雙層橡膠碎石防水黏結(jié)層設(shè)計方法研究

馬磊霞

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊 050000)

橋面鋪裝通常采用瀝青鋪裝層，使用中容易出現(xiàn)推移、松散、擁包等病害，同時水會侵蝕橋梁結(jié)構(gòu)，使用性能因此受到影響。在鋪裝層和橋面板之間通常設(shè)置防水黏結(jié)層將橋面板與瀝青鋪裝層黏結(jié)成一個整體，能防止水分下滲到水泥砼橋面板，它與鋪裝層共同承受行車荷載和外部環(huán)境變化，吸收鋪裝層之間應(yīng)力，改善橋梁受力狀況，延長橋梁的使用壽命。研究顯示，位移速率、溫度等因素會對防水黏結(jié)層性能產(chǎn)生影響。防水膜最佳厚度為0.7～1.0 mm時，橋面板與細級配瀝青砼的黏結(jié)效果優(yōu)于粗級配，橋面防水黏結(jié)層材料的黏結(jié)強度隨著溫度的升高顯著降低。室內(nèi)試驗結(jié)果顯示，橡膠瀝青和SBS改性瀝青的防水黏結(jié)層黏結(jié)性能良好，滿足防水黏結(jié)要求。除位移速率、溫度等因素外，防水黏結(jié)材料也對防水黏結(jié)層的層間黏結(jié)性能有影響。橡膠瀝青碎石封層在延緩反射裂縫、加強層間結(jié)合、抗水損能力方面具有顯著優(yōu)勢，是一種優(yōu)良的橋面防水黏結(jié)層。橡膠瀝青碎石封層作為防水黏結(jié)層通常采用抗剪指標評價其黏結(jié)效果，當橡膠瀝青灑布量為2～2.4 kg/m2、碎石撒布量為12～16 kg/m2時，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強度最大?；谝延邢鹉z瀝青碎石封層的應(yīng)用成果，該文以雙層碎石封層作為超薄抗滑瀝青砼鋪裝的防水黏結(jié)層，通過該方案與常規(guī)方案的對比優(yōu)選防水黏結(jié)層材料。

1 結(jié)構(gòu)與材料

1.1 結(jié)構(gòu)組合

雙層橡膠瀝青碎石結(jié)構(gòu)由骨架下層和嵌擠上層組成，該結(jié)構(gòu)中2層單粒徑碎石與橡膠瀝青通過黏結(jié)、嵌擠等作用形成一個整體，提高整體抵抗拉應(yīng)力的能力，延緩反射裂縫的發(fā)生，同時防止水分下滲到水泥砼橋面板，提高橋梁的耐久性。雙層橡膠碎石結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 雙層橡膠碎石結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 原材料及黏結(jié)性能評價方法

1.2.1 集料

選取的石料為玄武巖碎石，粒徑為5～10、10～15 mm，石料的技術(shù)性能檢測結(jié)果見表1。

表1 粗集料的技術(shù)要求及檢測結(jié)果

1.2.2 橡膠瀝青

橡膠瀝青的質(zhì)量直接影響瀝青和集料的黏結(jié)力，足夠的黏結(jié)力才能保證碎石封層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?；|(zhì)瀝青選用70#道路石油瀝青，其技術(shù)性能檢測結(jié)果見表2。橡膠粉顆粒篩分結(jié)果見表3。

表2 70#道路石油瀝青的技術(shù)性能檢測結(jié)果

表3 橡膠粉篩分結(jié)果

橡膠瀝青由70#基質(zhì)瀝青通過摻加40目18%橡膠粉改性而成，其性能檢測結(jié)果見表4，滿足《橡膠瀝青路面技術(shù)規(guī)范》的要求。

表4 橡膠瀝青的性能檢測結(jié)果

1.2.3 試驗方法

以抗剪強度為指標，對橋面鋪裝體系進行室內(nèi)試驗，通過直剪試驗測試橋面鋪裝體系中防水黏結(jié)材料的抗剪強度和黏結(jié)強度，評價防水黏結(jié)層的性能。采用萬能試驗機及自行研制開發(fā)的夾具對復(fù)合結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)強度進行評價，優(yōu)選橋面復(fù)合鋪裝層間處治技術(shù)和材料等。

