劉夢梅，韓 森，楊 赫，吳曉明

長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064

防水黏層是橋面鋪裝體系的重要結構之一，起黏結及防水作用，保證了橋面結構的整體性，并確保橋梁在使用期限內(nèi)免受水損害[1-5].大量實體工程和相關文獻均表明，黏層后期常出現(xiàn)層間積水現(xiàn)象，嚴重威脅層間的黏結性能，導致橋面黏層防水和抗剪功能失效[6-9].橋面鋪裝的諸多病害均與防水黏層性能緊密相關[10-11].當水分通過裂縫或壓實不足的道路邊緣，滲入到防水黏層，在層間集聚、流動，會形成局部冒水現(xiàn)象，引發(fā)更嚴重的病害[12].水分在層間流動，也致使防水黏層的黏結性能和耐久性能減弱.層間水引發(fā)的病害被稱為隱性病害[1]，該病害在初期從橋面表觀往往難以識別，長此以往，層間積水加劇，造成結構性病害[1,10].

數(shù)字圖像處理技術具有突出的直觀表現(xiàn)能力，能夠準確、客觀地反映路面材料的性能，在路面檢測及路面結構領域應用廣泛[13-17].針對目前國內(nèi)橋面鋪裝防水黏層材料繁多、結構組合各異、性能良莠不齊和設計規(guī)范不完善等問題，圖像處理技術提供了一種數(shù)字化、系統(tǒng)化的研究方法.因此，基于數(shù)字圖像處理技術，進行不同防水黏層的層間空隙分布與滲水、積水、黏結性能的相關關系研究，對分析橋面鋪裝層間防水與黏結特性具有重要的現(xiàn)實意義.

工程中常用的橋面鋪裝防水黏層材料主要有卷材類、涂抹類、封層類和細質(zhì)瀝青混凝土類等[18].近年來，防水黏結層的研究側(cè)重于對橋面鋪裝的組合結構和新材料的研發(fā)，而對評價方法的研究則不全面.龔僥斌等[19]將橋面鋪裝各層化零為整，基于港珠澳大橋，研究了橋面鋪裝的抗拉性能.目前研究僅考慮力學性能，而忽視了防水黏層的防水性能.本研究選用工程中典型的5種橋面鋪裝防水黏層(改性乳化瀝青、4.75同步碎石、9.5同步碎石、5 mm瀝青混凝土(5 mm asphalt concrete, AC-5)和稀漿封層)，利用數(shù)字圖像處理技術，分析層間的空隙分布特征，并結合層間水平滲水試驗、剪切試驗及拉拔試驗，對黏層的滲水、積水及黏結性能進行工程適用性分析.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

為研究橋面鋪裝黏層的防水及黏結特性，根據(jù)不同結構層的需要，分別選用以下原材料.20 mm瀝青混凝土(20 mm asphalt concrete, AC-20)中面層：SBS改性瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉.水泥混凝土橋面板：C42.5普通硅酸鹽水泥、石灰?guī)r集料、河砂和水.5種防水黏層為：① 改性乳化瀝青防水黏層：SBS改性乳化瀝青；② 4.75同步碎石防水黏層：SBS改性瀝青和4.75 mm粒徑石灰?guī)r集料；③ 9.5同步碎石防水黏層：SBS改性瀝青和9.5 mm粒徑石灰?guī)r集料；④ AC-5防水黏層：克煉70#基質(zhì)瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉；⑤ 稀漿封層防水黏層：SBS改性乳化瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉.上述防水黏層的膠結料性能如表1.

表1 黏層膠結料性能

1.2 試件制備

為模擬工程中橋面鋪裝的結構類型，在實驗室制備“AC-20中面層+防水黏結層+水泥混凝土板”復合板試件.水泥混凝土底板尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，并對其表面進行拉毛處理，平均構造深度約為0.9 mm，用于模擬橋面板.分別對SBS改性乳化瀝青、4.75同步碎石、9.5同步碎石、AC-5和稀漿封層等防水黏層的防水及黏結特性展開研究.其中，SBS改性乳化瀝青的撒布量為1.0 kg/m2；4.75同步碎石和9.5同步碎石瀝青的撒布量統(tǒng)一為1.0 kg/m2；碎石用量分別為4 kg/m2和6 kg/m2；碎石覆蓋率均為70%～75%.AC-5與稀漿封層混合料的級配如圖1，攤鋪厚度約為10 mm.其中，AC-5的油石比為6.6%，稀漿封層的油石比為7.2%.將已撒布黏層的水泥混凝土板置于30 cm×30 cm×10 cm的試模中，量取中面層高度剩余量，以此計算AC-20混合料用量，將其碾壓在試模中形成復合板.

