基于表面特性的沥青混凝土桥面防水黏结层力学性能研究

2022-12-14赵作富

公路与汽运 2022年6期

赵作富

(广州公路工程集团有限公司，广东广州 510075)

沥青混凝土桥面的主要早期病害为车辙、剥落和裂缝，其中桥面防水黏结层铺洒效果是决定剥落病害发生的主要原因，黏结力不足容易导致桥面铺装层发生水平方向相对位移导致剪切破坏，造成桥面沥青层产生推移、拥包病害，进而导致桥面出现松散、剥落现象。数值分析发现水泥混凝土桥面铺装层间纵向剪应力及水平荷载对层间合成剪应力影响较大，桥面板的表面纹理构造决定防水黏结层的疲劳性能。室内剪切试验结果显示，低温条件下沥青结构层间黏结效果较优，20 ℃时沥青层间剪切强度大于60 ℃时强度，防水黏结层存在最佳使用量使其强度性能最高，增加沥青混凝土铺装层厚度和模量有利于减小铺装结构的最大剪应力，进而减少桥面剪切破坏。但已有研究主要停留在定性分析层面，很少进行定量分析。本文通过试验分析水泥混凝土桥面湿润状态和构造深度对防水黏结层性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 主要材料

防水黏结层采用改性乳化沥青+SBS改性热沥青，喷洒厚度为1.5 mm；沥青层采用厚度5 cm的中粒式改性沥青混合料；桥面整体化层采用厚度5 cm C40水泥混凝土。

1.2 试验方案

制作多组40 cm×40 cm×10 cm试件。试件为双层结构，上层为5 cm厚中粒式改性沥青混合料模拟桥面沥青结构层，下层为5 cm厚C40水泥混凝土模拟桥面整体化层，两结构层之间喷涂改性乳化沥青，厚度1.5 mm。通过车辙板试验成型试件，将试件切割为10 cm立方体试件进行拉拔试验和斜剪试验，分析结构间的黏结强度和抗剪强度。

完成水泥混凝土试件制备后，在不同湿度条件下喷涂防水黏结层及沥青结构层，分别进行拉拔试验和斜剪试验，分析基面潮湿程度对防水黏结层抗拉和抗剪强度的影响。

水泥混凝土初凝后，用毛刷对其进行拉毛处理，恒温养护后，在不同温度下分别进行拉拔试验和斜剪试验，分析基面粗糙度对防水黏结层抗拉和抗剪强度的影响。

在水泥混凝土不同表面硬度条件下加铺防水黏结层及沥青结构层，分别进行拉拔试验和斜剪试验，分析基面表面硬度对防水黏结层抗拉和抗剪强度的影响。

2 试验结果与分析

2.1 表面含水状况对防水黏结层黏结性能的影响

防水黏结层施工中，桥面应保持干燥。桥面潮湿，含水量过大，可能导致乳化沥青破乳后水分不能完全蒸发，在致密的混凝土基面与沥青层之间留存水膜，沥青与混凝土界面不能较好地浸润，使乳化沥青的黏结力失效，最终导致结构层间黏结力损失，沥青层出现剥落现象。

目前常用的基面含水状况测定方法有：1) 目测判断有无明显的潮湿区域，若有，则不能施工。2) 在基面上放置纸张，固定使之不会飞起，放置4～5 h 后，若纸张稍微变湿，则不能施工。3) 在边长为40 cm的正方形区域撒水泥粉，覆盖纸张并固定，3～4 h后拆除纸张，若水泥粉固化或部分固化为较粗的粒子，则不能施工；若稍微变湿，但仍为粉末状态，风吹时即飞扬，则可以施工。

根据上述方法，分别在潮湿、湿润和干燥条件下成型试件，室温养护后进行拉拔试验和剪切试验，测试结果见表1。

表1 表面含水状况与防水黏结层层间黏结效果的关系

由表1可知：混凝土表面含水状况对防水黏结层层间黏结效果有重要影响。混凝土表面潮湿时，层间黏结强度较低；混凝土表面干燥时，层间黏结效果较好。在铺设防水黏结层前应判断混凝土表面含水状况，混凝土表面处于潮湿状态时不能进行铺设。

2.2 基面构造深度对防水黏结层黏结性能的影响

2.2.1 基面构造深度对防水黏结层抗剪强度的影响

试验温度为20 ℃和40 ℃时防水黏结层抗剪强度与构造深度的关系见表2、图1。

表2 不同试验温度下防水黏结层层间抗剪强度

图1 防水黏结层层间抗剪强度与构造深度的关系

沥青层与混凝土基面间的剪切强度主要由材料间的机械咬合力和黏结材料的抗剪强度组成。根据黏结作用的机械咬合理论，沥青黏结剂在浸润混凝土基面的过程中会产生咬合力，混凝土基面的粗糙程度决定细微结构间的机械嵌挤、咬合力大小。黏结材料的抗剪强度由摩尔-库伦理论决定。由图1可知：1) 随基面构造深度增大，剪切强度呈先增加后下降的趋势，构造深度为0.9 mm时剪切强度达到峰值。粗糙程度决定机械咬合力大小，机械咬合力增加导致抗剪强度增加；同时构造深度增加导致浸润面积增大，黏聚力增大，结构抗剪强度增加。混凝土基面构造深度达到0.9 mm时，机械咬合力达到最大值，黏聚力也因为材料自身的抗剪强度局限而不再增加，继续增加桥面粗糙程度对提高结构抗剪强度影响不大。2) 试件温度由20 ℃升高至40 ℃时，剪切强度折减至原来的1/5左右。这主要是由天然沥青高温稳定性低的特性所致。高温导致沥青分子活跃，材料黏聚力降低，抗剪强度降低。高温条件下，外力导致黏结材料内部先发生剪切破坏，导致抗剪强度不足。