2 橡膠瀝青復(fù)合封層組成設(shè)計方法

確定合理的材料用量是保證封層質(zhì)量的關(guān)鍵。目前確定材料用量的方法主要有理論計算法和經(jīng)驗配比法，碎石封層理論計算方法中McLeod法應(yīng)用較廣泛，其計算結(jié)果較準確，但實際施工過程中僅初步預(yù)估了材料用量，還需通過室內(nèi)試驗進一步確定集料和瀝青用量，以保證碎石封層的路用性能。下面探討一種新的計算碎石封層中碎石撒布量和瀝青灑布量的方法，并通過室內(nèi)試驗檢驗其合理性。

2.1 碎石撒布量計算方法

將碎石封層中碎石看成球體(選取碎石粒徑的中值作為球體的直徑d)，根據(jù)碎石密度ρ，可近似計算出單個碎石的質(zhì)量m。在單位面積的平面上鋪滿碎石，根據(jù)其最大橫截面積S′，可得到鋪滿1 m2所需球體的總個數(shù)N。由于實際工程中碎石之間存在一定間隙，對單個碎石質(zhì)量m和鋪滿1 m2所需球體總個數(shù)N進行修正，修正系數(shù)取K1=0.78、K2=0.91。

假設(shè)攤鋪面積S=1 m2，碎石半徑為r，覆蓋1 m2平面所需球體個數(shù)為N2，則每個球體的半徑r=1/2N，面積S=π/4N2，所需球體個數(shù)n=4N2/π。取影響值K=N2/n=0.785，N′為鋪滿單位面積所需碎石球體個數(shù)，實際所需碎石球體個數(shù)為：

(1)

單位面積的碎石質(zhì)量為：

M=mN″=10.5K1K2ρr

(2)

集料的粒徑取5～10、10～15 mm，集料密度ρ=2.9g/cm3，根據(jù)上述公式計算出碎石用量分別為8.04、14.18 kg/m2。

2.2 瀝青灑布量計算方法

將碎石近似看成球體時，由瀝青填充碎石和碎石之間的空隙，瀝青用量為碎石高度的2d/3時效果最佳，但碎石之間存在相互嵌擠作用，實際上碎石的空隙相較于球體較小，計算時需考慮修正系數(shù)K3，K3=π/6≈0.5。

假設(shè)攤鋪面積S=1 m2，碎石半徑為r，則攤鋪單位面積使用的瀝青質(zhì)量M為：

M=Vρ=K3V1ρ

(3)

式中：V為瀝青填充體積(cm3)；ρ為瀝青的密度(g/cm3)；V1為瀝青填充高度達到2d/3時所占體積(cm3)。

按式(3)計算出采用粒徑為10～15、5～10 mm的碎石所需瀝青用量分別為2.0、1.2 kg/m2。

2.3 試驗驗證及用量確定

采用上述方法計算出的各材料用量的準確性需通過室內(nèi)試驗來驗證。以泛油程度為控制指標，通過室內(nèi)撒布試驗、改進的車轍試驗分別確定碎石和瀝青用量。

2.3.1 室內(nèi)撒布試驗確定碎石用量

室內(nèi)試驗方法：在30 cm×30 cm車轍板上撒布碎石，碎石的覆蓋面積接近90%。重復(fù)進行5次試驗，稱取碎石質(zhì)量，求出平均值，并與計算的理論值進行對比，驗證計算公式的可行性。試驗結(jié)果見表5、表6。

表5 10～15 mm玄武巖碎石用量室內(nèi)試驗結(jié)果

表6 5～10 mm玄武巖碎石用量室內(nèi)試驗結(jié)果

2.3.2 改進車轍試驗確定瀝青用量

為提高試驗的準確性，將車轍板試件切割成10 cm×10 cm正方形小塊。在計算瀝青用量的基礎(chǔ)上，分別變化±5%、±10%制作橡膠瀝青碎石封層試件。將試件用環(huán)氧樹脂粘貼在車轍板行車帶方向上，待膠體凝固后進行車轍試驗。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》完成車轍試驗后，取下正方形小塊，觀察其上瀝青泛油情況和集料的脫落情況，結(jié)果見表7。

表7 5～10 mm單層碎石封層車轍試驗結(jié)果

2.3.3 公式合理性分析及材料用量確定

根據(jù)表5和表6，按公式計算出的碎石用量基本滿足要求。而表7所示車轍試驗結(jié)果表明，瀝青用量減少5%～10%時，碎石無明顯脫落，且表面不產(chǎn)生泛油；瀝青用量不變時，僅產(chǎn)生輕微露黑，也沒有明顯的泛油現(xiàn)象?？梢?，上述計算碎石封層中碎石和瀝青用量的公式基本合理。

