环境因素对桥面铺装防水黏结层黏结性能影响特征研究*

唐 雷 陈李峰 高培伟 陈 鹏 宋建桓

(1.中交第三公路工程局有限公司 北京 101300; 2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 210000；3.南京航空航天大学民院学院 南京 210016)

桥面铺装铺设在桥面板上，直接承受外部环境中行车荷载、雨雪侵蚀、温度剧烈变化等复杂环境因素的影响，容易出现各种病害，造成极大的安全隐患。相关研究表明，大量水泥混凝土桥梁出现早期病害，影响正常使用的原因就是铺装层损坏，导致水分进入主梁混凝土，引起钢筋的锈蚀造成。而设置防水黏结层不仅可以防止水分等有害物直接进入桥面板，还承担有效连接桥面板和铺装层，增强二者黏结作用，是承上启下的关键。更为重要的是铺装层在车辆竖向垂直荷载和水平剪切荷载的作用下，内部产生较大的拉应力和剪应力，防水层的存在可以增强层间抵抗剪切变形的能力，减小由于层间应力过大引起的各种病害。

目前，防水层材料市场中，树脂类材料[1-3]具有高性能、施工方便等优点，极具应用前景[4]。根据实际工程中铺装结构和界面黏结材料应用的特点，选取常用的改性乳化沥青(RH)、日本进口的二阶环氧黏结材料(HRB)和新研发的界面增强黏结剂(GY)3种典型黏结层材料，通过对防水黏结层的拉拔强度和剪切强度进行试验，探讨不同环境下黏结性能，对研究桥面铺装结构、减少结构病害发生，有重要现实意义。

1 试验试件制备与方法

1) 防水黏结层黏结强度拉拔试验。为了评价黏结材料自身黏结强度，预先制作300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土板，在板上分别涂抹3种不同防水黏结层材料，利用轮碾机成型50 mm厚沥青混合料铺装层，利用钻芯机取出高度100 mm、直径100 mm的圆形试块，采用拉离法附着力检测仪进行防水黏结层结构的拉拔试验[5-6]。

防水黏结层黏结强度拉拔试验示意见图1，抗拉强度计算方法如式(1)。

图1 黏结层黏结强度试验

(1)

式中：σ附为拉拔强度，MPa；P为拉脱时破坏荷载，N；S为拉头与黏结材料接触面积，mm2。

2) 防水黏结层剪切强度试验。对切割成型试件进行斜剪试验，示意见图2。将试件放入夹具中，保证防水黏结层正好处于受剪切的平面上，避免其他层被剪切影响实验结果，试验在MTS试验机进行，试验温度为25 ℃，加载速度为50 mm/min。

图2 黏结层斜剪试验

当对试件施加作用力F时，试件所受剪切强度，计算方法见式(2)。

式中：τ为剪切强度，MPa；F为作用荷载，N；α为试件倾角，30°；S为试件受剪截面积，mm2。

2 不同环境因素对黏结层界面黏结性能的影响

温度是影响黏结层性能的主要原因之一，在高温时软化，稳定性变差，低温时变脆，易发生开裂等，雨雪侵蚀荷载反复作用等也会造成材料加速产生疲劳老化，影响防水材料的物理特性。

水分的渗入是造成桥面铺装破坏的另一个主要原因。尤其在寒冷地区，水分的冻融循环更会造成安全隐患。此外，盐水等有害物质的侵蚀也会造成黏结层破坏，从而导致桥面板的破坏。

2.1 环境温度对层间黏结性能的影响

采用3种黏结材料的最佳用量制备试件，在温度为0，25，40，70 ℃的条件下养护30 min后，迅速开展拉拔和剪切试验，试验结果见图3。

图3 温度对层间结合性能的影响

由图3可见，温度对黏结强度的影响非常巨大，拉拔和抗剪强度均随温度升高先升高再降低，在室温条件下性能表现最佳，高温下拉拔强度和剪切强度下降非常快。RH在高温状态下黏结效果较差；HRB在高温时拉拔和抗剪强度表现较差；GY高温下性能表现较好，但剪切强度未能达到指标要求。