圖1 AC-5和稀漿封層混合料級配

對5種復合板進行鉆芯，獲得直徑為10 cm、高度為10 cm的柱形復合試件，用于計算機斷層(computed tomography, CT)掃描及剪切、拉拔試驗，并對復合板進行切割，獲得14 cm×14 cm×10 cm復合試件塊，用于層間滲水實驗.每組進行3次平行試驗，計算平均值.

1.3 試驗方案

本研究采用YXLON Y.CT Modula掃描儀對柱形復合試件進行掃描，精度可達10 μm，自上而下掃描60 mm，因此涵蓋了黏層區(qū)間.利用Matlab軟件對采集的黏層CT圖像進行數(shù)字圖像處理，獲取黏層空隙率和空隙等效圓直徑等指標，用于分析橋面鋪裝黏層的防水及黏結性能.本研究采用最大類間方差法對圖像進行分割處理，經(jīng)大量閾值分析，發(fā)現(xiàn)閾值約為93時效果最好，可以獲取良好的空隙分割圖像，同時減少運算時間.CT掃描過程如圖2.其中，0～20 mm為AC-20表面區(qū)域；20～40 mm為AC-20中部區(qū)域；40～60 mm涵蓋所有黏層區(qū)域及黏層與上下板件的過渡區(qū)域.本研究重點分析橋面鋪裝薄弱區(qū)域——黏層及其過渡區(qū)域(40～60 mm).

層間水平滲水試驗采用長安大學自主研發(fā)的ST-1層間滲水儀進行測試，試驗儀器及原理如圖3[20].為保證水是通過層間空隙發(fā)生滲流，而非通過AC-20中面層、水泥板或復合試件與層間滲水模擬箱之間的間隙流出，需對其進行蠟封處理.滲水儀水頭高度為40 cm，量筒的量程為500 mL，每隔5 min讀數(shù)，試驗持續(xù)30 min.剪切和拉拔試驗用于評價黏層的黏結性能，剪切試驗選用HS-S I型直剪儀[14]，儀器的豎向應力設置為0.2 MPa，剪切速率為20 mm/min.拉拔試驗采用LGZ-1型拉拔儀[14]，拉拔速率為5 mm/min.黏結性能試驗示意圖如圖4.

為分析浸水和凍融條件下的層間黏結性能，分別對試件進行如下預處理：① 25 ℃通風放置72 h；② 25 ℃水浴箱中浸水72 h；③ 25 ℃水浴箱中浸水24 h.然后置于-18 ℃冰柜中冷藏24 h，最后于25 ℃通風處放置24 h，確保內(nèi)部結冰完全融化[21].

圖4 黏結性能試驗原理

2 結果與分析

2.1 防水黏結層數(shù)字圖像處理分析

如圖5，對采集間隔為0.5 mm的CT掃描圖像進行數(shù)字圖像處理，獲取黏層的空隙率n和空隙等效圓直徑D.空隙率為通過Matlab軟件獲取每張圖像所有空隙對應的像素點數(shù)，并根據(jù)式(1)計算而得.由于層間空隙結構和形狀各異，無規(guī)則，為了直觀分析黏層空隙分布特性，采用空隙等效圓直徑評價黏層空隙的尺寸大小和分布比例.空隙等效圓直徑為與實際空隙面積相等的標準圓的直徑，如式(2).空隙率和空隙等效圓直徑能夠量化層間空隙分布狀況，分析不同黏層材料滲水、積水與黏層空隙特性的關系.

(1)

(2)

其中，m為數(shù)字圖像中空隙對應的總像素點數(shù)；R為被掃描試件的實際半徑，50 mm；p為圖像的分辨率；S為CT圖像中單個空隙的實際面積.

