趙正峰， 張瑞杰， 戴蘇春， 常迅夫

(1.洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心 洛界高速公路管理處，河南 洛陽 471000；2.洛陽市交通工程質(zhì)量鑒定站，河南 洛陽 471000；3.洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心 養(yǎng)護科，河南 洛陽 471000；4.河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

近年來，交通運輸行業(yè)加快建設交通強國目標，中國中西部地區(qū)的基建投資景氣度較高，橋跨結(jié)構在路網(wǎng)全線的占比越來越高。2020年末，全國公路橋梁達91.28萬座，橋梁里程達6 628.55萬延米，比上年末分別增加3.45萬座和565.1萬延米，橋梁里程占公路里程比例逐年提高[1]。

我國公路橋梁多為水泥混凝土橋梁，橋面鋪裝結(jié)構由瀝青鋪裝層、防水黏結(jié)層和水泥混凝土橋面板組成。根據(jù)對多條高速公路早期破壞狀況的調(diào)查可知，橋面面層早期損壞常見病害形式有推移、松散、泛白等，究其原因在于混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層之間的接觸狀態(tài)不佳[2]，層間結(jié)構作為橋面鋪裝的薄弱區(qū)域，對鋪裝層間穩(wěn)定性具有重要影響。研究人員通過拉毛、刻槽、噴砂等方式對室內(nèi)制備的混凝土板進行表面處理，或通過鑿毛、拋丸、銑刨等方式對混凝土橋面進行粗糙化處理，研究混凝土板表面狀態(tài)對橋面鋪裝層間性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過采用性能優(yōu)異的防水黏結(jié)層材料，提高混凝土橋面板的粗糙度或構造深度能夠提高橋面板與瀝青鋪裝層之間的抗剪強度[3-5]。然而，上述研究先通過相應工藝處理混凝土表面，再進行試驗表征來評估表面構造狀態(tài)的影響規(guī)律，不具有人為可控性，如果能夠通過前置量化處理工藝，制備定量構造深度的混凝土板，再進行相關試驗，能更有效地發(fā)現(xiàn)相應的變化規(guī)律。

通過模具成型法對混凝土板表面構造深度量化模擬，研究了不同表面構造深度對橋面鋪裝層間抗拉拔強度、抗剪切強度、層間橫向滲水和抗疲勞特性的影響規(guī)律，為橋面鋪裝調(diào)平層混凝土表面構造深度量化控制提供一定依據(jù)。

1 試驗材料

結(jié)合河南省混凝土橋常見鋪裝形式，進行相關試件的制備和材料選取。橋面鋪裝下面層為AC-20瀝青混合料，防水黏結(jié)層選擇熱噴SBS改性瀝青同步碎石封層、水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青，調(diào)平層為C40水泥混凝土，調(diào)平層混凝土表面構造深度設置為0、0.4、0.8、1.2 mm。

1.1 瀝青鋪裝層

橋面瀝青鋪裝層為AC-20瀝青混合料，油石比為4.2，各檔碎石級配及混合料合成級配如表1所示。

表1 AC-20瀝青混合料配合比 %

1.2 調(diào)平層混凝土

C40水泥混凝土，水泥為P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，配合比為水∶水泥∶砂∶碎石=0.4∶1∶2.21∶2.71，聚羧酸減水劑摻量為0.5%。水泥指標如表2所示。

表2 水泥性能指標

1.3 防水黏結(jié)層

防水黏結(jié)層所用材料滿足《路橋用水性瀝青基防水涂料》(JT/T 535—2015)、《道橋用防水涂料》(JC/T 975—2005)等相關標準要求。SBS改性瀝青灑布量為1.4 kg/m2，水性環(huán)氧瀝青灑布量為1.0 kg/m2，高黏乳化瀝青灑布量為0.8 kg/m2，灑布效果如圖1所示，材料性能指標如表3～表5所示。

圖1 3種防水黏結(jié)層材料灑布效果

表3 SBS改性瀝青性能指標

表4 水性環(huán)氧瀝青性能指標

表5 高黏乳化瀝青性能指標

2 表面構造量化處理

在30 cm×30 cm車轍板模具中傾入融化的石蠟，待自然冷卻硬化后脫模，用鋼刷在蠟板表面拉毛處理，根據(jù)相關規(guī)范方法測其表面構造深度[6]。通過不斷拉毛、測試、修正，使蠟板表面構造深度滿足方案需求。將已知構造深度的蠟板重新放入車轍板模具中，調(diào)制環(huán)氧樹脂注入裝有蠟板的車轍板模具中，待完全固化后脫模如圖2(a)所示。將特定構造深度的環(huán)氧樹脂模板置入車轍板模具中，澆筑C40混凝土，養(yǎng)護7 d后脫模，即可得到與蠟板表面構造相同的水泥混凝土板，如圖2(b)所示，混凝土養(yǎng)生30 d備用。

通過上述步驟，即可實現(xiàn)調(diào)平層混凝土表面構造深度的量化處理，得到特定構造深度的混凝土板。在混凝土板表面涂布防水黏結(jié)層材料，置入車轍板模具，并攤鋪AC-20瀝青混合料，經(jīng)壓實、切割，即可得到不同層間結(jié)構的復合試件，如圖2(c)所示。

