层间构造深度对桥面防水粘结层关键路用性能的影响

2022-10-29周本涛王笑风常迅夫万晨光

新型建筑材料 2022年10期

周本涛，王笑风，常迅夫，万晨光

（1.河南宛龙高速公路有限公司，河南平顶山 467000；2.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，河南郑州 450000；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450000）

水泥混凝土桥面铺装主要由沥青铺装层、防水粘结层和水泥混凝土调平层组成[1]。从现有多条高速沥青路面的早期破坏调查表明，桥面面层早期损坏明显高于路基路面，常见病害形式有推移、松散、泛白、唧浆、网裂等，究其原因在于混凝土调平层与沥青铺装层之间接触状态不佳[2-5]。层间结构作为桥面铺装的重要组成部分，是桥面铺装的薄弱区域[6]。

混凝土桥调平层表面构造作为层间结构的组成，是层间结构寿命的重要影响因素[7]。相关设计规范提出水泥混凝土桥面板宜进行铣刨或抛丸打毛处理，处理后的桥面板构造深度宜为0.4～0.8 mm[8]。研究人员通过室内铣刨、拉毛、刻槽等方式对混凝土板表面进行处理，研究表面状态对桥面铺装性能的影响[9]，但表面状态效果随机不可控，难以发现规律性影响。

本文依据典型桥面铺装组合方式，通过对调平层混凝土表面构造的室内量化模拟，研究不同表面构造状态对不同铺装层间组合方案抗剪稳定性、抗拉拔强度、层间横向渗水的影响规律，分析其对层间稳定性的影响，为桥面铺装调平层量化处理提供一定依据。

1 复合试件组合方案

水泥混凝土桥面铺装层常用的组合方式为上面层采用最大公称粒径13 mm的AC-13、SMA-13或AK-13沥青混合料，中面层多为AC-20沥青混合料。常见的防水粘结层材料为沥青同步碎石封层、水性环氧沥青涂层、高黏乳化沥青涂层和热固性环氧沥青等。

由于桥面铺装失效破坏主要发生在防水粘结层，即中面层沥青混合料和混凝土桥面板调平层之间。因此，本文选择中面层沥青混合料和调平层水泥混凝土，2层之间撒布防水粘结层的组合形式。结合河南省常见桥面铺装形式，中面层为AC-20沥青混合料，调平层为C40水泥混凝土，防水粘结层为SBS、橡胶沥青同步碎石封层，高黏乳化沥青和水性环氧沥青，混凝土桥调平层构造深度为0、0.4、0.8、1.2 mm，具体组合方案如表1所示。

表1 复合试件组合方案

2 试验

2.1 构造深度测试方法

采用CJJ 139—2010《城市桥梁桥面防水工程技术规程》中提到混凝土整平层粗糙度，即构造深度的测试方法。

2.1.1 构造深度测试采用材料及仪器设备

粒径0.2～0.5 mm的干燥石英砂；300 mm直尺；空腔容积为25 000～35 000 mm3容器。

2.1.2 构造深度检测步骤

（1）利用已知容积的容器装满干燥的石英砂，得到石英砂的体积V，mm3；

（2）将石英砂均匀摊铺在实验部位呈圆形斑状（基面混凝土凹坑填满细砂为止）；

（3）用直尺测量摊铺的最大直径d，mm；

（4）按式（1）计算构造深度Rt，mm。

2.2 试件制备

2.2.1 中面层

中面层采用AC-20 SBS改性沥青混合料，油石比为5.0%，混合料合成级配如图1所示。

2.2.2 调平层

调平层采用C40水泥混凝土，水泥为P·O42.5水泥，配合比为m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=1∶2.21∶2.71∶0.4，聚羧酸减水剂掺量为0.5%。

2.2.3 构造深度室内量化模拟步骤

（1）在30 cm×30 cm的车辙板模具中倾入融化的石蜡，待自然冷却硬化后脱模，如图2（a）所示；用钢刷在蜡板表面拉毛处理，并用节2.1所述方法，测试其构造深度。通过不断拉毛、测试、修正，使蜡板表面构造深度满足方案要求，如图2（b）所示；将已知构造深度的蜡板重新放入车辙板模具待用，如图2（c）所示。

