廢膠粉改性瀝青在橋面防水粘結層的應用研究

雷旭麗

(天津城建設計院有限公司，天津 300000)

0 引言

近年來，由于自然環(huán)境和重型車輛等因素的影響，橋梁常出現(xiàn)橋面開裂、鋪裝層破損等現(xiàn)象，若橋面板沒有提前進行防水處理，雨水就會滲入梁體造成構件腐蝕，從而影響橋梁的使用壽命。橋面鋪裝結構層作為橋梁結構的重要組成部分是非常重要的，它的質量好壞影響著橋梁的使用壽命。鋪裝結構直接承受著車輛荷載的作用，并防止車輪輪胎直接磨耗水泥混凝土橋面板、保護主梁免受雨水侵蝕，并對車輛輪重荷載起分布擴散的作用。鋪裝結構層的質量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。隨著交通流量和重型車輛的增加以及環(huán)境因素的影響，橋面鋪裝結構層損壞情況越來越嚴重，主要表現(xiàn)有:水泥混凝土橋面破壞形式為裂縫，露筋等(見圖1);而瀝青混凝土橋面則表現(xiàn)為裂縫，坑槽，壅包，推移等，造成原因為層間有較大剪應力及溫度變化。此時若防水粘結層粘結性不足，防水性差則會產(chǎn)生極大危害。這不僅會妨礙正常交通，影響行車安全性，易造成交通事故，也會影響橋面的美觀，帶來的經(jīng)濟損失是不可估量的。

1 防水粘結層材料性能研究

1.1 原材料的選擇

用來做對比試驗的兩種防水粘結材料均有運用到實際工程中的先例，SBS改性乳化瀝青由某市交通運輸局制備，其中瀝青含量為55%，鑒于材料的特殊性在測其各項性能指標時采用蒸發(fā)殘留物，而在測量其60℃粘度時，本文主要考慮破乳后起粘結作用的SBS改性瀝青的粘度;環(huán)氧樹脂型號為E44(6101);膠粉改性瀝青選用膠粉含量為21%的改性瀝青，其各項指標見表1。

1.2 防水粘結層材料高溫穩(wěn)定性

膠粉改性瀝青防水粘結層材料在165℃高溫條件下的狀態(tài)，表面呈現(xiàn)少量氣泡，但不具有流淌性，結構層厚度不會變化，不會受到破壞。膠粉改性瀝青軟化點也較高，在夏季高溫條件下作為防水粘結層，其軟化點是高于環(huán)境溫度的。高溫環(huán)境持續(xù)4 h時，廢膠粉改性瀝青也可很好地工作，不會因溫度而使其發(fā)生流淌。而在面層施工時，瀝青混合料的高溫可使防水粘結層材料廢膠粉改性瀝青呈軟化狀態(tài)，但不具備流淌性，這樣不會影響防水粘結層厚度的變化，即可以保證施工最佳方案。在攤鋪瀝青混合料時，軟化了的膠粉改性瀝青能更好地與上面層的瀝青混凝土結合，形成更堅固的骨架結構。由此看出，膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定性是較優(yōu)的，適合作防水粘結層材料(見圖2)。

表1 材料各項基本指標

圖1 橋面露筋破壞

圖2 膠粉改性瀝青高溫狀況

1.3 防水粘結材料的低溫抗裂性

防水粘結材料的溫度敏感性也極強，高溫條件下它們可以呈現(xiàn)軟化甚至流動狀態(tài)，使其在不同的環(huán)境溫度中表現(xiàn)出不同的物理性能，進而體現(xiàn)出不同的路用性能。低溫時防水粘結材料也會受到較大影響，在低溫環(huán)境中材料一般容易發(fā)生裂縫甚至脆斷。在我國北方地域每年最低氣溫可以達到－40℃，這些地區(qū)在冬季時路面一般處于冰凍狀態(tài)，而其他地區(qū)在冬季也會出現(xiàn)不同程度的冰凍期，材料在冰凍期“服役”時是十分容易出現(xiàn)病害的，這樣會直接影響橋梁的使用壽命，因此有必要對材料的低溫抗裂性進行對比研究。

圖3為膠粉改性瀝青作為防水粘結材料時，經(jīng)歷低溫冰凍后，材料在外力作用下的變形情況。從圖3中可以看出膠粉改性瀝青在彎曲180°后表面沒有出現(xiàn)裂痕。在冬季，車輛荷載作用后材料能承受較大的力，發(fā)生極大的變形也不會出現(xiàn)破壞，因此也具有較優(yōu)的低溫柔韌性，適合在低溫條件中工作。

通過實驗可以看出膠粉改性瀝青在低溫環(huán)境中能更好地工作，在車輛荷載的反復作用下也不易出現(xiàn)裂縫病害，過低的溫度直接影響到橋梁等的使用壽命，因此在選擇材料時應充分考慮環(huán)境因素。

2 防水粘結層材料力學性能的研究

本節(jié)采用實際工程中“水泥混凝土橋面板+防水粘結層+AC-13C瀝青混合料面層”的橋面鋪裝結構，在高低溫環(huán)境中對此結構進行剪切拉拔試驗。并考察各種其他因素對路用性能的影響，不同的防水粘結層材料在同樣的狀態(tài)下進行路用性能檢測，對比出膠粉改性瀝青是否更適合運用到實際工程中。對路用性能的檢測采用剪切拉拔試驗的主要原因是橋面鋪裝功能及其特殊使用環(huán)境所決定的。

