王榮慶

摘 要：基于室內(nèi)剪切試驗和拉拔試驗，對橡膠瀝青作為水泥混凝土橋面碎石封層的層間結合穩(wěn)定性進行系統(tǒng)的試驗和分析，從橡膠瀝青噴涂量、灑布碎石情況、層間界面處理狀況、環(huán)境溫度等方面確定出影響層間結合穩(wěn)定的各項因素及規(guī)律，為橡膠瀝青碎石封層的現(xiàn)場應用及施工質(zhì)量控制提供理論和試驗依據(jù)。

關鍵詞：水泥混凝土橋面；碎石封層；橡膠瀝青；層間結合穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.2 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2016）05-0063-04

Abstract： The analysis on stability of interlayer bonding of asphalt rubber chip seal of cement concrete deck was carried out based on indoor shear test and pull-out test. Factors which affect the stability of interlayer bonding were determined in terms of the asphalt rubber spraying， gravel spreading， interlayer interface treatment and ambient temperature， which provides theoretical and experimental basis for the application and construction quality control of asphalt rubber chip seal.

Key words： cement concrete deck； chip seal； asphalt rubber； stability of interlayer bonding

0 引 言

在水泥混凝土橋梁工程的實際應用中，瀝青混凝土鋪裝層往往會發(fā)生剝落、松散、擁包等早期病害。究其原因，主要是由于水泥混凝土橋面板與瀝青鋪裝層之間的碎石封層沒有起到良好的防水粘結效果，導致層間結合穩(wěn)定性不足從而發(fā)生破壞[1-2]。碎石封層的層間結合穩(wěn)定性主要包括層間抗剪切強度和粘結強度[3]。本文通過室內(nèi)剪切試驗和拉拔試驗來模擬層間實際受力狀況，系統(tǒng)研究影響橡膠瀝青層間結合穩(wěn)定性的各項因素，了解其抗剪切強度和粘結強度的變化規(guī)律，為現(xiàn)場應用和施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 層間抗剪強度試驗分析

1.1 橡膠瀝青灑布量的確定

試驗條件為：溫度60 ℃；剪切速率10 mm·min-1；表面未撒碎石。為盡可能減少水泥混凝土表面狀況的差異對試驗結果的影響，在其表面涂一層環(huán)氧樹脂，固化前撒大量0.3～0.6 mm的細砂，固化后將未粘住的砂清除。

試驗過程：橡膠瀝青的灑布溫度為185 ℃～190 ℃，其用量選用1.2、1.5、1.8、2.1、2.5 kg·m-2，相應的碎石封層厚度約為1.2、1.5、1.8、2.1、2.5 mm。

橡膠瀝青在不同用量下的抗剪切強度試驗數(shù)據(jù)見表1，抗剪強度與橡膠瀝青用量的關系曲線見圖1，其中抗剪強度用τ表示。

由圖1可以看出：當橡膠瀝青用量在1.8 kg·m-2時，層間抗剪強度τmax出現(xiàn)峰值，峰值左側τmax增加較緩，峰值右側τmax下降較快；當橡膠瀝青用量超過2.1 kg·m-2，層間抗剪強度值明顯降低，碎石封層此時可能成為滑動層；當橡膠瀝青灑布量達到2.5 kg·m-2時，從層間破壞特征來看，橡膠瀝青碎石封層與水泥混凝土試件及上層瀝青混凝土之間并未發(fā)生明顯的剪切破壞，而是由于碎石封層自身出現(xiàn)自由滑動而導致破壞[4]。

根據(jù)上述試驗結果，考慮到實際施工時橋面粗糙程度的變異性和施工工藝，確定橡膠瀝青作為碎石封層的合適灑布量為1.6～2.0 kg·m-2，灑布溫度為190 ℃～200 ℃。在實際工程中，具體撒布量應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取低值，反之則取高值。

1.2 碎石撒布工藝的優(yōu)化

采用瀝青材料作為橋面碎石封層，為防止在施工過程中出現(xiàn)運輸車輛及攤鋪機粘輪現(xiàn)象而影響施工質(zhì)量，通常在噴灑完熱瀝青之后，撒布適量干燥潔凈的碎石，然后再用膠粉壓路機輕碾1～2遍[5]。工程經(jīng)驗認為，撒布碎石有利于增大層間摩擦力，從而提高層間抗剪強度。

