凈干燥的同時(shí)還需要保證攤鋪時(shí)膠粉改性瀝青的溫度，一定要保證膠粉改性瀝青灑布后具有一定的流動(dòng)性，確保灑布均勻。膠粉改性瀝青中橡膠顆粒吸油性較強(qiáng)，灑布后底部有部分依靠吸附油料的膠粉顆粒與水泥混凝土粘結(jié)，水泥混凝土剛度較大，與上面層瀝青混合料相比，水泥混凝土與防水粘結(jié)材料的結(jié)合性較差，而膠粉改性瀝青自身粘度較高，其自身分子之間的粘結(jié)力也會(huì)大于水泥混凝土與防水粘結(jié)材料之間的粘結(jié)力;在嵌擠力方面，同步碎石的加入增強(qiáng)了層與層之間的嵌擠力，同水泥混凝土面板相比，瀝青混合料在碾壓時(shí)會(huì)使得同步碎石完全嵌入到瀝青混合料中，使之完全成為一個(gè)整體。因此當(dāng)采用膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時(shí)，水泥混凝土面板與防水粘結(jié)層材料層間的力是最薄弱的，在車輛荷載的作用下，最薄弱處發(fā)生破壞，因此在試驗(yàn)過(guò)程中采用膠粉改性瀝青作防水粘結(jié)材料時(shí)其破壞界面基本發(fā)生在水泥混凝土界面處。

圖6 剪切界面破壞形式

針對(duì)以上界面破壞出現(xiàn)的形式，膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時(shí)，可在水泥混凝土面板上灑布極少量的SBS改性乳化瀝青，該層作用主要是除塵且改善膠粉改性瀝青的接觸界面。SBS改性乳化瀝青常溫下呈液態(tài)，極少量的灰塵在橋面上時(shí)SBS改性乳化瀝青能完全將其覆蓋，灰塵對(duì)其影響不大，經(jīng)過(guò)它處理覆蓋的橋面柔性好，彈性模量能得到一定程度的改善，覆蓋在其上的膠粉改性瀝青與之結(jié)合更為牢固，不容易破壞。SBS改性乳化瀝青自身與水泥混凝土面板結(jié)合性優(yōu)于膠粉改性瀝青，少量灑布SBS改性乳化瀝青受高溫影響不大，橋面防水粘結(jié)層還是膠粉改性瀝青起主導(dǎo)作用，此時(shí)界面的破壞形式將可能發(fā)生改變，有可能從防水粘結(jié)層材料自身層間發(fā)生破壞，膠粉改性瀝青粘度較高，使之破壞的剪力必然增大，抗剪性能增強(qiáng)，因此鋪裝層可以有更好的路用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)層材料進(jìn)行施工，采用簡(jiǎn)易儀器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)指標(biāo)性能進(jìn)行了檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)層性能較優(yōu)。

2)物理性能選用了高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性、不透水性三種性能來(lái)表征，研究中發(fā)現(xiàn)膠粉改性瀝青的防水性能較優(yōu)，均能起到防水作用。高溫時(shí)SBS改性乳化瀝青性能較差，低溫時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂易發(fā)生脆斷，從整體來(lái)看，膠粉改性瀝青的物理性能在三種防水粘結(jié)材料中是最優(yōu)的。

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