2.2.2 基面构造深度对防水黏结层黏结力的影响

通过拉拔试验研究水泥混凝土基面构造深度对防水黏结层黏结力的影响，拉拔速度为10 mm/min，试验温度分别为20 ℃和40 ℃，试验结果见表3、图2。

表3 不同试验温度下防水黏结层层间黏结强度

图2 防水黏结层层间黏结强度与构造深度的关系

根据吸附理论，黏结剂与固体表面接触浸润的过程中界面分子间距缩小，分子间产生范德华力和氢键。黏结力主要来源于分子间力，即黏结层沥青与水泥混凝土基面的润湿程度是影响黏结效果的主要因素。由图2可知：水泥混凝土基层表面构造深度与防水黏结层的黏结性能相关性较大。随基面构造深度增大，黏结强度呈抛物线变化，在基面构造深度为0.9 mm时达到峰值；黏结强度达到峰值后，随构造深度增加，黏结强度不增反降。水泥混凝土基面构造深度增加，层间接触面积增大，结构黏结强度增大；黏结强度达到峰值后，继续增构造深度，基面微型沟槽过于细密，深度大，改性沥青铺洒时，微型沟槽底部难以被浸润，存在气体空腔残留，因而浸润面积难以进一步增加，导致结构黏结力达到极大值后不能进一步增大。

综上，防水黏结层的抗剪强度和抗拉强度均随着基面构造深度的增加呈现先增加后减小的趋势，且不同温度下的变化趋势相同。构造深度为0.9 mm时，抗剪强度和黏结强度出现极大值。为保证施工效果，施工时，拉毛后构造深度应控制在0.9 mm左右。

2.3 现场原位试验结果与分析

依托广州白云机场第二高速公路沥青混凝土桥面铺装工程进行原位试验。试验方案：中面层摊铺后，在桥面进行钻芯取样，深度为达到水泥混凝土基面，钻孔直径10 cm，芯样周围与沥青中面层脱离不取出(见图3)，芯样底面与桥面基层相连，将拉拔头固定在芯样顶面，现场进行拉拔试验(见图4)。沥青摊铺前再采用铺砂法检测桥面构造深度，并在防撞栏上作标记，沥青摊铺后在标记处进行原位拉拔试验，记录各点构造深度、拉拔抗力和拉拔破坏界面位置。

图3 原位试验钻芯

图4 拉拔试验现场

2.3.1 首次试验结果与分析

首次试验在午后气温较高(桥面温度为60 ℃)时进行，各里程桩号标记点处的构造深度及拉拔力对应数据见表4、图5。

表4 沥青中面层60 ℃结构芯样拉拔抗力

图5 沥青中面层60 ℃黏结力

从表4、图5可以看出：层间拉拔力与构造深度呈正相关关系，构造深度增加，拉拔力增大；拉拔力变化曲线与构造深度变化曲线的形态重合，与室内试验结果相吻合。芯样拉拔破坏界面分别位于黏结层与水泥混凝土基面交界面处和沥青层内(见图6、图7)。

图6 破坏面位于水泥混凝土基面交界面处

图7 破坏面位于沥青层内

构造深度为0.88 mm时，层间黏结强度最大，为0.044 MPa，芯样断裂发生在沥青层内；构造深度大于1.2 mm或小于0.7 mm时，芯样断裂位置位于水泥混凝土基面交界面处。对比室内试验(40 ℃)和原位试验(60 ℃)的黏结强度应力数据，原位试验黏结强度应力值损失较严重，证明温度对防水黏结层影响较大，桥面防水黏结层施工工艺控制较重要。

2.3.2 第二次试验结果与分析

第二次试验在上午气温较低时进行，路面温度为15 ℃，各里程桩号标记点处构造深度及拉拔力对应数据见表5、图8。

表5 沥青中面层15 ℃结构芯样拉拔抗力

图8 沥青中面层15 ℃黏结力

由表5、图8可知：拉拔力变化曲线与构造深度变化曲线的变化形态基本重合。层间拉拔强度应力值与室内试验黏结强度应力值基本相当。芯样断裂位置全部位于防水黏结层与水泥混凝土基面交界面处，证明低温条件下沥青防水黏结层与沥青结构层间的黏结力大于其与水泥混凝土基面的黏结强度，层间破坏易发生在防水黏结层与水泥混凝土基面之间。

2.4 基面表面硬度对防水黏结层黏结性能的影响

已有研究表明，混凝土7 d内的早期强度发展较快，其中低配筋率混凝土1 d内的强度即可达到设计强度的96%，3 d强度可达到设计强度的98%，7 d后强度增长有限。为分析基面表面硬度对防水黏结层黏结性能的影响，成型试件，根据回弹值在不同表面硬度状况下加铺沥青结构层，分别进行拉拔试验和剪切试验，结果见图9、图10。

由图9、图10可知：防水黏结层的拉拔强度和抗剪强度随着回弹值的增加呈线性增长，但回弹值≥30 MPa时拉拔强度和剪切强度增长速率明显下降。水泥混凝土基面强度在30 MPa以下时，拉拔强度和剪切强度随着回弹值的增加而显著增长。这主要是因为水泥混凝土表面未完全水化形成一定的致密结构，立即加铺上部沥青结构层，混凝土表面微小空隙较多，加铺会造成空隙扩大形成较多微小裂缝，降低拉拔强度和抗剪强度；水泥混凝土基面强度达到30 MPa以上时，混凝土表面形成致密结构，加铺上部沥青结构层对表面的影响较小，对拉拔强度和剪切强度的影响较小。综上，上部沥青混凝土结构层摊铺前应确保水泥混凝土基面强度达到30 MPa以上。