顏華平 曾成福

(1.江西省交通投資集團南昌北管理中心 南昌 330000; 2.江西省交通工程集團有限公司 南昌 330000)

近年,許多混凝土橋面在遠未達到設(shè)計使用壽命之前產(chǎn)生嚴重病害。經(jīng)發(fā)現(xiàn),大部分是由于防水系統(tǒng)失效,在凍融循環(huán)過程中,水分滲透到橋面導(dǎo)致了惡化速度增加[1-2]。此外,冬季用于防止危險路段的融雪劑或除冰鹽滲透到橋面,導(dǎo)致鋼筋腐蝕,削弱了橋梁的結(jié)構(gòu)完整性[3]。鋪設(shè)不透水的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)是防止水和氯化物滲入橋面的一種有效方法。同時,在橋面防水黏結(jié)層失效情況下能夠保證橋梁不受水和氯化物的影響。

橋面防水常見的做法是在混凝土結(jié)構(gòu)層和瀝青層之間作防水黏結(jié)層[4]。防水黏結(jié)層的材料種類繁多,部分防水材料本身質(zhì)量不過關(guān)、與界面黏結(jié)不好或耐久性差,造成橋梁使用中起不到防水作用,引起橋面水損害、梁體腐蝕鋼筋,嚴重影響了結(jié)構(gòu)的承載力、安全性和耐久性等[5]。另外,通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),在鋪筑瀝青混凝土路面時,防水黏結(jié)層容易被高溫破壞和粗集料穿刺,導(dǎo)致橋梁防水系統(tǒng)失效[6]。

本研究提出一種高密實抗?jié)B瀝青混凝土橋面防水結(jié)構(gòu)層(BDWSC)(見圖1),以防止水滲入橋面。BDWSC具有高壓實度和低空隙率,主要是通過改進的級配實現(xiàn),從而達到不透水性。另外,為了保證BDWSC能夠有效承受交通荷載作用,采用高黏度改性瀝青和高模量劑,以提高BDWSC瀝青混合料的抗車轍性能[7]。BDWSC作為不透水的磨損層,將保護橋梁結(jié)構(gòu)免受凍融和腐蝕相關(guān)的損害,有助于延長橋梁使用壽命,降低維修成本。

圖1 高密實抗?jié)B瀝青混凝土橋面防水結(jié)構(gòu)層示意圖

1 試驗材料

采用粒徑9.5～13.2,4.75～9.5 mm玄武巖粗集料,和粒徑0～4.75 mm石灰?guī)r細集料。瀝青采用PG76-22的SBS改性瀝青,并在設(shè)計配合比下成型BDWSC瀝青混合料試件。瀝青混合料中摻加高模量外加劑,以保證瀝青混合料具有足夠的抗車轍能力。粗集料基本技術(shù)指標見表1,瀝青基本性能見表2,BDWSC瀝青混合料級配見圖2。

表1 粗集料的技術(shù)指標

表2 SBS改性瀝青的性能

圖2 級配組成

2 試驗方法

采用SCB半圓彎曲試驗對BDWSC瀝青混合料的斷裂性能進行評價,采用FN流動次數(shù)試驗評價BDWSC瀝青混合料的抗車轍性能。通過SCB半圓彎曲試驗可以得到瀝青混合料的柔性指數(shù)FI,用以評價瀝青混合料的抗裂性能。另外,通過開發(fā)的降雨模擬試驗,對BDWSC瀝青混合料的抗?jié)B性能進行定量評價,降雨模擬試驗可以很好地模擬實際工況下橋面的滲水情況。在試驗前,采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)制備半圓彎曲(SCB)、流動次數(shù)(FN)和降雨模擬試件。試件的瀝青含量分別為7.5%,8.0%,8.5%。每種瀝青含量分別制備4個試件用于SCB試驗,制備3個試件用于FN試驗,制備3個試件用于降雨模擬試驗。

