基于正交设计的工厂化橡胶沥青防水黏结层影响因素研究

摘要 为了提升工厂化橡胶沥青作为防水黏结层时的性能，改善桥面铺装防水效果，文章通过正交设计的方法研究在工厂化橡胶沥青用量、集料粒径、集料洒布量不同条件下的防水黏结层的抗剪强度与黏结强度变化，然后通过工厂化橡胶沥青防水黏结层在常温、高温下剪切强度黏结强度的影响关系分析得出单向性能的最佳组合，最后综合各项性能和实际用量的支撑下得出综合性能最优组合：工厂化橡胶沥青为1.5～2 kg/m²；集料粒径为4.75～9.5 mm；集料洒布量为7～9 kg/m²。

关键词 防水黏结层；正交设计；抗剪强度；黏结强度；最优组合

中图分类号 U444文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0114-04

0 引言

防水黏结层是水泥混凝土桥面铺装的重要组成部分，在水泥混凝土桥面铺装结构中，防水黏结层起着承上启下的重要作用，一方面，它将刚性的水泥混凝土桥面板和柔性的沥青铺装层连接成一个整体共同受力；另一方面，防水黏结层可保护桥面板、主梁的混凝土免受水的侵蚀并防止钢筋腐蚀，这就要求桥面防水黏结层应具有良好的高低温界面力学性能和防水性能。根据桥面病害调研结果，桥面病害一个重要原因就是防水黏结层较差，不能达到很好的防水和与基层水泥混凝土板黏结的效果。而目前桥面防水黏结材料种类众多，化学组成、技术性能等存在较大的差异，实施效果也不尽相同[1-2]。

基于此，该文通过正交试验设计方法研究工厂化橡胶沥青用做防水黏结层的性能，并在不同条件下对工厂化沥青黏结层的剪切强度和黏结强度进行对比，研究工厂化橡胶沥青防水黏结层的特点。

1 正交设计方法

正交设计方法（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一种设计方法，它是从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验。正交设计方法又称正交实验设计或多因素优选设计，是合理安排、科学分析各实验因素的一种有效的数理统计方法[3]。它是在实践经验和理论认识的基础上，借助一种规格化的“正交表”，从众多的实验条件中确定出若干个代表性较强的实验条件，科学地安排实验，然后对实验结果进行综合比较，统计分析，探求各因素水平的最佳组合，从而得到最优或较优实验方案的一种设计方法。它能以较少的实验次数找到较好的实验（生产）方案，由正交实验寻找出的优化参数（条件）与全面实验所找出的最优条件有一致的趋势。

2 正交表设计

为分析工厂化橡胶沥青用量、集料粒径、集料洒布量对防水黏结层抗剪强度与黏结强度的影响[4]，拟通过三因素三水平正交表设计研究。因素水平表如表1所示。

3 试件成型

首先在室内的特别试模（30 cm×30 cm×10 cm）中浇筑按水泥混凝土桥面板配合比拌制的水泥混凝土（30 cm×30 cm×5 cm），在初凝后、终凝前打毛表面，试件养生7 d，在水泥混凝土完全干燥情况下，继续打磨表面去除浮浆，按掺量涂抹工厂化橡胶沥青。工厂化橡胶沥青洒布后立即按照确定的洒布量洒布碎石，将洒布碎石后的试件放在室内常温冷却，待冷却后在其上铺装3.5 cm厚SMA沥青混合料，并且在碾压机上压实成型混合料。待上层沥青混合料冷却后脱模，采用和现场相同的钻芯法取直径100 mm的圆柱体试件进行剪切试验，剪切试件如图3所示；使用钻芯机在模具内的复合件上钻深超过3.5 cm，使上层沥青混合料以及防水黏结层与四周断开，在沥青混合料表面涂抹环氧树脂，黏结拉拔头，养生16 h后在常温或高温环境下保温进行黏结强度测试。水泥混凝土板表面处理如图1所示，防水黏结层的涂抹如图2所示。

4 试验结果分析

正交设计方案和试验结果如表2所示，直观分析结果如表3所示。

4.1 敏感性分析

从表3可以看出，常温条件下，各因素对抗剪强度与黏结强度的影响按从大到小的顺序依次为：集料粒径、工厂化橡胶沥青用量、集料洒布量。集料粒径的影响远大于其他两种因素的影响，为了增大工厂化橡胶沥青防水黏结层的常温抗剪强度与黏结强度，应选择集料粒径为10～15 mm的集料。