圖2 表面構造深度量化處理過程

3 結(jié)果與討論

3.1 構造深度對Pull-off強度的影響

瀝青鋪裝層與混凝土橋面板兩者材料和性質(zhì)差異較大，為保證橋梁上部結(jié)構的良好協(xié)同變形能力，使一剛一柔兩結(jié)構層形成整體受力，防水黏結(jié)層需具有良好的黏結(jié)性能[7-8]。Pull-off拉拔試驗通過施加拉拔力測量發(fā)生破壞時的拉應力值，定量地表征界面黏結(jié)強度，拉拔試驗示意圖如圖3所示，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖3 Pull-off黏結(jié)強度測試

圖4 拉拔強度與構造深度的關系

由圖4對比發(fā)現(xiàn)，不同構造深度對防水黏結(jié)材料的拉拔強度大致產(chǎn)生2種變化規(guī)律。以熱熔型SBS改性瀝青為例，隨著構造深度的增加，拉拔強度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。隨著混凝土表面粗糙度增加，黏結(jié)界面由單一的平面向波紋狀粗糙界面過渡，層間黏結(jié)面積相對增加，黏結(jié)強度增大。隨著構造繼續(xù)增大，黏結(jié)材料集中分布于構造凹槽內(nèi)，層間未形成均勻連續(xù)涂膜，使整體黏結(jié)強度降低。

以冷施工型水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青為例，隨構造深度增加，拉拔強度呈遞減趨勢。在0 mm構造深度下，兩者拉拔強度高于熱熔SBS瀝青，主要是由于常溫下具有良好的流動性和滲透性，能夠滲入基層表面開孔和連通孔，經(jīng)破乳固化后，在黏結(jié)表面形成類似于鉚釘?shù)男ЧＳ捎趦烧邽⒉剂枯^小，隨著構造深度增大，流動狀態(tài)的黏結(jié)材料更易集中堆積在表面構造凹槽及縫隙內(nèi)，在層間無法形成連續(xù)的薄膜，上下基面黏結(jié)面積及效果不佳，導致拉拔強度持續(xù)降低。

3.2 構造深度對剪切性能的影響

相關研究表明，橋面調(diào)平層表面構造使橋面板與瀝青鋪裝層具有良好的嵌擠作用，表面構造紋理提供的層間摩擦阻力是影響橋面鋪裝抗剪穩(wěn)定性的重要因素[9-10]。行車荷載作用會對橋面鋪裝產(chǎn)生剪切應力，若抗剪穩(wěn)定性不足，則會沿行車方向產(chǎn)生推移、裂縫等病害，如圖5所示。為研究構造深度對鋪裝層間剪切強度的影響，對不同層間結(jié)構的復合試件進行剪切試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖5 剪切病害形成示意圖

圖6 剪切強度與構造深度的關系

由圖6可知，在調(diào)平層構造深度為0 mm的情況下，水性環(huán)氧瀝青的抗剪強度最大為1.33 MPa，其他2種防水黏結(jié)層抗剪強度較低。0 mm構造深度下，抗剪強度主要由黏結(jié)層材料自身內(nèi)聚強度提供，水性環(huán)氧瀝青固化后內(nèi)部形成熱固性交聯(lián)結(jié)構，因此抗剪切強度高。

隨著粗糙度增加，碎石嵌入混凝土構造凹槽，起到增強層間摩阻的作用，層間抗剪穩(wěn)定性提高。繼續(xù)增大表面構造，黏結(jié)材料無法形成連續(xù)薄膜，破壞黏結(jié)層涂料整體性。此外，構造深度增加使混凝土表面波形梳齒狀構造過薄，抗剪強度降低，在剪切荷載作用時，自身發(fā)生破壞導致摩阻和嵌鎖效果變差。根據(jù)試驗結(jié)果，對抗剪強度指標而言，橋面板表面構造深度不宜過高，以0.8 mm為宜。

3.3 構造深度對層間滲水的影響

在橋面鋪裝服役過程中，壓實的瀝青鋪裝層能夠有效阻止水分下滲，鋪裝層水損病害多是由于水分在層間橫向遷移導致，行車荷載作用下產(chǎn)生的動水沖刷引起橋面鋪裝出現(xiàn)松散、泛白等早期病害[11-12]。常規(guī)垂直滲水試驗無法真實反映滲水對橋面鋪裝層間性能的影響，使用層間橫向滲水裝置研究構造深度對鋪裝層層間滲水性能的影響，橫向滲水示意圖如圖7所示，構造深度對層間橫向滲水程度的影響結(jié)果如圖8所示。