試驗過程中剪切試驗參考長沙理工大學對馬歇爾穩(wěn)定度儀LWD-3型進行了改裝，依照實驗室模擬橋面結構層厚度自制合適尺寸的夾具，該裝置自動化程度高，能夠自動對試件進行剪切并記錄數(shù)據(jù)，并且操作簡單，讀數(shù)準確迅速，適用于實驗室內(nèi)大量的試驗(見圖4)。

圖3 膠粉改性瀝青

圖4 剪切儀器

試驗過程中采用剪切速率為5 cm/min，施加荷載方向為垂直加載，夾具的斜面角度為45°，模擬的垂直力與水平力相等時的受力情況。試件的高度控制在43 mm±0.5 mm，這樣可保證試件剪切面正好為防水粘結層界面，試驗結果準確。對于結果的處理采用公式(1):

其中，S為試件剪切截面積，m2;F為試驗中加載力，N;τ為防水粘結層剪應力，Pa。

拉拔試驗WEP-100型液壓萬能材料試驗機(見圖5)，自制拉拔夾具，拉拔時先將橋面結構層用環(huán)氧樹脂膠和夾具粘結在一起，待環(huán)氧樹脂實干(5 h)后進行拉拔試驗，拉拔過程中嚴格控制拉伸速率，保證每次試驗過程的拉伸速率一樣，本研究過程中將拉伸速度設定為0.05 kN/s。試驗過程中破壞界面發(fā)生在防水粘結層接觸面時認定試驗結果有效，若破壞發(fā)生在試件與夾具粘結界面則需重新試驗，每次試驗需保證夾具和試件接觸面的干凈平整，加載方式為垂直拉伸。其基本情況見圖5。

3 破壞界面的分析

圖5 拉拔試驗儀器

針對以上剪切試驗時防水粘結層出現(xiàn)的各種界面破壞有三種(見圖6):1)防水粘結層自身層間破壞;2)防水粘結層與水泥混凝土面板之間出現(xiàn)破壞;3)防水粘結層與瀝青混合料層間出現(xiàn)破壞。層與層之間有粘結力及石料之間的嵌擠力，剪切破壞時主要是受到的外界力克服了結構層之間的這個合力，使之受到破壞。在剪切試驗過程中，三種破壞與材料關系較大。膠粉改性瀝青主要出現(xiàn)的破壞形式為防水粘結層與水泥混凝土面板之間的破壞;SBS改性乳化瀝青則是出現(xiàn)自身層間破壞;環(huán)氧樹脂作為防水粘結層時，出現(xiàn)的破壞形式為與上面層瀝青混合料之間的開脫。

膠粉改性瀝青作為防水粘結材料時對界面處理要求較高，保證界面潔凈干燥的同時還需要保證攤鋪時膠粉改性瀝青的溫度，一定要保證膠粉改性瀝青灑布后具有一定的流動性，確保灑布均勻。膠粉改性瀝青中橡膠顆粒吸油性較強，灑布后底部有部分依靠吸附油料的膠粉顆粒與水泥混凝土粘結，水泥混凝土剛度較大，與上面層瀝青混合料相比，水泥混凝土與防水粘結材料的結合性較差，而膠粉改性瀝青自身粘度較高，其自身分子之間的粘結力也會大于水泥混凝土與防水粘結材料之間的粘結力;在嵌擠力方面，同步碎石的加入增強了層與層之間的嵌擠力，同水泥混凝土面板相比，瀝青混合料在碾壓時會使得同步碎石完全嵌入到瀝青混合料中，使之完全成為一個整體。因此當采用膠粉改性瀝青作為防水粘結材料時，水泥混凝土面板與防水粘結層材料層間的力是最薄弱的，在車輛荷載的作用下，最薄弱處發(fā)生破壞，因此在試驗過程中采用膠粉改性瀝青作防水粘結材料時其破壞界面基本發(fā)生在水泥混凝土界面處。

圖6 剪切界面破壞形式

針對以上界面破壞出現(xiàn)的形式，膠粉改性瀝青作為防水粘結材料時，可在水泥混凝土面板上灑布極少量的SBS改性乳化瀝青，該層作用主要是除塵且改善膠粉改性瀝青的接觸界面。SBS改性乳化瀝青常溫下呈液態(tài)，極少量的灰塵在橋面上時SBS改性乳化瀝青能完全將其覆蓋，灰塵對其影響不大，經(jīng)過它處理覆蓋的橋面柔性好，彈性模量能得到一定程度的改善，覆蓋在其上的膠粉改性瀝青與之結合更為牢固，不容易破壞。SBS改性乳化瀝青自身與水泥混凝土面板結合性優(yōu)于膠粉改性瀝青，少量灑布SBS改性乳化瀝青受高溫影響不大，橋面防水粘結層還是膠粉改性瀝青起主導作用，此時界面的破壞形式將可能發(fā)生改變，有可能從防水粘結層材料自身層間發(fā)生破壞，膠粉改性瀝青粘度較高，使之破壞的剪力必然增大，抗剪性能增強，因此鋪裝層可以有更好的路用性能。

4 結語

1)采用膠粉改性瀝青作為防水粘結層材料進行施工，采用簡易儀器對現(xiàn)場各項指標性能進行了檢測，現(xiàn)場實測結果顯示膠粉改性瀝青作為防水粘結層性能較優(yōu)。

2)物理性能選用了高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性、不透水性三種性能來表征，研究中發(fā)現(xiàn)膠粉改性瀝青的防水性能較優(yōu)，均能起到防水作用。高溫時SBS改性乳化瀝青性能較差，低溫時環(huán)氧樹脂易發(fā)生脆斷，從整體來看，膠粉改性瀝青的物理性能在三種防水粘結材料中是最優(yōu)的。

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