萬晨光,　申愛琴,　樊　莉

(長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安　710064)

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橋面鋪裝防水黏結(jié)層結(jié)構(gòu)組合性能研究

萬晨光,申愛琴,樊莉

(長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安710064)

文章針對防水黏結(jié)層破壞而引起的橋面鋪裝早期病害,選取常用的防水黏結(jié)層材料進行研究。首先確定了調(diào)平層表面采取拉毛、刻槽和植石措施時的改性瀝青最佳灑布量,其中拉毛和刻槽為1.4～1.6 kg/m2,植石為1.6～1.8 kg/m2,然后在最佳灑布量條件下對黏結(jié)層抗動水沖刷性能進行研究。結(jié)果表明:采用植石措施的結(jié)構(gòu)抗剪強度明顯高于拉毛和刻槽措施下的結(jié)構(gòu)抗剪強度;溫度和水對防水黏結(jié)層的抗剪強度和黏結(jié)強度影響顯著,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)抗剪強度和黏結(jié)強度均顯著降低,在40 ℃水浴條件下達到最低;溫度同樣是黏結(jié)層抗動水沖刷能力的重要影響因素。

橋面鋪裝;防水黏結(jié)層;抗剪試驗;拉拔試驗;動水壓力

水泥混凝土橋橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)由水泥混凝土調(diào)平層、防水黏結(jié)層和瀝青鋪裝層組成[1]。近年來,很多新建橋梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)過早地出現(xiàn)了一些病害,其中以防水黏結(jié)層局部失效而引起的推移、擁包和水損害表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重[1-9]。防水黏結(jié)層作為橋面鋪裝 “承上啟下”的一層結(jié)構(gòu),對瀝青鋪裝層與水泥混凝土調(diào)平層之間力、位移的傳遞起著至關(guān)重要的作用[10],良好的防水黏結(jié)層不僅可以將混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層黏結(jié)為一個受力整體,還可以為橋面板提供一個隔離水分的屏障,防止橋面板遭受雨水以及因撒除冰鹽而帶來的鹽溶液的侵蝕,大大提高了橋面鋪裝的耐久性[9-10]。

目前,我國混凝土橋橋面鋪裝常用的防水黏結(jié)層材料均屬于涂膜類材料,主要包括乳化瀝青、改性乳化瀝青和熱改性瀝青等[3,10],其中以性能良好的熱改性瀝青的使用最為普遍[9-11]。為此,本文選用SBS改性瀝青同步碎石封層作為防水黏結(jié)層,在不同的調(diào)平層表面處理措施、不同的SBS改性瀝青灑布量以及不同溫度條件下,對組合結(jié)構(gòu)的抗剪切性能、抗拉拔性能和抗動水沖刷性能進行研究,為橋面鋪裝防水黏結(jié)層的設(shè)計和施工提供一定的理論依據(jù)。

1　試驗方案設(shè)計

1.1原材料技術(shù)指標(biāo)

改性瀝青同步碎石防水黏結(jié)層和瀝青鋪裝層均采用4.5%殼牌SBS改性瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見表1所列。

表1　SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

改性瀝青同步碎石防水黏結(jié)層的石料采用粒徑為4.75～9.5 mm擋石灰?guī)r,其技術(shù)指標(biāo)見表2所列。

表2　石料技術(shù)指標(biāo)

1.2混凝土調(diào)平層及瀝青鋪裝層配合比

調(diào)平層采用C40混凝土,瀝青鋪裝下層為AC-20C型瀝青混凝土,其配合比分別見表3、表4所列。

表3　C40混凝土配合比

表4　AC-20C型混合料配合比

1.3試驗設(shè)備

(1) 路面多功能剪切儀。橋面鋪裝層間抗剪能力是評價橋面鋪裝性能優(yōu)劣的一項關(guān)鍵指標(biāo),抗剪能力不足是造成橋面鋪裝病害的重要原因之一,路面多功能剪切儀可以在設(shè)定的速度下測試路面結(jié)構(gòu)層間抗剪強度,進而評價層間結(jié)構(gòu)性能的好壞。