圖7 層間橫向滲水示意圖

圖8 層間橫向滲水與構造深度關系

由圖8可知，隨著調(diào)平層表面構造深度增大，層間橫向滲水系數(shù)存在增大趨勢。SBS改性瀝青灑布量較多，受到熱瀝青混合料碾壓后會熔融流動，充分黏結(jié)瀝青層與調(diào)平層，封閉層間連通空隙，在一定構造深度下基本不存在層間滲水。但隨著構造深度的增加，防水黏結(jié)材料在一定的灑布量情況下，層間滲水通道增加，導致層間出現(xiàn)橫向滲水。構造深度相同，水性環(huán)氧瀝青與高黏乳化瀝青的層間橫向滲水表現(xiàn)不佳，較少的灑布量導致橋面鋪裝2層結(jié)構未充分黏結(jié)，存在較多連通空隙，層間橫向滲水系數(shù)較大。因此，在構造深度一定的情況下，適當增大防水黏結(jié)材料灑布量能夠封閉層間橫向滲水通道，減少橫向滲水的發(fā)生。

3.4 構造深度對疲勞特性的影響

混凝土橋面鋪裝在行車荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞破壞，即鋪裝層與調(diào)平層間黏結(jié)力喪失，出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。橋面板水泥混凝土和鋪裝層瀝青混合料2種材料性質(zhì)差異較大，兩者變形不協(xié)調(diào)時將產(chǎn)生較大的彎拉應變，橋面鋪裝在長周期疲勞作用下，容易產(chǎn)生推移、脫層、裂縫等病害[13-14]。使用UTM-30多功能路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)及四點彎曲疲勞試驗模塊，對小梁復合試件進行5萬次疲勞作用，復合試件疲勞特性如圖9所示。

圖9 不同防水黏結(jié)層復合試件疲勞特性

由圖9可知，隨著周期荷載作用次數(shù)的增加，鋪裝層復合試件彎曲勁度模量逐漸降低，表明復合試件的耐疲勞壽命逐漸降低。在交變荷載作用下，試件內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生和發(fā)展，導致整體受力特性衰減，最終發(fā)生疲勞破壞。對于相同防水黏結(jié)層復合試件，構造深度增加，彎曲進度模量衰減越快，殘余彎曲勁度模量減少，表明構造深度對鋪裝層復合試件耐疲勞壽命具有不利影響。構造深度增加，復合試件內(nèi)部缺陷增多，在荷載作用下，加速試件的疲勞破壞。

切割經(jīng)疲勞作用的小梁復合試件，并在標準條件下進行抗剪強度測試，評價經(jīng)疲勞作用后，殘余抗剪強度與構造深度的關系，結(jié)果如圖10所示。

圖10 殘余抗剪強度與構造深度的關系

由圖10可知，黏結(jié)層復合件經(jīng)疲勞作用后，隨著構造深度的增加，同一防水黏結(jié)層的衰減程度增大。其中，SBS改性瀝青抗剪強度依次衰減5.6%、9.9%、14.0%、19.6%；水性環(huán)氧瀝青抗剪強度依次衰減14.3%、19.6%、25.0%、42.0%；高黏乳化瀝青依次衰減10.4%、18.7%、21.6%、45.2%。在防水黏結(jié)材料用量一定的情況下，構造深度增加，使單位面積黏附的防水黏結(jié)層減少，導致層間柔性協(xié)調(diào)能力變低，抗疲勞性能降低。此外，彎曲振動作用導致混凝土板表面構造梳齒破損，進而導致嵌鎖作用降低，抗剪強度衰減。

SBS改性瀝青防水黏結(jié)層初始強度相對較低，經(jīng)疲勞作用后，強度衰減速率較慢，是由于SBS改性瀝青灑布量較高，且熱塑性彈性體聚合物賦予材料良好的彈塑性和耐久性。高黏改性乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青灑布量相對較少，且水性環(huán)氧固化后抗撓曲變形能力減弱，抗疲勞性能降低較快。

4 結(jié)論

(1)構造深度對拉拔黏結(jié)強度的影響需考慮黏結(jié)層材料類型：灑布量較多的熱熔型瀝青，構造深度適當增加有利于提高其黏結(jié)強度；灑布量較少的冷施工型瀝青，不適于較大的橋面板構造深度。

(2)構造深度增大對鋪裝層間抗剪強度具有積極的影響。表面構造深度為0.8 mm，提供的層間摩阻能夠保證鋪裝層間具有良好的抗剪切性能，但過大的構造深度會造成混凝土表面強度降低，進而對抗剪強度產(chǎn)生不利影響。

(3)構造深度增大導致層間橫向滲水系數(shù)增加，鋪裝層間具有較多連通孔隙，會對層間穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在調(diào)平層表面構造深度確定的情況下，宜增加黏結(jié)材料的灑布量，可減少層間滲水通道的產(chǎn)生。

(4)由于橋梁的使用特性，橋面鋪裝受典型高周期疲勞荷載作用，易產(chǎn)生疲勞破壞，經(jīng)疲勞試驗作用后，鋪裝層間抗剪強度降低，且構造深度越大，衰減程度越大。3種防水黏結(jié)材料中，熱塑性彈性體SBS改性的瀝青材料受周期荷載作用后，抗剪強度衰減較慢，具有較好的耐疲勞特性。

(5)綜合考慮構造深度對上述指標的影響及實際施工需求，在構造深度為0.8 mm的情況下，灑布量較多的熱熔型SBS改性瀝青材料能夠兼顧各指標的平衡，表現(xiàn)出較好的適用性。