2.2 冻融对层间黏结性能的影响

将成型好的试件放入恒温冰箱中，在-18 ℃冻24 h，然后取出在25 ℃恒温水中解冻16 h，再进行剪切强度和拉拔强度试验，结果见图4。

图4 冻融对层间结合性能的影响

由图4可见，3种黏结材料的黏结强度受冻融影响，强度下降幅度较大。冻融前后的剪切强度比变化不大，说明冻融对GY影响最小，但最终强度均未达到剪切强度指标要求；冻融对HRB拉拔性能影响最小，但冻融后强度均未达到剪切强度的指标要求，总体来说，GY抗冻性能最优，HRB次之，RH最差。

2.3 老化对层间黏结性能的影响

采用薄膜老化试验箱，进行老化试验，老化后测定25 ℃拉拔强度和剪切强度，对比试验结果见图5。由图5可见，老化对3种材料的黏结性能影响较小，强度下降幅度较小。对于拉拔强度来说，比较GY、HRB和RH老化前后拉拔强度比，GY为92.6%，HRB为86.2%，RH为76.4%，说明老化对GY影响较小，其中GY和HRB老化后强度仍能满足拉拔强度要求。对于剪切强度来说比较3种材料老化前后的剪切强度比，GY为90%，HRB为86.2%，RH为60%，得出的规律相似，GY抗老化性能最优，HRB次之，RH较差。

图5 老化对层间结合性能的影响

2.4 水损害对层间黏结性能的影响

通过浸水试验的拉拔试验来比较不同防水黏结材料的耐水性能，按照表1中的要求分别制备试件，浸水时间对层间黏结强度影响，见图6。

表1 浸水试验试件涂抹量 kg/m2

图6 浸水时间对层间黏结强度影响

由图6可见，3种黏结材料的拉拔强度均随浸水时间增加而减小。对比3种材料不同涂抹量强度曲线变化，HRB下降幅度最大，GY和RH的强度曲线下降较平缓，说明后2种材料耐水性能表现较好，在最佳涂抹量下，3种材料最终强度大小为：GY>HRB>RH，但均小于拉拔指标，说明黏结材料已破坏。

2.5 腐蚀对层间黏结性能的影响

通过NaCl的腐蚀试验比较分析不同防水黏结材料的耐腐蚀性能，结果见图7。由图7可见，3种黏结材料的拉拔强度均随NaCl腐蚀天数的增加而减小。3种材料不同涂抹量的强度曲线变化，HRB的下降幅度最大，说明HRB受NaCl腐蚀影响最大，GY和RH的强度曲线下降较平缓，说明其耐NaCl腐蚀性能较好。在最佳涂抹量下，3种材料最终强度大小为HRB > GY >RH。

图7 腐蚀时间对层间黏结强度影响

3 结论

1) 在高温条件下，乳化沥青黏结效果较差，在70 ℃时，乳化沥青黏结材料拉拔强度仅有0.4 MPa，抗剪强度为0.6 MPa，3种材料高温下拉拔和剪切强度下降非常快。

2) 在冻融条件下，比较冻融前后的强度比，得出GY抗冻性能最优，HRB次之，RH最差；在老化条件下，比较3种材料老化前后强度比，得出GY抗老化性能最优，HRB次之，RH较差。

3) 在水损害条件下，综合对比浸水试验和潮湿基面耐水试验，3种材料的耐水性能均表现良好，其中潮湿基面对拉拔强度的影响比浸水的短期影响更大，比较其强度下降幅度及最终强度大小，得出3种材料的耐水性能GY表现最优，HRB次之，RH较差；在腐蚀条件下，3种界面黏结材料耐腐蚀性能均表现良好，比较其强度下降幅度及最终强度大小，得出3种材料的耐腐蚀性能GY表现最优，HRB次之，RH较差。