水泥混凝土桥面与沥青铺装层层间抗剪切试验分析

吴宇婷

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400000）

0 引言

水泥混凝土桥面与沥青层黏结性能不足时，易显现出拥包、推移等病害，同时荷载、温度等因素的共同作用，促进了黏结层层间病害的发展，产生的裂缝给雨水的流动提供了通道，加剧混凝土桥面钢筋的锈蚀程度，钢筋受力性能被迫削弱，桥梁主体结构受损。为有效避免层间剪切病害，需切实提高黏结层的性能，保证桥面与铺装层的稳定结合，构成完整可靠的整体，以防病害的出现以及雨水的下渗。为达到这个目的，有必要对水泥混凝土桥面与沥青铺装层的层间抗剪切性能进行试验，准确掌握影响层间稳定性的因素。

1 水泥混凝土桥面与沥青铺装层层间稳定性的重要性

桥面铺装层直接铺筑在桥面板上，若处理不当，易诱发各类病害，其中铺装层与桥面板的层间结合稳定性不足则较为常见，原因在于层间黏结处较为薄弱，在层间结构不稳定的情况下，影响到层间黏结部位的正常状态，从而出现推移、拥包病害。

铺装层与桥面板间必须具有足够的黏结力，若两者的黏结能力有限，车辆通行时产生振动冲击作用，导致铺装层与桥面板由原本完整的整体结构变为分离结构，会有不同程度的推移现象，此时桥面铺装层受损。此外，在层间黏结稳定可靠时，两层之间类似于层间连续状态，承受剪切力，对于分担面层的部分荷载压力而言有重要的意义，由于受力合理，铺装层的耐久性才得到保证。

2 水泥混凝土桥面沥青铺装病害的主要成因

（1）桥面层的施工质量较差。施工单位在进行水泥混凝土层的施工时，对表观质量的重视程度高于结构质量，高度注重桥面平整性，因此，在整平期间将挤出大量的浮浆，未关注到与上部沥青铺装层的衔接问题，后续易出现质量缺陷，且此类缺陷往往难以修复。针对该状况，部分工程把整合整平、防水层铺筑工作均纳入沥青路面铺筑单位的工作范畴中，由其统筹兼顾，将各部分结构稳定结合为完整的整体。

（2）桥面水泥混凝土板的平整度不足。在桥面混凝土尚未达到干燥状态时便铺筑防水黏结层，后续产生的水汽将影响到防水黏结层，导致该处有鼓包脱离现象。桥面沥青混合料的残余空隙率超6%～8%，密实度欠佳，车辆通过时将产生动水压力，随之损害铺装层。针对该状况，需要保证桥面铺装厚度的有效性，而在混凝土板的施工中，有效清理浮浆，使其保持干燥，从而增强沥青层与桥面板的黏结稳定性，此时构成的整体结构可以协同受力。

3 层间剪切试验方法与原材料试验

3.1 试验的准备工作

3.1.1 原材料的选取

以某高速公路桥梁项目为例，施工采用到GAC-22C型改性沥青混合料，黏结层由高黏沥青、SBS改性沥青和环氧沥青组成，碎石选用的是粒径为4.75～9.5mm和2.36～4.75mm辉绿岩，同时制备C30水泥混凝土试件，以便做性能分析。

3.1.2 试验仪器的配套

（1）对称层间剪切装置。为使试件同时承受竖向荷载和水平荷载，同时也为了增强剪切试验的可靠性（避免试验偏离路面结构实际受力特点），采用预压对称层间剪切装置，通过此装置的配套，更加客观地评价层间抗剪切性能。

（2）其他试验设备。沥青混合料的拌和在拌和机内完成，因此采用拌和机；配套金刚石双面锯，作为切割装置使用，制得合适规格的试件（含水泥混凝土试件、沥青混合料试件两类）；适配台湾弘达万能试验机，用于检测黏结层的剪切强度，操作人员根据试验要求合理控制加载速度和拉伸行程。

3.2 试验的基本思路

（1）在制作试件后，对其施加正压力，而后做对称层间剪切试验，用于模拟路面在荷载作用下的工况。

（2）向恒温水浴箱内放入试件，安排3h的养护，经该预处理过程后，安排对称层间剪切试验，且先施加正压力，再进行剪切试验。各试件的试验时间以5min以内为宜，以免在长时间试验过程中温度发生变化（这将对试验结果的准确性造成影响）。

3.3 对称层间剪切试件的制备

以正交试验方案为准，制备试件，用于对称层间剪切试验。试件的制备思路为：拌和GAC-20C 沥青混合料，制作尺寸为300mm×300mm×100mm 的试件；切割试块，尺寸均按100mm×100mm×100mm 予以控制；按200mm×100mm×10mm 的尺寸切割水泥混凝土试块；按0.3kg/m2的用量于沥青混合料表面撒铺黏结料，进而继续撒布辉绿岩细集料碎石，直至覆盖表面70%为止。

