混凝土桥面板构造深度对铺装层间性能的影响

赵正峰， 张瑞杰， 戴苏春， 常迅夫

(1.洛阳市公路事业发展中心 洛界高速公路管理处，河南 洛阳 471000；2.洛阳市交通工程质量鉴定站，河南 洛阳 471000；3.洛阳市公路事业发展中心 养护科，河南 洛阳 471000；4.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

近年来，交通运输行业加快建设交通强国目标，中国中西部地区的基建投资景气度较高，桥跨结构在路网全线的占比越来越高。2020年末，全国公路桥梁达91.28万座，桥梁里程达6 628.55万延米，比上年末分别增加3.45万座和565.1万延米，桥梁里程占公路里程比例逐年提高[1]。

我国公路桥梁多为水泥混凝土桥梁，桥面铺装结构由沥青铺装层、防水黏结层和水泥混凝土桥面板组成。根据对多条高速公路早期破坏状况的调查可知，桥面面层早期损坏常见病害形式有推移、松散、泛白等，究其原因在于混凝土调平层与沥青铺装层之间的接触状态不佳[2]，层间结构作为桥面铺装的薄弱区域，对铺装层间稳定性具有重要影响。研究人员通过拉毛、刻槽、喷砂等方式对室内制备的混凝土板进行表面处理，或通过凿毛、抛丸、铣刨等方式对混凝土桥面进行粗糙化处理，研究混凝土板表面状态对桥面铺装层间性能的影响，发现通过采用性能优异的防水黏结层材料，提高混凝土桥面板的粗糙度或构造深度能够提高桥面板与沥青铺装层之间的抗剪强度[3-5]。然而，上述研究先通过相应工艺处理混凝土表面，再进行试验表征来评估表面构造状态的影响规律，不具有人为可控性，如果能够通过前置量化处理工艺，制备定量构造深度的混凝土板，再进行相关试验，能更有效地发现相应的变化规律。

通过模具成型法对混凝土板表面构造深度量化模拟，研究了不同表面构造深度对桥面铺装层间抗拉拔强度、抗剪切强度、层间横向渗水和抗疲劳特性的影响规律，为桥面铺装调平层混凝土表面构造深度量化控制提供一定依据。

1 试验材料

结合河南省混凝土桥常见铺装形式，进行相关试件的制备和材料选取。桥面铺装下面层为AC-20沥青混合料，防水黏结层选择热喷SBS改性沥青同步碎石封层、水性环氧沥青和高黏乳化沥青，调平层为C40水泥混凝土，调平层混凝土表面构造深度设置为0、0.4、0.8、1.2 mm。

1.1 沥青铺装层

桥面沥青铺装层为AC-20沥青混合料，油石比为4.2，各档碎石级配及混合料合成级配如表1所示。

表1 AC-20沥青混合料配合比 %

1.2 调平层混凝土

C40水泥混凝土，水泥为P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，配合比为水∶水泥∶砂∶碎石=0.4∶1∶2.21∶2.71，聚羧酸减水剂掺量为0.5%。水泥指标如表2所示。

表2 水泥性能指标

1.3 防水黏结层

防水黏结层所用材料满足《路桥用水性沥青基防水涂料》(JT/T 535—2015)、《道桥用防水涂料》(JC/T 975—2005)等相关标准要求。SBS改性沥青洒布量为1.4 kg/m2，水性环氧沥青洒布量为1.0 kg/m2，高黏乳化沥青洒布量为0.8 kg/m2，洒布效果如图1所示，材料性能指标如表3～表5所示。

图1 3种防水黏结层材料洒布效果

表3 SBS改性沥青性能指标

表4 水性环氧沥青性能指标

表5 高黏乳化沥青性能指标

2 表面构造量化处理

在30 cm×30 cm车辙板模具中倾入融化的石蜡，待自然冷却硬化后脱模，用钢刷在蜡板表面拉毛处理，根据相关规范方法测其表面构造深度[6]。通过不断拉毛、测试、修正，使蜡板表面构造深度满足方案需求。将已知构造深度的蜡板重新放入车辙板模具中，调制环氧树脂注入装有蜡板的车辙板模具中，待完全固化后脱模如图2(a)所示。将特定构造深度的环氧树脂模板置入车辙板模具中，浇筑C40混凝土，养护7 d后脱模，即可得到与蜡板表面构造相同的水泥混凝土板，如图2(b)所示，混凝土养生30 d备用。

