桥面铺装防水黏结层结构组合性能研究

万晨光,　申爱琴,　樊　莉

(长安大学 公路学院,陕西 西安　710064)



桥面铺装防水黏结层结构组合性能研究

万晨光,申爱琴,樊莉

(长安大学 公路学院,陕西 西安710064)

文章针对防水黏结层破坏而引起的桥面铺装早期病害,选取常用的防水黏结层材料进行研究。首先确定了调平层表面采取拉毛、刻槽和植石措施时的改性沥青最佳洒布量,其中拉毛和刻槽为1.4～1.6 kg/m2,植石为1.6～1.8 kg/m2,然后在最佳洒布量条件下对黏结层抗动水冲刷性能进行研究。结果表明:采用植石措施的结构抗剪强度明显高于拉毛和刻槽措施下的结构抗剪强度;温度和水对防水黏结层的抗剪强度和黏结强度影响显著,随着温度的升高,结构抗剪强度和黏结强度均显著降低,在40 ℃水浴条件下达到最低;温度同样是黏结层抗动水冲刷能力的重要影响因素。

桥面铺装;防水黏结层;抗剪试验;拉拔试验;动水压力

水泥混凝土桥桥面铺装典型结构由水泥混凝土调平层、防水黏结层和沥青铺装层组成[1]。近年来,很多新建桥梁桥面铺装结构过早地出现了一些病害,其中以防水黏结层局部失效而引起的推移、拥包和水损害表现得尤为严重[1-9]。防水黏结层作为桥面铺装 “承上启下”的一层结构,对沥青铺装层与水泥混凝土调平层之间力、位移的传递起着至关重要的作用[10],良好的防水黏结层不仅可以将混凝土调平层与沥青铺装层黏结为一个受力整体,还可以为桥面板提供一个隔离水分的屏障,防止桥面板遭受雨水以及因撒除冰盐而带来的盐溶液的侵蚀,大大提高了桥面铺装的耐久性[9-10]。

目前,我国混凝土桥桥面铺装常用的防水黏结层材料均属于涂膜类材料,主要包括乳化沥青、改性乳化沥青和热改性沥青等[3,10],其中以性能良好的热改性沥青的使用最为普遍[9-11]。为此,本文选用SBS改性沥青同步碎石封层作为防水黏结层,在不同的调平层表面处理措施、不同的SBS改性沥青洒布量以及不同温度条件下,对组合结构的抗剪切性能、抗拉拔性能和抗动水冲刷性能进行研究,为桥面铺装防水黏结层的设计和施工提供一定的理论依据。

1　试验方案设计

1.1原材料技术指标

改性沥青同步碎石防水黏结层和沥青铺装层均采用4.5%壳牌SBS改性沥青,其技术指标见表1所列。

表1　SBS改性沥青技术指标

改性沥青同步碎石防水黏结层的石料采用粒径为4.75～9.5 mm挡石灰岩,其技术指标见表2所列。

表2　石料技术指标

1.2混凝土调平层及沥青铺装层配合比

调平层采用C40混凝土,沥青铺装下层为AC-20C型沥青混凝土,其配合比分别见表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试验设备

(1) 路面多功能剪切仪。桥面铺装层间抗剪能力是评价桥面铺装性能优劣的一项关键指标,抗剪能力不足是造成桥面铺装病害的重要原因之一,路面多功能剪切仪可以在设定的速度下测试路面结构层间抗剪强度,进而评价层间结构性能的好坏。

(2) 室内拉拔试验仪。拉拔试验仪用来测定黏结层与混凝土调平层和沥青铺装下层之间的黏结强度,黏结强度对桥面铺装的抗疲劳性能有很大的影响[6],因此,防水黏结层黏结强度同样是桥面铺装性能优劣的一项重要指标。

(3) 防水材料动水冲刷试验仪。由于沥青混凝土不可避免地存在一定量的空隙,尤其是在出现裂缝时,高速行驶的汽车会使空隙和裂缝中的水分产生很大的动水压力,进而对防水黏结层造成损害[3]。目前,尚没有规范的试验方法来测定防水黏结层材料的抗冲刷性能,为此研发了防水材料动水冲刷试验仪。该仪器的主要功能是测试正负压力以及不同温度条件下防水材料的抗冲刷性能,试验时所需水量为5 L,正负水压量程均为2 MPa。