圖5 數(shù)字圖像處理過程

不同黏層的空隙率如圖6.由圖6可知，不同防水黏結層空隙率沿試件高度范圍自上而下變化一致，呈先增大后減小趨勢，但不同類型黏層空隙率的峰值和突增范圍各異.其中，空隙率峰值由大到小排序為：4.75同步碎石>9.5同步碎石>改性乳化瀝青>AC-5>稀漿封層，同步碎石的空隙率顯著高于其他3種黏層.究其原因，撒布的碎石為單一粒徑石料，不能形成嵌擠密實結構，石料間的空隙率大；且石料表面沒有裹覆瀝青，當AC-20鋪裝在黏層上時，只有少量的流動瀝青與碎石表面黏結，遠不能填補碎石間的空隙.除此之外，發(fā)現(xiàn)4.75 同步碎石防水層空隙率突增拐點約為4.5 mm，且9.5同步碎石防水層空隙率突增拐點約為9.0 mm，兩者的變化拐點均與各自撒布同步碎石的粒徑大小相適應，說明碎石粒徑大小直接決定了黏層空隙率突增范圍的量級，該規(guī)律與層間的防水性能和黏結性能緊密相關.

表2為不同防水層層間空隙等效圓直徑分布情況.由表2可知，不同防水層層間空隙等效圓直徑(D)的分布規(guī)律有相似之處.其中，D<1 mm的空隙數(shù)量最多，均占空隙總數(shù)量59%以上；1 mm

圖6 不同黏層空隙率

表2 不同防水層層間空隙等效圓直徑分布情況

2.2 防水黏結層滲水及層間積水特性分析

為了研究5種不同類型防水層的水平抗?jié)B水性能，本研究進行了層間滲水試驗，每隔5 min分別記錄各層間滲水量，結果如表3.由表3可見，9.5同步碎石防水層前5 min的滲水量最大，其次為4.75同步碎石防水層，而稀漿封層和改性乳化瀝青防水層幾乎不滲水，說明同步碎石層間抗?jié)B水性能較差.這與上述層間圖像分析結果一致，同步碎石層間的空隙率大，空隙尺寸也較大，在層間形成連通空隙的概率高，易發(fā)生水平層間滲水、積水.

AC-5初期滲水量較小，但隨著滲水時間延長，滲水量顯著上升，20 min后，稀漿封層也出現(xiàn)了滲水的現(xiàn)象.究其原因，主要是由于AC-5與稀漿封層空隙直徑較小，都為微空隙，水分在空隙間流動時受毛細作用，流動速度較慢，后期易發(fā)生滲水問題.工程中常用的5種防水黏結層中，乳化瀝青防水層的抗?jié)B水性能最好，未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.但在實際工程中，單層的乳化瀝青黏層油易受施工車輛影響，防水作用易被破壞.

表3 不同防水黏結層滲水試驗結果

2.3 防水黏結層黏結特性分析

2.3.1 剪切試驗結果

圖7 不同黏層浸水和凍融條件下抗剪強度

本研究對5種黏層材料分別進行浸水和凍融預處理，采用剪切試驗，以此模擬汽車在路面行駛時，對路面產(chǎn)生的橫向剪切力，造成推移等病害，結果如圖7.由圖7可見：① 5種黏層抗剪強度的大小順序為：AC-5>改性乳化瀝青>稀漿封層>4.75同步碎石>9.5同步碎石.其中，AC-5瀝青砂的抗剪切強度最大，這是因為AC-5為熱拌瀝青混合料，能較好地保留膠結料的黏結性能，且AC-5級配偏細，內(nèi)部形成密實結構，能夠有效抵抗剪切力.而同步碎石防水層由于石料表面沒有裹覆瀝青，上層底面與碎石之間的膠結瀝青膜有限，導致上下層的黏結性能大大降低.在外推力作用下，碎石層成為薄弱面，發(fā)生剪切破壞.改性乳化瀝青保留了SBS的串聯(lián)結構，通過聚苯乙烯嵌段聚集，形成穩(wěn)固的三維微觀結構，分散在瀝青中，聚苯乙烯末端賦予材料足夠的強度.② 在防水黏結層浸水處理條件下，9.5同步碎石、4.5同步碎石、AC-5和稀漿封層的抗剪強度分別降低23.2%、21.7%、19.5%和16.9%，而改性乳化瀝青僅減少9.0%.這主要是由于集料親水性能強，尤其是酸性集料.被水長期浸泡的過程中，瀝青膜與集料相互分離，減小了鋪裝層層間的黏結性能.另外，綜合上述滲水試驗結果，碎石防水層的空隙率較大，而AC-5與稀漿封層內(nèi)部存在大量的微空隙，后期發(fā)生輕微層間滲水，水分殘留在鋪裝層之間，充當了潤滑劑的作用，減小了層間的摩擦阻力，造成層間抗剪能力下降.滲水試驗結果已表明改性乳化瀝青防水層防水性能優(yōu)異，所以浸水條件下，改性乳化瀝青防水層的黏結強度受水的影響較小.③凍融對不同防水黏結層的剪切強度均有不利影響.黏層內(nèi)部存在空隙，溫度降低時，層間聚集的空隙水結冰，體積變大，對空隙產(chǎn)生膨脹壓力，導致黏層抗剪強度損失.在實際工程中，若層間存在積水問題，在冬季早晚大溫差環(huán)境下，易產(chǎn)生凍融破壞，加之車輛荷載反復作用，對黏層耐久性造成潛在威脅.

