废胶粉改性沥青在桥面防水粘结层的应用研究

2013-08-23雷旭丽

山西建筑 2013年15期

雷旭丽

(天津城建设计院有限公司，天津 300000)

0 引言

近年来，由于自然环境和重型车辆等因素的影响，桥梁常出现桥面开裂、铺装层破损等现象，若桥面板没有提前进行防水处理，雨水就会渗入梁体造成构件腐蚀，从而影响桥梁的使用寿命。桥面铺装结构层作为桥梁结构的重要组成部分是非常重要的，它的质量好坏影响着桥梁的使用寿命。铺装结构直接承受着车辆荷载的作用，并防止车轮轮胎直接磨耗水泥混凝土桥面板、保护主梁免受雨水侵蚀，并对车辆轮重荷载起分布扩散的作用。铺装结构层的质量好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。随着交通流量和重型车辆的增加以及环境因素的影响，桥面铺装结构层损坏情况越来越严重，主要表现有:水泥混凝土桥面破坏形式为裂缝，露筋等(见图1);而沥青混凝土桥面则表现为裂缝，坑槽，壅包，推移等，造成原因为层间有较大剪应力及温度变化。此时若防水粘结层粘结性不足，防水性差则会产生极大危害。这不仅会妨碍正常交通，影响行车安全性，易造成交通事故，也会影响桥面的美观，带来的经济损失是不可估量的。

1 防水粘结层材料性能研究

1.1 原材料的选择

用来做对比试验的两种防水粘结材料均有运用到实际工程中的先例，SBS改性乳化沥青由某市交通运输局制备，其中沥青含量为55%，鉴于材料的特殊性在测其各项性能指标时采用蒸发残留物，而在测量其60℃粘度时，本文主要考虑破乳后起粘结作用的SBS改性沥青的粘度;环氧树脂型号为E44(6101);胶粉改性沥青选用胶粉含量为21%的改性沥青，其各项指标见表1。

1.2 防水粘结层材料高温稳定性

胶粉改性沥青防水粘结层材料在165℃高温条件下的状态，表面呈现少量气泡，但不具有流淌性，结构层厚度不会变化，不会受到破坏。胶粉改性沥青软化点也较高，在夏季高温条件下作为防水粘结层，其软化点是高于环境温度的。高温环境持续4 h时，废胶粉改性沥青也可很好地工作，不会因温度而使其发生流淌。而在面层施工时，沥青混合料的高温可使防水粘结层材料废胶粉改性沥青呈软化状态，但不具备流淌性，这样不会影响防水粘结层厚度的变化，即可以保证施工最佳方案。在摊铺沥青混合料时，软化了的胶粉改性沥青能更好地与上面层的沥青混凝土结合，形成更坚固的骨架结构。由此看出，胶粉改性沥青的高温稳定性是较优的，适合作防水粘结层材料(见图2)。

表1 材料各项基本指标

图1 桥面露筋破坏

图2 胶粉改性沥青高温状况

1.3 防水粘结材料的低温抗裂性

防水粘结材料的温度敏感性也极强，高温条件下它们可以呈现软化甚至流动状态，使其在不同的环境温度中表现出不同的物理性能，进而体现出不同的路用性能。低温时防水粘结材料也会受到较大影响，在低温环境中材料一般容易发生裂缝甚至脆断。在我国北方地域每年最低气温可以达到－40℃，这些地区在冬季时路面一般处于冰冻状态，而其他地区在冬季也会出现不同程度的冰冻期，材料在冰冻期“服役”时是十分容易出现病害的，这样会直接影响桥梁的使用寿命，因此有必要对材料的低温抗裂性进行对比研究。

图3为胶粉改性沥青作为防水粘结材料时，经历低温冰冻后，材料在外力作用下的变形情况。从图3中可以看出胶粉改性沥青在弯曲180°后表面没有出现裂痕。在冬季，车辆荷载作用后材料能承受较大的力，发生极大的变形也不会出现破坏，因此也具有较优的低温柔韧性，适合在低温条件中工作。

通过实验可以看出胶粉改性沥青在低温环境中能更好地工作，在车辆荷载的反复作用下也不易出现裂缝病害，过低的温度直接影响到桥梁等的使用寿命，因此在选择材料时应充分考虑环境因素。

2 防水粘结层材料力学性能的研究

本节采用实际工程中“水泥混凝土桥面板+防水粘结层+AC-13C沥青混合料面层”的桥面铺装结构，在高低温环境中对此结构进行剪切拉拔试验。并考察各种其他因素对路用性能的影响，不同的防水粘结层材料在同样的状态下进行路用性能检测，对比出胶粉改性沥青是否更适合运用到实际工程中。对路用性能的检测采用剪切拉拔试验的主要原因是桥面铺装功能及其特殊使用环境所决定的。

