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        廢膠粉改性瀝青在橋面防水粘結(jié)層的應(yīng)用研究

        2013-08-23 07:26:26雷旭麗
        山西建筑 2013年15期
        關(guān)鍵詞:膠粉橋面剪切

        雷旭麗

        (天津城建設(shè)計院有限公司,天津 300000)

        0 引言

        近年來,由于自然環(huán)境和重型車輛等因素的影響,橋梁常出現(xiàn)橋面開裂、鋪裝層破損等現(xiàn)象,若橋面板沒有提前進(jìn)行防水處理,雨水就會滲入梁體造成構(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。此時若防水粘結(jié)層粘結(jié)性不足,防水性差則會產(chǎn)生極大危害。這不僅會妨礙正常交通,影響行車安全性,易造成交通事故,也會影響橋面的美觀,帶來的經(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

        用來做對比試驗(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其各項(xiàng)性能指標(biāo)時采用蒸發(fā)殘留物,而在測量其60℃粘度時,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)氧樹脂型號為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)層厚度不會變化,不會受到破壞。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,廢膠粉改性瀝青也可很好地工作,不會因溫度而使其發(fā)生流淌。而在面層施工時,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,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。低溫時防水粘結(jié)材料也會受到較大影響,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)在冬季時路面一般處于冰凍狀態(tài),而其他地區(qū)在冬季也會出現(xiàn)不同程度的冰凍期,材料在冰凍期“服役”時是十分容易出現(xiàn)病害的,這樣會直接影響橋梁的使用壽命,因此有必要對材料的低溫抗裂性進(jìn)行對比研究。

        圖3為膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時,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,對比出膠粉改性瀝青是否更適合運(yùn)用到實(shí)際工程中。對路用性能的檢測采用剪切拉拔試驗(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)過程中剪切試驗(yàn)參考長沙理工大學(xué)對馬歇爾穩(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,該裝置自動化程度高,能夠自動對試件進(jìn)行剪切并記錄數(shù)據(jù),并且操作簡單,讀數(shù)準(zhǔn)確迅速,適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大量的試驗(yàn)(見圖4)。

        圖3 膠粉改性瀝青

        圖4 剪切儀器

        試驗(yàn)過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型液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)(見圖5),自制拉拔夾具,拉拔時先將橋面結(jié)構(gòu)層用環(huán)氧樹脂膠和夾具粘結(jié)在一起,待環(huán)氧樹脂實(shí)干(5 h)后進(jìn)行拉拔試驗(yàn),拉拔過程中嚴(yán)格控制拉伸速率,保證每次試驗(yàn)過程的拉伸速率一樣,本研究過程中將拉伸速度設(shè)定為0.05 kN/s。試驗(yàn)過程中破壞界面發(fā)生在防水粘結(jié)層接觸面時認(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。其基本情況見圖5。

        3 破壞界面的分析

        圖5 拉拔試驗(yàn)儀器

        針對以上剪切試驗(yàn)時防水粘結(jié)層出現(xiàn)的各種界面破壞有三種(見圖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,剪切破壞時主要是受到的外界力克服了結(jié)構(gòu)層之間的這個合力,使之受到破壞。在剪切試驗(yàn)過程中,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)氧樹脂作為防水粘結(jié)層時,出現(xiàn)的破壞形式為與上面層瀝青混合料之間的開脫。

        膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時對界面處理要求較高,保證界面潔凈干燥的同時還需要保證攤鋪時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會使得同步碎石完全嵌入到瀝青混合料中,使之完全成為一個整體。因此當(dāng)采用膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)材料時,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)過程中采用膠粉改性瀝青作防水粘結(jié)材料時其破壞界面基本發(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,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SBS改性乳化瀝青能完全將其覆蓋,灰塵對其影響不大,經(jīng)過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

        1)采用膠粉改性瀝青作為防水粘結(jié)層材料進(jìn)行施工,采用簡易儀器對現(xiàn)場各項(xiàng)指標(biāo)性能進(jìn)行了檢測,現(xiàn)場實(shí)測結(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SBS改性乳化瀝青性能較差,低溫時環(huán)氧樹脂易發(fā)生脆斷,從整體來看,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。

        [1]白寶玉,王麗榮.橋梁工程[M].北京:高等教育出版社,2005:45.

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        [6]周鍵煒.水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層的試驗(yàn)研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

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