橡膠瀝青作為碎石封層同樣如此，通過試驗來確定碎石撒布用量及粒徑對其層間抗剪強度的影響，從而提出針對性的技術措施來提高層間結合性能。試驗條件為：室內(nèi)溫度60 ℃；剪切速率10 mm·min-1；碎石撒布量為10 kg·m-2；橡膠瀝青噴涂溫度為185 ℃～190 ℃；碎石撒布溫度為室溫。橡膠瀝青在不同用量下撒布碎石后的抗剪強度數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出：通過撒布碎石能夠有效提高層間抗剪強度。如果碎石與橡膠瀝青本身粘結力不足，或瀝青混凝土鋪裝層僅與碎石粘結而未與碎石封層粘結，那么橋面板、碎石封層及鋪裝層三者的整體性將會受到較大影響，從而將直接影響層間結合性能[6]。受此啟發(fā)，將潔凈碎石在160 ℃～165 ℃環(huán)境下預熱4 h后進行撒布，以此提高碎石與橡膠瀝青的粘結效果。在同樣條件下進行上述試驗，由試驗數(shù)據(jù)（表3）可以看出，撒布預熱處理后的碎石，能夠明顯增加橡膠瀝青碎石封層的層間抗剪強度。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，為充分發(fā)揮橡膠瀝青碎石封層的層間粘結效果，建議在實際施工過程中撒布潔凈碎石，灑布量為10 kg·m-2左右（即滿鋪面積的60%～80%），并適當增加橡膠瀝青的噴灑溫度（190 ℃～200 ℃）和用量（1.8～2.2 kg·m-2），具體用量根據(jù)碎石潔凈程度、撒布量及粒徑分布情況綜合確定。如果有條件的話，建議將撒布碎石在160 ℃～165 ℃環(huán)境下進行預熱處理。

1.3 混凝土表面狀況對層間抗剪強度的影響

針對橡膠瀝青作為碎石封層，以層間抗剪強度最大為判據(jù)，通過室內(nèi)剪切試驗來確定混凝土橋面板的最佳處理狀況。

試驗條件為：溫度為常溫25 ℃；剪切速率為10 mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8 kg·m-2（即碎石封層厚度為1.8 mm）；不撒布碎石。將橋面板處理成不同程度的粗糙面來考察其對抗剪切強度的影響，其中光滑面是指水磨石人工磨制；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2）來模擬橋面拉毛后的實際效果?；炷帘砻娲植诔潭?，用擺式摩擦儀測定的抗滑值表示。

隨機選取表面處理情況分別為光滑、原狀和粗糙狀況的試件進行試驗，從宏觀方面初步研究表面狀況對于層間剪切強度的影響情況，試驗數(shù)據(jù)見表4。

由表4可以看出，對不同的混凝土表面狀況，碎石封層在相同條件下的抗剪強度有一定差別，具體表現(xiàn)為原狀表面（即試件成型后未進行過任何處理）層間抗剪強度最小，其次為經(jīng)打磨處理的光滑表面，抗剪強度最大的為經(jīng)過噴砂處理的粗糙表面。出現(xiàn)這種狀況的原因可能是：原狀混凝土表面有粘結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，在剪切作用下成為薄弱面，更容易被剪斷破壞；新鮮的光滑表面避免了原狀表面的上述現(xiàn)象，與橡膠瀝青的粘結力較大，層間抗剪強度增大；混凝土表面具有一定的粗糙程度，有利于增減層間摩擦力，從而提高抗剪強度。由此可以看出，水泥混凝土橋面板表面進行噴砂處理對于提高層間剪切強度的重要性。

1.4 溫度對層間抗剪強度的影響

通過改變溫度條件來考察其對橡膠瀝青碎石封層層間抗剪強度的影響，其中剪切速率固定為10 mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8 kg·m-2（即碎石封層厚度為1.8 mm）；不撒布碎石。試驗結果見表5，抗剪強度與環(huán)境溫度的回歸關系曲線如圖3所示。

分析上述試驗數(shù)據(jù)可以看出：橡膠瀝青材料在60 ℃時的抗剪強度分別相當于15 ℃和25 ℃時的1/4和1/3，說明碎石封層的層間抗剪強度隨溫度的變化較大，尤其是在高溫下的抗剪強度明顯降低。而這剛好與橋面主要集中在夏季高溫時發(fā)生推移、擁包等病害的情況相吻合。在夏季高溫季節(jié)，橡膠瀝青粘度降低，抗流動能力減小，導致與水泥混凝土橋面板之間的粘結力下降，從而使得橋面在夏季高溫時容易出現(xiàn)推移、擁包等病害。本項試驗直接反映了高溫環(huán)境對橋面鋪裝層層間結合穩(wěn)定性的破壞作用，因此，當選用橡膠瀝青作為碎石封層材料時，必須嚴格控制其在高溫狀態(tài)下的抗剪能力。