试验过程中剪切试验参考长沙理工大学对马歇尔稳定度仪LWD-3型进行了改装，依照实验室模拟桥面结构层厚度自制合适尺寸的夹具，该装置自动化程度高，能够自动对试件进行剪切并记录数据，并且操作简单，读数准确迅速，适用于实验室内大量的试验(见图4)。

图3 胶粉改性沥青

图4 剪切仪器

试验过程中采用剪切速率为5 cm/min，施加荷载方向为垂直加载，夹具的斜面角度为45°，模拟的垂直力与水平力相等时的受力情况。试件的高度控制在43 mm±0.5 mm，这样可保证试件剪切面正好为防水粘结层界面，试验结果准确。对于结果的处理采用公式(1):

其中，S为试件剪切截面积，m2;F为试验中加载力，N;τ为防水粘结层剪应力，Pa。

拉拔试验WEP-100型液压万能材料试验机(见图5)，自制拉拔夹具，拉拔时先将桥面结构层用环氧树脂胶和夹具粘结在一起，待环氧树脂实干(5 h)后进行拉拔试验，拉拔过程中严格控制拉伸速率，保证每次试验过程的拉伸速率一样，本研究过程中将拉伸速度设定为0.05 kN/s。试验过程中破坏界面发生在防水粘结层接触面时认定试验结果有效，若破坏发生在试件与夹具粘结界面则需重新试验，每次试验需保证夹具和试件接触面的干净平整，加载方式为垂直拉伸。其基本情况见图5。

3 破坏界面的分析

图5 拉拔试验仪器

针对以上剪切试验时防水粘结层出现的各种界面破坏有三种(见图6):1)防水粘结层自身层间破坏;2)防水粘结层与水泥混凝土面板之间出现破坏;3)防水粘结层与沥青混合料层间出现破坏。层与层之间有粘结力及石料之间的嵌挤力，剪切破坏时主要是受到的外界力克服了结构层之间的这个合力，使之受到破坏。在剪切试验过程中，三种破坏与材料关系较大。胶粉改性沥青主要出现的破坏形式为防水粘结层与水泥混凝土面板之间的破坏;SBS改性乳化沥青则是出现自身层间破坏;环氧树脂作为防水粘结层时，出现的破坏形式为与上面层沥青混合料之间的开脱。

胶粉改性沥青作为防水粘结材料时对界面处理要求较高，保证界面洁净干燥的同时还需要保证摊铺时胶粉改性沥青的温度，一定要保证胶粉改性沥青洒布后具有一定的流动性，确保洒布均匀。胶粉改性沥青中橡胶颗粒吸油性较强，洒布后底部有部分依靠吸附油料的胶粉颗粒与水泥混凝土粘结，水泥混凝土刚度较大，与上面层沥青混合料相比，水泥混凝土与防水粘结材料的结合性较差，而胶粉改性沥青自身粘度较高，其自身分子之间的粘结力也会大于水泥混凝土与防水粘结材料之间的粘结力;在嵌挤力方面，同步碎石的加入增强了层与层之间的嵌挤力，同水泥混凝土面板相比，沥青混合料在碾压时会使得同步碎石完全嵌入到沥青混合料中，使之完全成为一个整体。因此当采用胶粉改性沥青作为防水粘结材料时，水泥混凝土面板与防水粘结层材料层间的力是最薄弱的，在车辆荷载的作用下，最薄弱处发生破坏，因此在试验过程中采用胶粉改性沥青作防水粘结材料时其破坏界面基本发生在水泥混凝土界面处。

图6 剪切界面破坏形式

针对以上界面破坏出现的形式，胶粉改性沥青作为防水粘结材料时，可在水泥混凝土面板上洒布极少量的SBS改性乳化沥青，该层作用主要是除尘且改善胶粉改性沥青的接触界面。SBS改性乳化沥青常温下呈液态，极少量的灰尘在桥面上时SBS改性乳化沥青能完全将其覆盖，灰尘对其影响不大，经过它处理覆盖的桥面柔性好，弹性模量能得到一定程度的改善，覆盖在其上的胶粉改性沥青与之结合更为牢固，不容易破坏。SBS改性乳化沥青自身与水泥混凝土面板结合性优于胶粉改性沥青，少量洒布SBS改性乳化沥青受高温影响不大，桥面防水粘结层还是胶粉改性沥青起主导作用，此时界面的破坏形式将可能发生改变，有可能从防水粘结层材料自身层间发生破坏，胶粉改性沥青粘度较高，使之破坏的剪力必然增大，抗剪性能增强，因此铺装层可以有更好的路用性能。