(2) 室內(nèi)拉拔試驗儀。拉拔試驗儀用來測定黏結(jié)層與混凝土調(diào)平層和瀝青鋪裝下層之間的黏結(jié)強度,黏結(jié)強度對橋面鋪裝的抗疲勞性能有很大的影響[6],因此,防水黏結(jié)層黏結(jié)強度同樣是橋面鋪裝性能優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。

(3) 防水材料動水沖刷試驗儀。由于瀝青混凝土不可避免地存在一定量的空隙,尤其是在出現(xiàn)裂縫時,高速行駛的汽車會使空隙和裂縫中的水分產(chǎn)生很大的動水壓力,進而對防水黏結(jié)層造成損害[3]。目前,尚沒有規(guī)范的試驗方法來測定防水黏結(jié)層材料的抗沖刷性能,為此研發(fā)了防水材料動水沖刷試驗儀。該儀器的主要功能是測試正負(fù)壓力以及不同溫度條件下防水材料的抗沖刷性能,試驗時所需水量為5 L,正負(fù)水壓量程均為2 MPa。

1.4試件成型

(1) 剪切試驗和拉拔試驗所用試件均為高100 mm、直徑100 mm的圓柱體。為模擬橋面鋪裝真實結(jié)構(gòu),本文首先使用300 mm×300 mm×100 mm的車轍板試模,采用“水泥混凝土板+SBS改性瀝青同步碎石防水黏結(jié)層+瀝青鋪裝層”結(jié)構(gòu)來成型試件,為模擬施工現(xiàn)場,分別對混凝土表面進行拉毛、刻槽和植石處理。

經(jīng)測試,3種處理措施下混凝土表面構(gòu)造深度分別為0.7、0.6、1.1 mm,3種表面處理措施分別如圖1所示。經(jīng)表面處理后鋪筑防水黏結(jié)層、瀝青鋪裝層,再用輪碾成型機進行碾壓，待車轍板試件冷卻后用鉆芯機鉆取圓柱體試件,成型試件如圖2所示。在撒布碎石時,要保證混凝土板表面的覆蓋率在80%左右,撒布量約為6 kg/m2。

圖1　混凝土表面處理措施

圖2　成型試件

對于刻槽處理措施,槽的規(guī)格設(shè)為寬3～5 mm,深5～6 mm,間距為20～30 mm;對于植石處理措施,是指在水泥混凝土板初凝之前及時、均勻地撒布一層單一粒徑(4.75～9.50 mm)的集料,覆蓋率為75%左右,然后施加一定的荷載將集料壓入混凝土,使集料的埋入深度達到粒徑的2/3,以使混凝土表面形成粗糙構(gòu)造。要求嵌入的集料應(yīng)具有棱角、呈立方體形、質(zhì)地堅硬,其磨光值較大,一般情況下不應(yīng)低于50。

(2) 動水沖刷試驗試件。將適當(dāng)用量的SBS改性瀝青均勻涂抹在表面光滑的平臺上,待瀝青冷卻成膜后小心取下并剪成直徑為(100±1) mm的尺寸,然后放入試模中密封待用,如圖3所示。

圖3　動水沖刷試驗試件

2　試驗結(jié)果分析

2.1瀝青灑布量及溫度對抗剪性能的影響

SBS改性瀝青灑布量分別取1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kg/m2,對于拉毛和刻槽處理措施,紋理方向應(yīng)與剪切方向垂直,剪切速率取10 mm/min,分別在0、20、40 ℃和40 ℃水浴條件下進行試驗,試驗結(jié)果見表5所列。

表5　抗剪強度試驗結(jié)果　MPa

首先,對試驗結(jié)果進行三因素析因?qū)嶒灧治?表5結(jié)果表明三因素(表面處理措施、溫度和改性瀝青灑布量)交互作用顯著,且三因素中兩兩交互作用高度顯著,這說明3個因素均對抗剪強度具有顯著的影響。