2 層間粘結強度試驗分析

2.1 環(huán)境溫度對層間粘結強度的影響

橡膠瀝青作為溫度敏感性材料，模量隨溫度發(fā)生較大的變化。在高溫季節(jié)下，其模量降低，與水泥混凝土橋面板的模量相差很大，導致層間粘結強度降低。本試驗通過改變溫度條件來考察其對橡膠瀝青碎石封層層間粘結強度的影響，其中拉拔速率為10 mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8 kg·m-2（即碎石封層厚度為1.8 mm）；水泥混凝土表面情況均為原狀即成型后不做任何處理。試驗結果見表6，試驗過程中的破壞面位置均在碎石封層與水泥混凝土面之間，層間粘結強度與環(huán)境溫度的回歸關系曲線見圖4。

分析上述試驗數(shù)據(jù)可以看出：橡膠瀝青材料在60 ℃時的層間粘結強度分別相當于15 ℃和25 ℃時的1/7和1/4，說明其層間粘結強度隨溫度的變化較大，尤其是在高溫下的粘結強度明顯降低。這主要是因為在高溫條件下，橡膠瀝青本身流動性增大，粘度有所降低，直接導致層間結合性能下降，同時也說明，當選用橡膠瀝青作為橋面碎石封層時，必須嚴格控制其在高溫條件下的粘度。

2.2 混凝土表面狀況對層間粘結強度的影響

采用不同界面狀況的混凝土試件進行拉拔試驗，以研究其對橡膠瀝青碎石封層層間粘結強度的影響。試驗條件為：溫度為常溫25 ℃；拉拔速率固定為10 mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8 kg·m-2（即碎石封層厚度為1.8 mm）；3種界面處理情況分別為光滑面、原狀面和粗糙面（其中光滑面是指用水磨石人工磨制，原狀是指成型后不做任何處理，為模擬橋面拉毛后的實際情況，粗糙面是指試件成型強度形成后的表面用噴砂處理）。試驗結果見表7，試驗過程中的破壞面位置均在碎石封層與水泥混凝土面之間。

結合界面處理情況對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析，對碎石封層與水泥混凝土的界面接觸方式進行微觀分析（圖5），確定使層間粘結強度最大時的理想界面情況。

對圖5所示的3種界面狀況進行微觀分析：圖中（a）為絕對光滑，碎石封層與混凝土的接觸面積較大，破壞面在平整的混凝土表面，雖然可能具有較大的粘結力，但是層間抗剪強度較?。粓D中（b）為絕對粗糙，由于混凝土表面存在較突出的凸起和凹陷，在拉拔時，其實只有凸起處才產(chǎn)生粘結力，而在凹陷處，可能存在空隙等不粘結的地方，對粘結力的貢獻很小；圖中（c）為最佳組合方式，即符合接觸面積最大時粘結力最大的條件，這種不存在表面突變的波浪型混凝土表面可能就是能夠產(chǎn)生最大粘結力的表面。這對現(xiàn)場如何通過處理混凝土表面狀況來提高層間粘結強度有很好的指導意義。

3 結 語

（1）考慮到實際施工時橋面粗糙程度的變異性和施工工藝，確定橡膠瀝青作為碎石封層的合適灑布量為1.6～2.0 kg·m-2，灑布溫度應為190 ℃～200 ℃。

（2）在實際施工過程中應撒布潔凈碎石，撒布量為10 kg·m-2左右（即滿鋪面積的60%～80%），同時建議將撒布碎石在160 ℃～165 ℃環(huán)境下進行預熱處理。

（3）橡膠瀝青作為橋面碎石封層，其層間粘結強度受到環(huán)境溫度和橋面混凝土表面處理狀況的影響，其中溫度對其影響最大。當環(huán)境溫度從15 ℃上升到60 ℃時，粘結強度降低80%左右，因此建議采用60 ℃時的粘結強度來反映橡膠瀝青碎石封層的界面結合效果。

（4）混凝土表面狀況對層間粘結影響較大，為保證層間穩(wěn)定性，橋面板應進行拉毛處理。

參考文獻：

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[5] 夏 瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[6] 楊維寧.橡膠瀝青同步碎石封層設計及其性能驗證[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（11）：54-56.

[責任編輯：黨卓鈺]