而高温条件下，各因素对抗剪强度与黏结强度的影响差异性较小，其中集料粒径的影響略高于沥青用量和集料洒布量，这是由于高温条件下，工厂化橡胶沥青中自由沥青含量更高，分子间作用力减弱，黏结强度显著降低，导致整体差异性较小[5-6]。

4.2 单项性能最优组合分析

根据表3分析总结可知，满足常温抗剪切强度的最佳组合为A2B3C2，即工厂化橡胶沥青用量为2.2 kg/m²，集料粒径为9.5～13.2 mm，集料洒布量为7 kg/m²；高温抗剪切强度的最佳组合为A1B2C2，即工厂化橡胶沥青用量为1.8 kg/m²，集料粒径为4.75～9.5 mm，集料洒布量为7 kg/m²；常温黏结强度的最佳组合为A2B3C1，即工厂化橡胶沥青用量为2.2 kg/m²，集料粒径为9.5～13.2 mm，集料洒布量为5 kg/m²；高温黏结强度的最佳组合为A2B1C1，即工厂化橡胶沥青用量为2.2 kg/m²，集料粒径为2.36～4.75 mm，集料洒布量为5 kg/m²。

4.3 综合性能优组合分析

根据上述单项性能最优组合分析可得，工厂化橡胶沥青防水黏结层各种性能的最优组合各不相同，无法寻求各方性能均最优的组合。但桥面防水黏结层在使用过程中对各项性能的要求也不尽相同，因此工厂化橡胶沥青防水黏结层的优组合可根据各因素对力学分析结果的满足性确定[7-8]。

拟定各温度条件下防水黏结层的各项性能指标为：

常温抗剪强度≥0.54 MPa（工况：超载+刹车）；

高温抗剪强度≥0.2 MPa（工况：常载）；

常温黏结强度≥0.04 MPa（工况：超载+刹车）；

高温黏结强度≥0.04 MPa（工况：超载+刹车）。

分析可得，工厂化橡胶沥青防水黏结层各因素各水平条件下的常温抗剪强度、常温黏结强度和高温黏结强度均满足各项性能指标要求，而高温抗剪强度并不完全满足技术指标要求。满足0.2 MPa的工厂化橡胶沥青用量为≤2.0 kg/m²，集料粒径为4.75～9.5 mm，集料洒布量为7 kg/m²。综合各项性能和实际用量，推荐工厂化橡胶沥青防水黏结层的优组合为：工厂化橡胶沥青1.5～2.0 kg/m²，集料粒径为4.75～9.5 mm，集料洒布量为7～9 kg/m²。

值得注意的是，该次正交设计工厂化橡胶沥青防水黏结层上铺装层混合料为SMA13，与集料2.36～4.75 mm和9.5～13.2 mm粒径的集料嵌挤效果较差，这可能对试验最终结果产生一定消极影响。考虑防水黏结层的剪切强度一部分来自摩阻力，摩阻力与嵌挤效果有正相关性，工厂化橡胶沥青防水黏结层洒布的集料宜采用比铺装层混合料用集料最大规格粒径小一个规格等级的集料，以形成良好的界面嵌挤效果。

4.4 综合比选

为评价工厂化橡胶沥青防水黏结层的应用特点，促进工厂化橡胶沥青防水黏结层的应用，该节从路用性能、施工性能和造价等方面对各典型防水黏结层和工厂化橡胶沥青防水黏结层的性能进行了全面对比。

4.4.1 力学性能对比

根据上节研究成果，选择工厂化橡胶沥青用量1.8 kg/m²，集料粒径4.75～9.5 mm；集料洒布量8 kg/m²成型试件测试其高温、常温剪切和黏结强度以及抗冻性能，试验结果和其他典型防水黏结层的研究成果如表4所示。

由表4试验结果分析可知，五种防水黏结层具有各自特点，其中SBS改性沥青、两种橡胶沥青的力学性能较均衡，而环氧树脂和单组分环氧沥青的单项性能较为突出。

层间黏结性能：五种防水黏结层中单组分环氧沥青防水黏结层具有最高的常温和高温黏结强度，其次是现场湿法橡胶沥青和工厂化橡胶沥青防水黏结层，SBS改性沥青与环氧树脂防水黏结层的常温黏结强度相近，而SBS改性沥青的高温黏结强度要优于环氧树脂。

层间剪切性能：四种防水黏结层的抗剪切性能均满足要求，但剪切强度值差异较大。环氧树脂防水黏结层高低温抗剪强度最高，工厂化橡胶沥青防水黏结层次之，SBS改性沥青和现场湿法橡胶沥青常温和高温剪切强度较为均衡，单组分环氧沥青常温抗剪强度较优。