2.1 SCB半圓彎曲試驗

對于SCB試驗,首先將瀝青混合料壓實成直徑×高度=150 mm×130 mm尺寸的樣品。然后使用高精度鋸將每個壓實樣品切割成4個直徑為150 mm、厚度為(57±2) mm的半圓試件。采用超薄金剛石切割片在半圓試件的中部位置切割(15±0.5) mm切口深度的縫。試驗在25 ℃下進行,在測試的前一天將試件放在恒溫箱中。將半圓形試件平置于2個底部支撐滾軸上,上部居中位置采用1個圓柱加載條對試件施加垂直荷載,加載速率為0.5 mm/min,見圖3。試驗過程中采集荷載與位移,得到荷載-位移曲線。當荷載降至0.5 kN以下時,試驗停止。

圖3 SCB半圓彎曲試驗

柔性指數(shù)FI為斷裂能(Gf)與荷載-位移曲線拐點處斜率之比。FI可以表征瀝青混合料的脆性,FI值越低,瀝青混合料越脆,裂縫擴展速率更快。Gf為試件斷裂功與開裂區(qū)面積之比,斷裂功Wf由試驗得到的曲線下面積和曲線延伸面積的總和。曲線延伸面積通過使用系數(shù)為-2的冪函數(shù)來推斷得到。通過下面公式計算瀝青混合料的柔性指數(shù)FI。

(1)

(2)

(3)

式中:FI為柔性指數(shù);Gf為斷裂能,kJ/m2;abs(m)為荷載-位移曲線拐點處斜率絕對值,kN/mm;Wf為斷裂功,kJ;r為試件半徑,m;a為切口深度,m;t為試件厚度,m;P為荷載,kN;u為位移,m。

2.2 流動次數(shù)試驗

對于流動次數(shù)FN試驗,旋轉(zhuǎn)壓實瀝青混合料尺寸為直徑×高度=150 mm×170 mm的樣品。然后對試件進行取芯和切割,獲得直徑×高度100 mm×150 mm的圓柱形試件。為了避免偏心受力,兩端橫截面應(yīng)平行,高度允許誤差±0.5 mm。在試驗開始前施加5 kPa的應(yīng)力穩(wěn)壓5min,穩(wěn)壓完成后,施加軸向應(yīng)力600 kPa,采用0.1 s加載、0.9 s間歇的半正弦波荷載,試驗溫度為60 ℃。為了達到規(guī)定的試驗溫度,試件放在烘箱中至少加熱4 h,移入UTM環(huán)境箱中繼續(xù)保溫1 h后進行試驗。瀝青路面的永久變形有3個階段:遷移期、穩(wěn)定期、破壞期。流動次數(shù)FN是在永久變形第二階段結(jié)束、第三階段開始時的加載周期。

2.3 降雨模擬試驗

采用自行開發(fā)的設(shè)備進行降雨模擬試驗,該設(shè)備可以模擬自然降雨,不斷使樣品飽和。它主要由可調(diào)節(jié)的淋雨噴頭、潛水泵、CS655濕度傳感器和載物臺組成,裝置示意如圖4。CS655濕度傳感器嵌入在試件的抗?jié)B瀝青混凝土與水泥混凝土黏結(jié)界面,然后使用硅凝膠密封濕度傳感器外露部位,以防止水從外部到達傳感器,同時將傳感器包裹在保鮮膜中,并安裝保護罩,以進一步確保沒有水分從試件的側(cè)面或傳感器的插入點到達傳感器。CS655濕度傳感器可以測量體積含水量,體積電導(dǎo)率和溫度。用于測量的濕度傳感器經(jīng)過校準,每分鐘讀取1次濕度讀數(shù),并將讀數(shù)導(dǎo)出到電子表格中。通過讀取試件內(nèi)的介電常數(shù)直接測量水分讀數(shù),然后將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為體積含水量(m3/m3)。從輸出數(shù)據(jù)中,可以隨時間跟蹤抗?jié)B瀝青混凝土與水泥混凝土界面上存在的水量,從而確定水完全滲透到試件中的時間。降雨模擬試驗的試件尺寸為600 mm(長)×400 mm(寬)×200 mm(高),按照暴雨等級的自然降水量,試驗設(shè)計灑水量為16.7 cm3/min。

圖4 降雨模擬示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗裂性能

SCB試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同瀝青含量的BDWSC柔性指數(shù)