3.4 正交试验设计

为探讨黏结层抗剪切性能的关键影响因素，结合工程实际，考虑施工材料、施工工艺、路面交通量荷载、气候条件等多项影响因素，最终选取防水黏结层的材料、碎石粒径、对试件施加的正压力、试验温度等4 项条件（见表1）进行正交试验，来验证施工工艺对抗剪切性能的影响情况。

表1 层间剪切试验条件

4 试验结果及其分析

4.1 各因素对层间抗剪切性能的影响

在确定试验数据后，基于正交理论加以处理，并生成分析结果，如表2所示。

表2 层间剪切正交试验分析结果

结合表2中数据展开分析，确定各项影响因素对层间剪切强度的作用程度，由强到弱依次为：试验温度＞黏结料类型＞预加正压力＞撒布碎石粒径。各项影响因素水平变化也会在一定程度上影响层间剪切强度，为探明具体的关系并确定最具可行性的组合方案，此处进行进一步的分析，绘制出层间剪切强度的正交点图，具体如图1所示。

图1 层间剪切强度正交点图分析

根据图1可知，黏结层施工采用的是环氧沥青时，有助于提高层间抗剪强度，高黏沥青的应用效果次之，排于末位的是改性沥青。若将高黏沥青作为黏结料进行使用，其具备较高的剪切强度，通常达到SBS 改性沥青的1.5倍；而环氧沥青的该值约为SBS改性沥青的3倍，但需注意的是，SBS改性沥青具有成本较低的突出特点，因此从性价比的角度来看，以SBS改性沥青最佳。

从层间剪切强度的角度来看，采用4.75～9.5mm 辉绿岩碎石时具有最高的层间剪切强度。在试验中，压力从0.5MPa 有序增至0.9MPa，层间剪切强度有增加的变化趋势，但随着正压力的持续增加，该变化趋势减弱。试验温度发生变化后，层间剪切强度也有明显的变化，且此类变化主要发生在5～40℃的温度区间内，具有随试验温度增加，层间剪切强度降低的变化趋势。在本次分析中，在40℃的试验温度条件下，测定的防水黏结层的平均抗剪强度为0.88MPa，明显超过规范的0.3MPa（试验温度为35℃时），因此认为在黏结层温度大于40℃时，黏结层仍具有较高的抗剪强度。

4.2 各因素对层间抗剪切性能的交互影响

在试验结果的基础上，绘制因素交互作用图，如图2所示，前述提及的四项影响因素作为横坐标，层间剪切强度作为纵坐标，结合图中内容展开分析，得出如下结论：

图2 层间剪切强度交互作用图

（1）将环氧沥青作为黏结料时，层间剪切强度普遍高于其他两种沥青材料（4.75～9.5mm 碎石撒布、0.5MPa正压应力除外），而此项结论也与前述“环氧沥青作为黏结料时层间剪切强度最大”相吻合。

（2）对于4.75～9.5mm碎石撒布的试件，正压力水平和试验温度水平虽然会对层间剪切强度造成影响，但程度轻微。

（3）在低温的环境中，若施加0.5MPa正应力，此条件下的层间剪切强度偏低。

立足于本次研究结果，最终确定桥面黏结层的施工方案，具体要点有：

（1）桥面防水黏结层的施工条件，一方面需确保桥面板的温度在5℃以上，另一方面则需确保桥面表面质量达到要求。

（2）在黏结层的施工中，材料可选择SBS 改性热沥青，原因在于此类材料的性价比较高。

（3）在应用SBS改性热沥青后，于上方撒布5～10mm的碎石。

（4）在经过碎石的撒布作业后，安排黏结层的碾压处理，设备可选择胶轮压路机，在经过碾压后，SBS改性热沥青上升并裹覆碎石表面，材料的结合效果较好，碎石与桥面板有较高的黏结度。

需要说明的是，层间剪切试验中，为有效减小试验误差，尽可能提高数据的准确性，共组织5次重复试验，经过多次试验后，确定试验组合测试的5个破坏剪切应力值。为更为直观地分析试验组合的破坏剪切应力结果，分析中采用的是破坏剪切应力的平均值。

5 结束语

综上所述，综合应用正交思路和极差分析方法，经过质量、成本多角度的对比分析后，确定最为合适的方案为：碎石撒布材料选用4.75～9.5mm辉绿岩碎石，预加正压力取0.7MPa，试验温度5℃。经过比选后，认为黏结料宜采用SBS改性热沥青，能够同时兼顾质量和成本的双重要求，具有较高的性价比；对于撒布沥青混合料考虑的是5～10mm的碎石，且为了全面保证施工质量，还配套胶轮压路机，完成对碎石的碾压处理，减小碎石的空隙，增加密实性，最终取得良好的施工效果。