（2）调制环氧树脂浇注入车辙板模具中，如图3（a）所示；待完全固化后脱模，得到与蜡板表面构造相反的环氧树脂板，如图3（b）、（c）所示。

（3）将已知构造深度的环氧树脂板置入车辙板模具中，如图4（a）所示；并加入搅拌的水泥混凝土，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4（b）、（c）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模拟，得到特定构造深度的混凝土板。

2.2.4 铺装层复合试件制备

如图5（a）所示，按表1方案在混凝土板表面涂布防水粘结层材料。其中同步碎石封层碎石覆盖率为70%左右，混凝土板满覆盖碎石质量为650 g，满足相应覆盖率碎石质量为450 g。将上述混凝土底板放入车辙板模具，并摊铺AC-20 SBS沥青混合料，经轮碾仪压实即可成型铺装层复合试件，如图5（b）所示。为避免钻芯取样过程中对复合试件粘结层产生扰动，影响粘结强度，采用切割方式将复合板制成粘结层截面为80 mm×80 mm的试件待用，进行后续剪切强度及拉拔强度测试，如图5（c）所示。

3 结果与讨论

3.1 表面构造与铺砂量的关系

当水泥混凝土板表面构造深度为0时，可以认为其表面为理想平面，石英砂无法填充表面构造凹槽，从而导致摊铺面积趋近于无穷大。当混凝土表面出现构造深度，构造凹槽体积可以视为填充的石英砂体积V，通过测试摊铺面积S，即可计算得到整体凹槽的平均深度，即表面构造深度Rt。

对混凝土试件进行表面构造处理，通过铺砂法测试其表面构造深度，取特定石英砂松堆体积V为25 000 mm3，混凝土试件构造深度Rt与摊铺直径d的对应关系如表2、图6所示。

表2 表面构造深度与摊铺面积

由图6可见，随着构造深度的增加，相同体积石英砂可摊铺面积减小，且两者呈反比例函数关系。通过拟合结果，构造深度与摊铺面积的乘积常数为24 944，与石英砂实际体积25 000 mm3近似相同，表明铺砂法测构造深度具有一定可行性。

3.2 表面构造对剪切性能的影响

相关研究表明[10-11]，桥面调平层表面构造使桥板与沥青混合料层具有良好的嵌挤作用，表面构造纹理提供的层间摩阻力是影响桥面铺装抗剪稳定性的重要因素。行车制动刹车及加减速过程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。因此工程实际中，常对桥面铺装调平层进行铣刨、拉毛、刻槽处理，增大构造深度，清除桥板表面的浮浆、软弱部位。此外，为施工方便，对桥面铣刨、拉毛处理常沿行车方向进行，如图7所示。

可以预见的是，不同桥面构造方向与行车方向产生的剪切应力是不尽相同的。为研究调平层不同构造深度及荷载剪切作用方向对层间抗剪性能的影响，对方案中4种复合试件进行剪切试验，剪切速率10 mm/min，试验温度20℃，各桥面铺装复合试件的抗剪强度与荷载作用方向的关系如图8～图10所示。

由图8可见，在调平层构造深度为0的情况下，水性环氧沥青的抗剪强度最大为1.33 MPa，其他3种防水粘结层抗剪强度相似，排除构造深度的影响，水性环氧沥青的层间粘结力最强。随着构造深度增大，几种防水粘结层抗剪强度均有提高趋势。构造深度为0的情况下，抗剪强度由粘结层材料自身内聚强度提供，随着构造深度增大，沥青混合料层与混凝土面板的嵌锁作用逐渐增强。高黏乳化沥青在构造深度为1.2 mm时抗剪强度有所降低，在较深的构造深度下，粘结层材料用量不足以充分填充表面构造，导致其对层间粘结力不足，如图9所示。