通过上述步骤，即可实现调平层混凝土表面构造深度的量化处理，得到特定构造深度的混凝土板。在混凝土板表面涂布防水黏结层材料，置入车辙板模具，并摊铺AC-20沥青混合料，经压实、切割，即可得到不同层间结构的复合试件，如图2(c)所示。

图2 表面构造深度量化处理过程

3 结果与讨论

3.1 构造深度对Pull-off强度的影响

沥青铺装层与混凝土桥面板两者材料和性质差异较大，为保证桥梁上部结构的良好协同变形能力，使一刚一柔两结构层形成整体受力，防水黏结层需具有良好的黏结性能[7-8]。Pull-off拉拔试验通过施加拉拔力测量发生破坏时的拉应力值，定量地表征界面黏结强度，拉拔试验示意图如图3所示，试验结果如图4所示。

图3 Pull-off黏结强度测试

图4 拉拔强度与构造深度的关系

由图4对比发现，不同构造深度对防水黏结材料的拉拔强度大致产生2种变化规律。以热熔型SBS改性沥青为例，随着构造深度的增加，拉拔强度呈现先增后减的变化趋势。随着混凝土表面粗糙度增加，黏结界面由单一的平面向波纹状粗糙界面过渡，层间黏结面积相对增加，黏结强度增大。随着构造继续增大，黏结材料集中分布于构造凹槽内，层间未形成均匀连续涂膜，使整体黏结强度降低。

以冷施工型水性环氧沥青和高黏乳化沥青为例，随构造深度增加，拉拔强度呈递减趋势。在0 mm构造深度下，两者拉拔强度高于热熔SBS沥青，主要是由于常温下具有良好的流动性和渗透性，能够渗入基层表面开孔和连通孔，经破乳固化后，在黏结表面形成类似于铆钉的效果。由于两者洒布量较小，随着构造深度增大，流动状态的黏结材料更易集中堆积在表面构造凹槽及缝隙内，在层间无法形成连续的薄膜，上下基面黏结面积及效果不佳，导致拉拔强度持续降低。

3.2 构造深度对剪切性能的影响

相关研究表明，桥面调平层表面构造使桥面板与沥青铺装层具有良好的嵌挤作用，表面构造纹理提供的层间摩擦阻力是影响桥面铺装抗剪稳定性的重要因素[9-10]。行车荷载作用会对桥面铺装产生剪切应力，若抗剪稳定性不足，则会沿行车方向产生推移、裂缝等病害，如图5所示。为研究构造深度对铺装层间剪切强度的影响，对不同层间结构的复合试件进行剪切试验，试验结果如图6所示。

图5 剪切病害形成示意图

图6 剪切强度与构造深度的关系

由图6可知，在调平层构造深度为0 mm的情况下，水性环氧沥青的抗剪强度最大为1.33 MPa，其他2种防水黏结层抗剪强度较低。0 mm构造深度下，抗剪强度主要由黏结层材料自身内聚强度提供，水性环氧沥青固化后内部形成热固性交联结构，因此抗剪切强度高。

随着粗糙度增加，碎石嵌入混凝土构造凹槽，起到增强层间摩阻的作用，层间抗剪稳定性提高。继续增大表面构造，黏结材料无法形成连续薄膜，破坏黏结层涂料整体性。此外，构造深度增加使混凝土表面波形梳齿状构造过薄，抗剪强度降低，在剪切荷载作用时，自身发生破坏导致摩阻和嵌锁效果变差。根据试验结果，对抗剪强度指标而言，桥面板表面构造深度不宜过高，以0.8 mm为宜。

3.3 构造深度对层间渗水的影响

在桥面铺装服役过程中，压实的沥青铺装层能够有效阻止水分下渗，铺装层水损病害多是由于水分在层间横向迁移导致，行车荷载作用下产生的动水冲刷引起桥面铺装出现松散、泛白等早期病害[11-12]。常规垂直渗水试验无法真实反映渗水对桥面铺装层间性能的影响，使用层间横向渗水装置研究构造深度对铺装层层间渗水性能的影响，横向渗水示意图如图7所示，构造深度对层间横向渗水程度的影响结果如图8所示。