2.3.2 拉拔試驗結果

按照橋面瀝青鋪裝層受力狀況看，層間剪切作用顯著.但黏結層受各向外力耦合作用，除了汽車行駛方向的水平剪切力，在輪胎擠壓作用下層間積水處還易產(chǎn)生孔隙水壓力.因此，本研究采用浸水和凍融條件下的拉拔實驗來評價黏層的豎向黏結性能，作為防水黏層力學性能輔助評價指標.

由圖8可知，同步碎石的拉拔強度與上述剪切強度表現(xiàn)一致，均相對較小.而稀漿封層的豎向拉力小于水平剪切力.因為，稀漿封層受級配調(diào)控，混合料內(nèi)部形成嵌擠結構，當受到水平推力時，除了膠結料間的黏附力，還有集料提供的咬合摩阻力，所以抗剪強度相對較好.豎向拉力主要取決于膠結料與集料的黏結性能，稀漿封層的膠結料采用乳化瀝青，其黏結強度低于熱瀝青；且稀漿封層為細級配混合料，比表面積較大，所以瀝青膜較薄，黏結性較差；加之乳化瀝青破乳過程會產(chǎn)生水和空隙，因此，稀漿封層豎向黏結性能降低.綜上可見，SBS改性乳化瀝青防水黏層的抗?jié)B水與黏結性能均相對較好，是一種比較適宜的橋面鋪裝黏層.但施工中，其受施工車輛影響，黏層作用易被破壞.

圖8 不同黏層浸水和凍融條件下抗拉強度

3 結 論

1)通過數(shù)字圖像處理技術、黏層水平滲水試驗、層間剪切及拉拔試驗，對工程中常用的橋面防水黏結層進行工程適用性分析，完善了橋面鋪裝防水層的評價方法，提出了黏結層空隙特性(孔隙率、空隙等效圓直徑)、防水性能(滲水系數(shù))和力學性能(剪切強度為主，拉拔強度為輔)等綜合評價指標.

2)通過CT掃描獲取層間圖像，基于數(shù)字圖像分析技術，量化了層間空隙分布狀況.試驗結果顯示：同步碎石空隙率最高，空隙尺寸較大，改性乳化瀝青黏層空隙率次之，AC-5和稀漿封層空隙率較低，且內(nèi)部存在空隙大部分為微空隙.

3)除SBS改性乳化瀝青外，其余常用橋面防水黏層均發(fā)生了層間滲水現(xiàn)象，具有層間積水的潛在威脅，影響?zhàn)拥酿そY性能.其中，同步碎石的滲水量最大，AC-5與稀漿封層次之，改性乳化瀝青幾乎不滲水.

4)5種典型黏層抗剪強度排序為：AC-5>改性乳化瀝青>稀漿封層>4.75同步碎石>9.5同步碎石.橋面防水黏層黏結性能受溫濕環(huán)境變化的影響顯著.同步碎石、AC-5和稀漿封層在浸水、凍融條件下，抗剪、抗拉強度降低顯著.