由表5可知,相同處理措施、相同溫度條件下,隨著SBS改性瀝青灑布量的增加,組合結(jié)構(gòu)抗剪強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,其中拉毛和刻槽在瀝青灑布量為1.4～1.6 kg/m2時,抗剪強度最大;對于植石處理措施,瀝青灑布量為1.6～1.8 kg/m2時,抗剪強度最大。說明不同表面處理措施下,改性瀝青均存在一個最佳灑布量,即存在一個瀝青膜最佳厚度,當(dāng)瀝青膜過薄時,不能爬升到防水黏結(jié)層所撒布碎石的足夠高度,造成改性瀝青與碎石的黏結(jié)強度不足、結(jié)構(gòu)抗剪強度較低;當(dāng)瀝青灑布量過多、瀝青膜過厚時,會形成過多的自由瀝青,即在界面形成富油層,從而會造成抗剪強度的減小。

對于3種表面處理措施,在相同溫度和相同瀝青灑布量條件下,拉毛和刻槽處理措施下結(jié)構(gòu)的抗剪強度明顯低于植石措施下結(jié)構(gòu)的抗剪強度,降低幅度在15%～50%之間,且溫度越高降低幅度越明顯,40 ℃時,植石處理的結(jié)構(gòu)最大抗剪強度較拉毛和刻槽分別增大49%和48%。根據(jù)摩爾強度理論:τ=C+σtanφ,在黏結(jié)力C一定的情況下,隨著構(gòu)造深度的增加,內(nèi)摩擦角φ也在不斷增加,相應(yīng)地防水黏結(jié)層的抗剪強度就增大。

在相同處理措施、相同瀝青灑布量條件下,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)抗剪強度顯著降低,在40 ℃水浴條件下達到最低。以植石處理措施、瀝青灑布量為1.8 kg/m2為例, 40 ℃和40 ℃水浴條件下結(jié)構(gòu)抗剪強度比0 ℃分別降低了87%和94%,說明溫度和水分對SBS改性瀝青防水黏結(jié)層抗剪強度影響顯著。因此,在高溫季節(jié),對橋面交通超載過載車輛進行適當(dāng)?shù)墓苤朴葹楸匾?/p>

2.2瀝青灑布量及溫度對黏結(jié)性能的影響

與剪切試驗類似,拉拔試驗SBS改性瀝青灑布量同樣分別取1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kg/m2,拉拔速率取10 mm/min,分別在0、20、40 ℃和40 ℃水浴條件下進行試驗,試驗結(jié)果見表6所列。與抗剪試驗相似,首先,對黏結(jié)強度實驗結(jié)果進行三因素析因?qū)嶒灧治?分析結(jié)果表明三因素(表面處理措施、溫度和改性瀝青灑布量)交互作用顯著,且三因素中兩兩交互作用高度顯著,這說明3個因素均對黏結(jié)強度具有顯著的影響。

拉拔試驗結(jié)果與剪切試驗具有相似的規(guī)律,說明拉拔試驗與剪切試驗有很好的相關(guān)性。在相同表面處理措施和相同溫度條件下,結(jié)構(gòu)黏結(jié)強度隨著改性瀝青灑布量的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且不同處理措施下改性瀝青最佳灑布量與剪切試驗基本吻合,拉毛和刻槽為1.4～1.6 kg/m2、植石為1.6～1.8 kg/m2。

表6　黏結(jié)強度試驗結(jié)果　MPa

在相同表面處理措施、相同瀝青灑布量條件下,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)黏結(jié)強度同樣顯著降低,在40 ℃水浴條件下達到最低,以植石措施、瀝青灑布量為1.8 kg/m2為例, 40 ℃和40 ℃水浴條件下結(jié)構(gòu)抗剪強度比0 ℃分別降低了86%和92%,說明溫度和水分對SBS改性瀝青防水黏結(jié)層黏結(jié)強度影響顯著。

與剪切試驗不同的是,在相同溫度和相同瀝青灑布量條件下,不同處理措施的黏結(jié)強度沒有明顯差異、基本持平,說明構(gòu)造深度對防水黏結(jié)層黏結(jié)強度影響不大。

2.3防水黏結(jié)層抗動水沖刷性能研究

綜合剪切試驗和拉拔試驗結(jié)果,取1.6 kg/m2作為瀝青的最佳灑布量,待試件安裝密封好之后開啟注水加壓裝置，直至充滿試模,其中水溫為20 ℃和40 ℃ 2種情況,然后以0.1 MPa的差值逐級加壓至試件破壞,表現(xiàn)為水壓突然減小,終止試驗并記錄試件滲透壓力,結(jié)果見表7所列。