1.4试件成型

(1) 剪切试验和拉拔试验所用试件均为高100 mm、直径100 mm的圆柱体。为模拟桥面铺装真实结构,本文首先使用300 mm×300 mm×100 mm的车辙板试模,采用“水泥混凝土板+SBS改性沥青同步碎石防水黏结层+沥青铺装层”结构来成型试件,为模拟施工现场,分别对混凝土表面进行拉毛、刻槽和植石处理。

经测试,3种处理措施下混凝土表面构造深度分别为0.7、0.6、1.1 mm,3种表面处理措施分别如图1所示。经表面处理后铺筑防水黏结层、沥青铺装层,再用轮碾成型机进行碾压，待车辙板试件冷却后用钻芯机钻取圆柱体试件,成型试件如图2所示。在撒布碎石时,要保证混凝土板表面的覆盖率在80%左右,撒布量约为6 kg/m2。

图1　混凝土表面处理措施

图2　成型试件

对于刻槽处理措施,槽的规格设为宽3～5 mm,深5～6 mm,间距为20～30 mm;对于植石处理措施,是指在水泥混凝土板初凝之前及时、均匀地撒布一层单一粒径(4.75～9.50 mm)的集料,覆盖率为75%左右,然后施加一定的荷载将集料压入混凝土,使集料的埋入深度达到粒径的2/3,以使混凝土表面形成粗糙构造。要求嵌入的集料应具有棱角、呈立方体形、质地坚硬,其磨光值较大,一般情况下不应低于50。

(2) 动水冲刷试验试件。将适当用量的SBS改性沥青均匀涂抹在表面光滑的平台上,待沥青冷却成膜后小心取下并剪成直径为(100±1) mm的尺寸,然后放入试模中密封待用,如图3所示。

图3　动水冲刷试验试件

2　试验结果分析

2.1沥青洒布量及温度对抗剪性能的影响

SBS改性沥青洒布量分别取1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kg/m2,对于拉毛和刻槽处理措施,纹理方向应与剪切方向垂直,剪切速率取10 mm/min,分别在0、20、40 ℃和40 ℃水浴条件下进行试验,试验结果见表5所列。

表5　抗剪强度试验结果　MPa

首先,对试验结果进行三因素析因实验分析,表5结果表明三因素(表面处理措施、温度和改性沥青洒布量)交互作用显著,且三因素中两两交互作用高度显著,这说明3个因素均对抗剪强度具有显著的影响。

由表5可知,相同处理措施、相同温度条件下,随着SBS改性沥青洒布量的增加,组合结构抗剪强度均呈现先增大后减小的趋势,其中拉毛和刻槽在沥青洒布量为1.4～1.6 kg/m2时,抗剪强度最大;对于植石处理措施,沥青洒布量为1.6～1.8 kg/m2时,抗剪强度最大。说明不同表面处理措施下,改性沥青均存在一个最佳洒布量,即存在一个沥青膜最佳厚度,当沥青膜过薄时,不能爬升到防水黏结层所撒布碎石的足够高度,造成改性沥青与碎石的黏结强度不足、结构抗剪强度较低;当沥青洒布量过多、沥青膜过厚时,会形成过多的自由沥青,即在界面形成富油层,从而会造成抗剪强度的减小。

对于3种表面处理措施,在相同温度和相同沥青洒布量条件下,拉毛和刻槽处理措施下结构的抗剪强度明显低于植石措施下结构的抗剪强度,降低幅度在15%～50%之间,且温度越高降低幅度越明显,40 ℃时,植石处理的结构最大抗剪强度较拉毛和刻槽分别增大49%和48%。根据摩尔强度理论:τ=C+σtanφ,在黏结力C一定的情况下,随着构造深度的增加,内摩擦角φ也在不断增加,相应地防水黏结层的抗剪强度就增大。

在相同处理措施、相同沥青洒布量条件下,随着温度的升高,结构抗剪强度显著降低,在40 ℃水浴条件下达到最低。以植石处理措施、沥青洒布量为1.8 kg/m2为例, 40 ℃和40 ℃水浴条件下结构抗剪强度比0 ℃分别降低了87%和94%,说明温度和水分对SBS改性沥青防水黏结层抗剪强度影响显著。因此,在高温季节,对桥面交通超载过载车辆进行适当的管制尤为必要。