如圖5所示,瀝青含量為8.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)時,BDWSC瀝青混合料的柔性指數(shù)顯著高于瀝青含量為7.5%和8.0%時的柔性指數(shù)。當試件的瀝青含量為7.5%和8.0%,瀝青含量增加0.5%,導(dǎo)致柔性指數(shù)提高約25%;當瀝青含量為8.0%和8.5%時,瀝青含量增加0.5%,導(dǎo)致柔性指數(shù)提高約95%。結(jié)果表明,瀝青含量越高,BDWSC瀝青混合料的柔性指數(shù)越大,混合料的柔韌性越好,抗裂能力越強。當瀝青含量為8.5%時,柔性指數(shù)提升最顯著。

3.2 抗車轍性能

流動次數(shù)試驗結(jié)果見圖6。已有相關(guān)研究建議,對于年均交通量超過3 000萬 pcu的道路,最小流動次數(shù)FN要求為740[8]。

圖6 不同瀝青含量的BDWSC流動次數(shù)

由圖6可見,3種瀝青含量(7.5%,8.0%,8.5%)的FN值均大于740。瀝青含量為7.5%和8.0%的BDWSC瀝青混合料平均FN值分別為5 736和5 208。雖然在瀝青含量為8.5%時,瀝青混合料的平均FN值為1 262,顯著低于瀝青含量為7.5%和8.0%的FN值,但該結(jié)果仍大于推薦要求值740。結(jié)果表明,由PG76-22高性能改性瀝青和專門設(shè)計級配組成的高密度瀝青混合料具有優(yōu)異的抗車轍性能,現(xiàn)場不會出現(xiàn)因車轍導(dǎo)致的路面失效問題。

3.3 抗?jié)B性能

為了作試驗對比,制作空隙率為7%的AC瀝青混合料標準試件,并測量滲水性。AC試件在剛開始時無入滲,隨著時間推移,水很快開始滲透到達傳感器位置,體積含水量迅速增加。當傳感器周圍的瀝青混合料飽和后,體積含水量讀數(shù)趨于穩(wěn)定,表示水已完全滲透到瀝青混合料中。對于BDWSC試件,在5 d測量分析期間,瀝青含量為8.0%和8.5%的試件均未發(fā)生滲透。7.5%瀝青含量的試件開始階段未出現(xiàn)入滲現(xiàn)象,但是到了80 h之后,含水量開始迅速增加,一直到測量結(jié)束時,試件還未達到完全飽和狀態(tài)。結(jié)果表明,在8.0%和8.5%瀝青含量的BDWSC瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)中,由于斷開的空隙通道網(wǎng)絡(luò),從而形成了不透水的瀝青混合料。

為了更好地對比分析混合料的滲透性,分別繪制達到初始入滲的時間、50%總體積含水量(即50%飽和度)和95%總體積含水量的條形圖見圖7。由圖7可見,在試驗開始后的5 h,AC標準試件經(jīng)歷了水分滲透。瀝青含量為7.5%的試件需要約34 h才能達到初始浸潤,而瀝青含量為8.0%和8.5%的試件在試驗期間均未出現(xiàn)入滲。

圖7 初始入滲時間

圖8列出了各混合料達到總體積含水量50%所需的時間。

圖8 50%飽和度入滲時間

由圖8可見,AC標準試件用了大約6 h達到50%的飽和度,而7.5%瀝青含量的樣品在初始浸潤后飽和的速度較慢,歷經(jīng)107 h達到50%的飽和度。圖9列出了各混合料達到總體積含水量95%所需的時間。

圖9 95%飽和度入滲時間

由圖9可知,AC標準試件歷經(jīng)大約24 h達到95%的飽和度。在5 d的測試期內(nèi),瀝青含量為7.5%、8.0%或8.5%的樣品均未達到總體積含水量的95%。

4 結(jié)論

1) 通過降雨模擬試驗,可以真實模擬自然降雨過程,能夠隨時間跟蹤瀝青混凝土中水量的動態(tài)變化過程。

2) BDWSC瀝青混合料具有優(yōu)異的抗?jié)B性,當瀝青含量在8.0%以上時,可以達到完全不透水。

3) BDWSC瀝青混合料不僅具有優(yōu)異的抗?jié)B性,同時具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、抗裂性能,作為高密實抗?jié)B瀝青混凝土橋面防水結(jié)構(gòu)層材料可以滿足道路使用性能要求。