對于5～10 mm單層橡膠瀝青碎石封層，碎石用量為8 kg/m2，瀝青用量為1.1 kg/m2。對于雙層橡膠瀝青碎石封層，第一層碎石粒徑為10～15 mm，碎石用量為15 kg/m2，橡膠瀝青用量為1.8 kg/m2；第二層碎石粒徑為5～10 mm，碎石用量為8 kg/m2，瀝青用量為1.1 kg/m2。

3 橡膠瀝青復(fù)合封層的性能試驗

3.1 剪切強度試驗

通過剪切試驗評價不同層間處治工藝及黏結(jié)層材料的抗剪能力。在成型水泥砼板上鋪設(shè)橡膠瀝青復(fù)合封層和AC-13瀝青砼，取芯得到剪切試驗試件。分別在0、25、55 ℃溫度下進行剪切試驗，3種溫度分別模擬低溫、常溫和高溫的大氣條件時實際路面黏結(jié)層的溫度。同時將試件放在160 ℃高溫下養(yǎng)護60 min，再放在25 ℃室溫環(huán)境下冷卻，冷卻后檢查試件是否有脆化現(xiàn)象。然后在25 ℃溫度下進行剪切試驗，將試驗結(jié)果與25 ℃剪切試驗結(jié)果相比較得出高溫前后強度比，作為評價各種黏結(jié)層高溫穩(wěn)定性能的指標，反映實際施工攤鋪高溫瀝青混合料對黏結(jié)層抗剪強度的影響。試驗結(jié)果見表8。

表8 不同表面處理方式下的剪切強度

由表8可知：1)隨著溫度的升高，水泥砼和瀝青砼層間黏結(jié)強度顯著降低。2)水泥砼板經(jīng)過拉毛和刻槽處理后，黏結(jié)層間的抗剪強度大于表面光滑的層間，需對水泥砼橋面板進行適當?shù)拇植诨幹我蕴岣邚?fù)合結(jié)構(gòu)層間的剪切強度。因拉毛工藝具有更大的剪切強度，在后續(xù)研究中對水泥砼板進行拉毛處治。3)試件經(jīng)歷高溫后，其剪切強度均有所下降，但下降幅度不大，表明橡膠瀝青復(fù)合封層具有較好的耐高溫性能。

3.2 不同防水黏結(jié)層材料性能研究

為評價不同防水黏結(jié)層材料的層間黏結(jié)性能，成型復(fù)合車轍板(水泥板+防水黏結(jié)層+瀝青砼)，模擬水泥砼橋面，選用計算出的防水黏結(jié)材料最佳用量，測試橡膠瀝青復(fù)合封層、SBS改性瀝青、乳化SBS改性瀝青和FYT防水材料的剪切強度，試驗溫度為20 ℃。不同防水黏結(jié)層的強度見表9。

表9 不同防水黏結(jié)層的黏結(jié)強度

由表9可知：橡膠瀝青復(fù)合封層的黏結(jié)性能比SBS改性瀝青的好，采用改性乳化瀝青和FYT防水材料時復(fù)合結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)強度稍弱。

4 結(jié)語

(1)采用雙層橡膠瀝青碎石封層材料設(shè)計方法，5～10 mm單層橡膠瀝青碎石封層中，碎石用量為8 kg/m2，瀝青用量為1.1 kg/m2；雙層橡膠瀝青碎石封層中，第一層碎石的粒徑為10～15 mm，碎石用量為15 kg/m2，橡膠瀝青用量為1.8 kg/m2；第二層碎石的粒徑為5～10 mm，碎石用量為8 kg/m2，瀝青用量為1.1 kg/m2。

(2)需對水泥砼橋面板進行適當?shù)拇植诨幹我蕴岣邚?fù)合結(jié)構(gòu)的層間剪切強度，相比而言，拉毛工藝具有更大的剪切強度。以橡膠瀝青復(fù)合封層作為防水黏結(jié)層時，在25 ℃條件下，水泥砼與瀝青砼間的剪切強度達0.67 MPa，滿足層間剪應(yīng)力要求。

(3)橡膠瀝青復(fù)合封層的黏結(jié)性較好，SBS改性瀝青次之，以改性乳化瀝青和FYT防水材料作為黏結(jié)層時復(fù)合結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)強度稍弱。