由图10可见，在剪切位移方向与构造方向垂直情况下，随着构造深度增大，几种粘结层抗剪强度出现先提高后降低的趋势。随着构造深度增大，表面构造提供的层间摩阻作用增强；继续增大表面构造深度，由于波形构造梳齿过薄，混凝土抗剪强度降低，在剪切荷载作用时，自身发生破坏导致摩阻和嵌锁效果降低。因此，桥面板表面构造深度不宜过大。

此外，相同构造深度及粘结层材料下，垂直加载方向的抗剪强度高于平行方向下的抗剪强度。如图11所示，层间抗剪切发生位移的过程中，垂直加载方向对表面构造的摩阻现象更明显，相应的抗剪切强度也更高。据此，工程实际中可适当进行桥面板横向铣刨，使构造方向与行车方向垂直，增强层间抗剪稳定性，减少推移、裂缝等病害。

3.3 构造深度对拉拔性能的影响

与常规路面结构相比，车辆荷载作用下，桥面铺装结构与桥梁主梁结构的振动明显强烈。为保证桥梁上部结构的良好协同变形能力，使一刚一柔2种结构层形成整体受力，要求防水粘结层具有良好的粘结性能[12]。实际施工过程中，由于铣刨、拉毛、抛丸等工艺的不同，桥面构造深度不同对同一防水粘结材料也将产生不同的粘结效果。对不同表面构造深度的拉拔试件进行测试，结果如图12所示。

由图12可见，不同构造深度对防水粘结材料的拉拔强度大致产生2种不同的变化规律。对于热熔型橡胶沥青和SBS沥青，洒布量固定情况下，随着构造深度的增加，拉拔强度呈先提高后降低趋势。拉拔强度由材料抗拉强度及粘结强度提供，表面构造深度为0时，SBS沥青相较于橡胶沥青内聚力更大，粘韧性更强，因此表现出更高的拉拔强度。随着构造深度增大，粘结材料填充基层表面构造，与基层粘结面积增大，且受到非垂直方向作用力，因此拉拔强度出现提高趋势。构造深度继续增大，粘结材料集中于基层构造凹槽内，构造凸起处反而减少，使整体粘结强度降低，拉拔强度降低。橡胶沥青在较大的构造深度下拉拔强度高于SBS沥青，主要是由于相同质量洒布量下，橡胶沥青具有更大的体积，因此能够填充较大构造深度的基层。

对于水性环氧沥青和高黏乳化沥青，随构造深度增大，拉拔强度呈降低趋势。在构造深度为0时，水性环氧沥青和高黏乳化沥青拉拔强度高于热熔沥青，主要是由于水性环氧沥青和高黏乳化沥青常温下为液态，与热熔沥青相比，具有极好的流动性和渗透性，能够渗入基层表面开孔和连通孔中，经固化或破乳后，在粘结表面形成类似于铆钉的效果。同时，水性环氧沥青固化后内部形成交联的热固性聚合物，因此拉拔强度高于高黏乳化沥青。由于二者洒布量较小且存在非固含量，随着构造深度增大，流动状态的粘结材料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，上下基面粘结面积及效果不佳，导致拉拔强度持续降低。

3.4 构造深度对层间渗水的影响

在桥面铺装服役过程中，调平层与沥青层层间渗水产生的动水冲刷是导致桥面铺装出现松散、泛白等早期病害的主要原因[13]，如图13所示。如果防水粘结层无法将沥青层与桥面板紧密粘结，产生太多层间渗水通道，必然使层间稳定性失效。

本文通过层间渗水设备[14]，层间横向渗水原理图如图14所示，对不同构造深度下的复合试件进行层间渗水测试，结果如图15所示。

由图15可见，随着调平层表面构造深度增大，层间横向渗水系数呈增大趋势，层间横向渗水通道变多。橡胶沥青和SBS沥青洒布量较多，且受到热沥青混合料碾压后会熔融流动，充分粘结沥青层与调平层，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。但随着构造深度增加，防水粘结材料在确定的洒布量情况下，层间开始出现渗水。水性环氧沥青与高黏乳化沥青的层间横向渗水系数较大，较少的洒布量导致桥面铺装两层结构未充分粘结，存在较多空隙。上述现象与构造深度对层间拉拔强度的影响规律相一致。