2.2沥青洒布量及温度对黏结性能的影响

与剪切试验类似,拉拔试验SBS改性沥青洒布量同样分别取1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kg/m2,拉拔速率取10 mm/min,分别在0、20、40 ℃和40 ℃水浴条件下进行试验,试验结果见表6所列。与抗剪试验相似,首先,对黏结强度实验结果进行三因素析因实验分析,分析结果表明三因素(表面处理措施、温度和改性沥青洒布量)交互作用显著,且三因素中两两交互作用高度显著,这说明3个因素均对黏结强度具有显著的影响。

拉拔试验结果与剪切试验具有相似的规律,说明拉拔试验与剪切试验有很好的相关性。在相同表面处理措施和相同温度条件下,结构黏结强度随着改性沥青洒布量的增大而呈现先增大后减小的趋势,且不同处理措施下改性沥青最佳洒布量与剪切试验基本吻合,拉毛和刻槽为1.4～1.6 kg/m2、植石为1.6～1.8 kg/m2。

表6　黏结强度试验结果　MPa

在相同表面处理措施、相同沥青洒布量条件下,随着温度的升高,结构黏结强度同样显著降低,在40 ℃水浴条件下达到最低,以植石措施、沥青洒布量为1.8 kg/m2为例, 40 ℃和40 ℃水浴条件下结构抗剪强度比0 ℃分别降低了86%和92%,说明温度和水分对SBS改性沥青防水黏结层黏结强度影响显著。

与剪切试验不同的是,在相同温度和相同沥青洒布量条件下,不同处理措施的黏结强度没有明显差异、基本持平,说明构造深度对防水黏结层黏结强度影响不大。

2.3防水黏结层抗动水冲刷性能研究

综合剪切试验和拉拔试验结果,取1.6 kg/m2作为沥青的最佳洒布量,待试件安装密封好之后开启注水加压装置，直至充满试模,其中水温为20 ℃和40 ℃ 2种情况,然后以0.1 MPa的差值逐级加压至试件破坏,表现为水压突然减小,终止试验并记录试件渗透压力,结果见表7所列。

表7　动水压力试验结果

由表7可知,随着温度的升高,SBS改性沥青黏结层抗动水冲刷能力显著降低,40 ℃时动水压强比20 ℃时降低了27.4%,说明温度是SBS改性沥青抗动水冲刷能力的重要影响因素。根据伯努利定理计算可知,动水压力随着汽车速度的增大而增大,当行车速度为80 km/h时,沥青铺装层表面动水压力为0.38 MPa;当行车速度为120 km/h时,动水压力可达0.55 MPa[8]。说明20 ℃时洒布量为1.6 kg/m2的SBS改性沥青可以承受速度为120 km/h车速产生的动水压力;40 ℃时洒布量为1.6 kg/m2的SBS改性沥青可以承受速度为100 km/h车辆产生的动水压力。同时,通过试验过程可知,为了防止防水黏结层局部薄弱部位被动水压力破坏,施工中保证SBS改性沥青洒布的均匀性，进而保证整个区域都能达到规定的抗渗要求是非常必要的。

3　结　　论

(1) 综合剪切试验和拉拔试验结果可知,当调平层表面采取拉毛和刻槽处理措施时,推荐其最佳改性沥青洒布量为1.4～1.6 kg/m2;当调平层表面采取植石处理措施时,推荐其最佳改性沥青洒布量为1.6～1.8 kg/m2。

(2) 对于剪切试验,在相同温度和相同沥青洒布量条件下,植石处理措施结构抗剪强度明显高于拉毛和刻槽处理措施,增加幅度在15%～50%之间;对于拉拔试验,在相同温度和相同沥青洒布量条件下,3种处理措施结构黏结强度没有明显差异。

(3) 温度和水对防水黏结层的抗剪强度和黏结强度影响显著,随着温度的升高,结构抗剪强度和黏结强度均显著降低,在40 ℃水浴条件下达到最低。

(4) 温度是SBS改性沥青抗动水冲刷能力的重要影响因素,随着温度的升高,SBS改性沥青黏结层抗动水冲刷能力显著降低,40 ℃时改性沥青动水冲刷压强比20 ℃时降低了27.4%。

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(责任编辑张镅)

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310821165004)

万晨光(1988-),男,河南开封人,长安大学博士生;

申爱琴(1957-),女,陕西安康人,博士,长安大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.019

U443.33

A

1003-5060(2016)07-0960-05