图7 层间横向渗水示意图

图8 层间横向渗水与构造深度关系

由图8可知，随着调平层表面构造深度增大，层间横向渗水系数存在增大趋势。SBS改性沥青洒布量较多，受到热沥青混合料碾压后会熔融流动，充分黏结沥青层与调平层，封闭层间连通空隙，在一定构造深度下基本不存在层间渗水。但随着构造深度的增加，防水黏结材料在一定的洒布量情况下，层间渗水通道增加，导致层间出现横向渗水。构造深度相同，水性环氧沥青与高黏乳化沥青的层间横向渗水表现不佳，较少的洒布量导致桥面铺装2层结构未充分黏结，存在较多连通空隙，层间横向渗水系数较大。因此，在构造深度一定的情况下，适当增大防水黏结材料洒布量能够封闭层间横向渗水通道，减少横向渗水的发生。

3.4 构造深度对疲劳特性的影响

混凝土桥面铺装在行车荷载作用下容易产生疲劳破坏，即铺装层与调平层间黏结力丧失，出现脱层现象。桥面板水泥混凝土和铺装层沥青混合料2种材料性质差异较大，两者变形不协调时将产生较大的弯拉应变，桥面铺装在长周期疲劳作用下，容易产生推移、脱层、裂缝等病害[13-14]。使用UTM-30多功能路面材料动态测试系统及四点弯曲疲劳试验模块，对小梁复合试件进行5万次疲劳作用，复合试件疲劳特性如图9所示。

图9 不同防水黏结层复合试件疲劳特性

由图9可知，随着周期荷载作用次数的增加，铺装层复合试件弯曲劲度模量逐渐降低，表明复合试件的耐疲劳寿命逐渐降低。在交变荷载作用下，试件内部微裂纹产生和发展，导致整体受力特性衰减，最终发生疲劳破坏。对于相同防水黏结层复合试件，构造深度增加，弯曲进度模量衰减越快，残余弯曲劲度模量减少，表明构造深度对铺装层复合试件耐疲劳寿命具有不利影响。构造深度增加，复合试件内部缺陷增多，在荷载作用下，加速试件的疲劳破坏。

切割经疲劳作用的小梁复合试件，并在标准条件下进行抗剪强度测试，评价经疲劳作用后，残余抗剪强度与构造深度的关系，结果如图10所示。

图10 残余抗剪强度与构造深度的关系

由图10可知，黏结层复合件经疲劳作用后，随着构造深度的增加，同一防水黏结层的衰减程度增大。其中，SBS改性沥青抗剪强度依次衰减5.6%、9.9%、14.0%、19.6%；水性环氧沥青抗剪强度依次衰减14.3%、19.6%、25.0%、42.0%；高黏乳化沥青依次衰减10.4%、18.7%、21.6%、45.2%。在防水黏结材料用量一定的情况下，构造深度增加，使单位面积黏附的防水黏结层减少，导致层间柔性协调能力变低，抗疲劳性能降低。此外，弯曲振动作用导致混凝土板表面构造梳齿破损，进而导致嵌锁作用降低，抗剪强度衰减。

SBS改性沥青防水黏结层初始强度相对较低，经疲劳作用后，强度衰减速率较慢，是由于SBS改性沥青洒布量较高，且热塑性弹性体聚合物赋予材料良好的弹塑性和耐久性。高黏改性乳化沥青和水性环氧沥青洒布量相对较少，且水性环氧固化后抗挠曲变形能力减弱，抗疲劳性能降低较快。

4 结论

(1)构造深度对拉拔黏结强度的影响需考虑黏结层材料类型：洒布量较多的热熔型沥青，构造深度适当增加有利于提高其黏结强度；洒布量较少的冷施工型沥青，不适于较大的桥面板构造深度。

(2)构造深度增大对铺装层间抗剪强度具有积极的影响。表面构造深度为0.8 mm，提供的层间摩阻能够保证铺装层间具有良好的抗剪切性能，但过大的构造深度会造成混凝土表面强度降低，进而对抗剪强度产生不利影响。

(3)构造深度增大导致层间横向渗水系数增加，铺装层间具有较多连通孔隙，会对层间稳定性产生不利影响。在调平层表面构造深度确定的情况下，宜增加黏结材料的洒布量，可减少层间渗水通道的产生。

(4)由于桥梁的使用特性，桥面铺装受典型高周期疲劳荷载作用，易产生疲劳破坏，经疲劳试验作用后，铺装层间抗剪强度降低，且构造深度越大，衰减程度越大。3种防水黏结材料中，热塑性弹性体SBS改性的沥青材料受周期荷载作用后，抗剪强度衰减较慢，具有较好的耐疲劳特性。

(5)综合考虑构造深度对上述指标的影响及实际施工需求，在构造深度为0.8 mm的情况下，洒布量较多的热熔型SBS改性沥青材料能够兼顾各指标的平衡，表现出较好的适用性。