抗冻性能：环氧树脂和单组分环氧沥青不仅冻融前后剪切强度均较大，而且冻融剪切强度比也较高，远大于SBS改性沥青和两种橡胶沥青，说明环氧树脂和单组分环氧沥青的抗冻性较好。

通过对比可知，SBS改性沥青和两种橡胶沥青在常温和高温下的力学性能较为均衡，但抗冻性能不佳，在寒冷地区反复冻融循环会显著降低其性能；环氧树脂常温和高温抗剪强度较高，但常温和高温黏结强度相对较小；单组分环氧沥青常温和高温的黏结强度较突出，常温抗剪强度也较高，而其高温抗剪强度较小。仅从力学性能考察，五种防水黏结层材料均有各自的优缺点，在实际工程应用中应根据工程具体情况选择应用。

4.4.2 施工性能对比

在室内试验研究和分析的基础上，该节将根据各种防水黏结层的物化性能分析和比较其施工性能。

（1）材料制备。对于上述防水黏结层，SBS改性沥青和工厂化橡胶沥青可由厂家直接供货，性能较稳定可靠；现场湿法橡胶沥青需现场生产，不适宜工程量较小的桥面铺装工程；环氧树脂、单组分环氧沥青则需在现场拌制成品，增加了现场施工工序，且原材料性能和成品的均匀性较难控制，不如直接提供成品的热沥青方便。

（2）温度要求。在SBS改性沥青、现场湿法橡胶沥青、工厂化橡胶沥青、环氧树脂和单组分环氧沥青四种防水黏结层中，现场湿法橡胶沥青的洒布温度最高，约在195～205 ℃之间，工厂化橡胶沥青次之；SBS改性沥青洒布温度稍低，但仍维持在较高温度，约185～190 ℃之間。环氧树脂和单组分环氧沥青属常温洒布、冷用。从节约能源角度出发，环氧树脂、单组分环氧沥青节能效果较好。

（3）洒布碎石要求。为了防止防水黏结层“粘轮”和“翘皮”，现场湿法橡胶沥青、工厂化橡胶沥青、SBS改性沥青、环氧树脂防水黏结层均需洒布碎石，同时为了提高力学性能，确保防水黏结层与碎石的黏结，洒布碎石后紧跟采用胶轮压路机碾压2～3遍；而单组分环氧沥青快干，不粘轮，不用洒布碎石。

（4）养生要求。SBS改性沥青、现场湿法橡胶沥青和工厂化橡胶沥青高温洒布后需立即进行洒布碎石，待沥青冷却后再摊铺铺装层混合料。环氧树脂在常温洒布后也需在初步固化前进行铺装层材料的摊铺碾压，时间越长，塑性降低，黏度下降也会影响防水黏结层的性能。单组分环氧沥青常温洒布后需固化养生，待其硬化后再摊铺铺装层材料，利用铺装层材料的高温进行二次固化。综合来看，上述防水黏结层的养生时间相近，主要差异在于热沥青需冷却，而环氧树脂和单组分环氧沥青需自身组分反应完全。

5 结论

通过正交设计法对同条件下对工厂化沥青黏结层的剪切强度和黏结强度进行对比，得到以下结论：

（1）将工厂化橡胶沥青用于防水黏结层时，集料粒径对防水黏结层的剪切强度和黏结强度的影响比较显著，铺筑过程中应重视集料粒径的选择。

（2）将工厂化橡胶沥青用于防水黏结层时，满足常温抗剪切强度的最佳组合为A2B3C2，高温抗剪切强度的最佳组合为A1B2C2，常温黏结强度的最佳组合为A2B3C1，高温黏结强度的最佳组合为A2B1C1。

（3）在铺装层为SMA13的条件下，综合性能满足要求的工厂化橡胶沥青防水黏结层应采用组合：工厂化橡胶沥青：1.5～2.0 kg/m²；集料粒径：4.75～9.5 mm；集料洒布量：7～9 kg/m²。

（4）工厂化橡胶沥青防水黏结层洒布的集料粒径宜比铺装层混合料用集料最大粒径规格少一个规格等级，以产生良好的嵌挤效果，提高防水黏结层抗剪性能。

（5）工厂化橡胶沥青防水黏结层性能良好，且施工方便、综合性能良好，可用于高速公路普通及大跨径桥梁新建和养护工程的防水黏结层铺筑。

参考文献

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收稿日期：2023-09-20

作者简介：余小晴（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向：工程建设与管理。