表7　動水壓力試驗結(jié)果

由表7可知,隨著溫度的升高,SBS改性瀝青黏結(jié)層抗動水沖刷能力顯著降低,40 ℃時動水壓強比20 ℃時降低了27.4%,說明溫度是SBS改性瀝青抗動水沖刷能力的重要影響因素。根據(jù)伯努利定理計算可知,動水壓力隨著汽車速度的增大而增大,當(dāng)行車速度為80 km/h時,瀝青鋪裝層表面動水壓力為0.38 MPa;當(dāng)行車速度為120 km/h時,動水壓力可達0.55 MPa[8]。說明20 ℃時灑布量為1.6 kg/m2的SBS改性瀝青可以承受速度為120 km/h車速產(chǎn)生的動水壓力;40 ℃時灑布量為1.6 kg/m2的SBS改性瀝青可以承受速度為100 km/h車輛產(chǎn)生的動水壓力。同時,通過試驗過程可知,為了防止防水黏結(jié)層局部薄弱部位被動水壓力破壞,施工中保證SBS改性瀝青灑布的均勻性，進而保證整個區(qū)域都能達到規(guī)定的抗?jié)B要求是非常必要的。

3　結(jié)　　論

(1) 綜合剪切試驗和拉拔試驗結(jié)果可知,當(dāng)調(diào)平層表面采取拉毛和刻槽處理措施時,推薦其最佳改性瀝青灑布量為1.4～1.6 kg/m2;當(dāng)調(diào)平層表面采取植石處理措施時,推薦其最佳改性瀝青灑布量為1.6～1.8 kg/m2。

(2) 對于剪切試驗,在相同溫度和相同瀝青灑布量條件下,植石處理措施結(jié)構(gòu)抗剪強度明顯高于拉毛和刻槽處理措施,增加幅度在15%～50%之間;對于拉拔試驗,在相同溫度和相同瀝青灑布量條件下,3種處理措施結(jié)構(gòu)黏結(jié)強度沒有明顯差異。

(3) 溫度和水對防水黏結(jié)層的抗剪強度和黏結(jié)強度影響顯著,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)抗剪強度和黏結(jié)強度均顯著降低,在40 ℃水浴條件下達到最低。

(4) 溫度是SBS改性瀝青抗動水沖刷能力的重要影響因素,隨著溫度的升高,SBS改性瀝青黏結(jié)層抗動水沖刷能力顯著降低,40 ℃時改性瀝青動水沖刷壓強比20 ℃時降低了27.4%。

[1]臧繼成,潘正華,羅君,等.超載及調(diào)平層厚度對連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝層受力的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,32(6):1137-1140.

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(責(zé)任編輯張镅)

Composite behavior of waterproof binding course on cement concrete bridge deck

WAN Chenguang,SHEN Aiqin,FAN Li

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In view of the early disease of bridge deck pavement caused by the damage of waterproof binding course, the pavement performance of common waterproof binding course was studied. Firstly, the optimum spraying volume of modified asphalt under different treatments of the leveling course was determined, among which the picking and notch groove treatments were 1.4-1.6 kg/m2, and the stone-implanted treatment was 1.6-1.8 kg/m2. Then the anti-erosion performance of the waterproof binding course under the optimum spraying volume of modified asphalt was studied. The results show that the shear strength under the stone-implanted treatment is much larger than those under the picking and notch groove treatments; the temperature and water are the important factors that influence the shear strength and bond strength of the waterproof binding course, with the increase of temperature, the shear strength and bond strength reduce significantly, reaching the minimum under the water bath of 40 ℃; the temperature is an important factor that influences the anti-erosion ability of the waterproof binding course.

bridge deck pavement; waterproof binding course; shear test; pull-out test; dynamic water pressure

2015-02-11；

2015-05-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310821165004)

萬晨光(1988-),男,河南開封人,長安大學(xué)博士生;

申愛琴(1957-),女,陜西安康人,博士,長安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.019

U443.33

A

1003-5060(2016)07-0960-05