橡膠環(huán)氧瀝青碎石防水黏結(jié)層抗剪性能研究*

錢振東，薛永超，孫　健

(東南大學(xué) 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京　210096)

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橡膠環(huán)氧瀝青碎石防水黏結(jié)層抗剪性能研究*

錢振東?，薛永超，孫健

(東南大學(xué) 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京210096)

為了研究鋼橋面鋪裝用橡膠環(huán)氧瀝青碎石(REAS)防水黏結(jié)層的抗剪性能，并分析其與橋面坡度及環(huán)境溫度頻繁變化的關(guān)系，進(jìn)行不同剪切角度和不同凍融循環(huán)次數(shù)的斜剪試驗，通過剪切界面正應(yīng)力與抗剪強度的線性擬合關(guān)系計算REAS防水黏結(jié)層的黏聚力及內(nèi)摩擦角，并基于能量法理論對其剪切耗散能進(jìn)行研究.結(jié)果表明：添加橡膠粉的環(huán)氧瀝青黏結(jié)料(EA)體系內(nèi)形成了新的化學(xué)交聯(lián)和物理纏結(jié)，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性；不同的剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層，表現(xiàn)出更好的抗剪性能.同時，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度隨著剪切角度的增加呈冪函數(shù)減小趨勢，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈拋物線型衰減，5次凍融循環(huán)后，REAS防水黏結(jié)層的剪切耗散能相對于未凍融循環(huán)的剪切耗散能減小了46.0%，說明凍融循環(huán)對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著.

橡膠環(huán)氧瀝青碎石；防水黏結(jié)層；抗剪強度;黏聚力；凍融循環(huán)；剪切耗散能

防水黏結(jié)層具有防水、黏結(jié)和應(yīng)力吸收的作用，在鋼橋面鋪裝體系中至關(guān)重要，其好壞直接影響到橋面鋪裝的使用周期以及橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此各國均十分重視防水黏結(jié)層的設(shè)置.[1-3]橡膠瀝青碎石封層作為一種常用的防水黏結(jié)層，被廣泛應(yīng)用于橋面防水鋪裝等工程中，表現(xiàn)出良好的應(yīng)力過渡和防水黏結(jié)性能.[4]但是由于鋼橋面所處環(huán)境的嚴(yán)峻性，較大的橋面坡度設(shè)置以及環(huán)境溫度的頻繁變化，目前工程實踐中不斷出現(xiàn)由于防水黏結(jié)層剪切破壞而產(chǎn)生的鋼橋面鋪裝層脫離、推移等病害.

橡膠環(huán)氧瀝青碎石(REAS)防水黏結(jié)層是一種由環(huán)氧瀝青黏結(jié)料(EA)、橡膠粉及碎石構(gòu)成的鋼橋面用防水黏結(jié)層.其中，EA是一種熱固性材料，具有優(yōu)異的黏結(jié)性、熱穩(wěn)定性、密水性及耐腐蝕性，但是，當(dāng)溫度降到極低時，其固化內(nèi)應(yīng)力會急劇增大，直接導(dǎo)致其脆性變大、延展性變低、抗剪切性能下降；[5]橡膠粉是一種優(yōu)良的瀝青改性劑，能顯著改善瀝青的黏彈性、溫度敏感性、彈性恢復(fù)性能以及抗剪性能.[6-7]目前對這種由熱固性瀝青構(gòu)成的防水黏結(jié)層的研究較少[8]，尤其是其抗剪性能與橋面坡度及環(huán)境溫度頻繁變化的關(guān)系.

本文通過斜剪試驗對比研究REAS防水黏結(jié)層與EA防水黏結(jié)層的抗剪性能，并分析REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能與剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，為REAS防水黏結(jié)層在實際工程中的應(yīng)用及養(yǎng)護(hù)提供參考.

1　原材料及試驗試件制作

1.1原材料

試驗研究采用的EA為鋼橋面用國產(chǎn)環(huán)氧瀝青黏結(jié)料，橡膠粉采用天津產(chǎn)大貨車子午胎橡膠粉，所用玄武巖碎石的粒徑為2.36～4.75 mm.各項原材料主要性能的技術(shù)要求及試驗結(jié)果見表1.

表1　原材料主要性能技術(shù)參數(shù)及試驗結(jié)果

將不同粒度及摻量的橡膠粉與EA混合，制成橡膠環(huán)氧瀝青黏結(jié)料(REA)，對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗和直接拉伸試驗，根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合鋼橋面用防水黏結(jié)層的技術(shù)要求，確定橡膠粉的最佳粒度為0.180 mm(80目)，最佳摻量為4%.以最佳粒度和摻量制作REA，表2為EA與REA的性能比較.

表2　摻加橡膠粉前后環(huán)氧瀝青黏結(jié)料的性能變化

注：表中化學(xué)交聯(lián)度和物理纏結(jié)2個指標(biāo)，通過Mooney-Rivlin方程擬合拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線得到[9]；差值負(fù)值表示性能降低，正值表示性能提升.

由表2可知，REA的化學(xué)交聯(lián)度遠(yuǎn)大于EA，這主要是由于橡膠粉的摻入，對EA進(jìn)行瀝青改性時，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了新的化學(xué)交聯(lián)；同時，添加的橡膠粉形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與EA形成了一定程度的物理纏結(jié)，對EA的增韌效果做出了貢獻(xiàn).

REA的拉伸強度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結(jié)強度相對于EA分別提升了11.6%, 30.4%及6.6%，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性；黏度從0到1 Pa·s的時間略微減小，在實際工程中應(yīng)相應(yīng)地減小REA的施工容留時間.

對不同撒布量的REA以及碎石構(gòu)成的橡膠環(huán)氧瀝青碎石防水黏結(jié)層進(jìn)行與鋼板之間的拉拔試驗，根據(jù)拉拔強度值確定REA及碎石的最佳撒布量分別是0.7 L/m2與3.0 kg/m2.

1.2斜剪試驗試件制作

首先將使用環(huán)氧富鋅漆進(jìn)行防腐涂裝處理后的鋼橋面板加工成尺寸為50 mm×50 mm×14 mm的試塊若干個，將環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件加工成尺寸為50 mm×50 mm×26 mm的試塊若干個；接著在鋼橋面板試塊上撒布配制好的REA，然后在REA上均勻地撒布碎石并壓實；最后將車轍板試塊壓在由REA和碎石構(gòu)成的REAS防水黏結(jié)層上，并在120 ℃的烘箱內(nèi)固化6 h，制得REAS斜剪試件，如圖1所示.其中，環(huán)氧瀝青混合料車轍板所用的混合料由鋼橋面用2910型國產(chǎn)環(huán)氧瀝青結(jié)合料與密級配玄武巖集料以6.5%的油石比拌合而成[10]，該混合料強度較高，可以保證在后面的斜剪試驗中不會出現(xiàn)車轍板試塊被破壞的情況；REAS防水黏結(jié)層的REA撒布量和碎石撒布量分別是0.7 L/m2與3.0 kg/m2.同時，制作由鋼橋面板試塊、EA及環(huán)氧瀝青混合料車轍板試塊構(gòu)成的EA斜剪試件，與REAS斜剪試件進(jìn)行對比研究.

圖1　斜剪試驗試件Fig.1　Specimens of oblique shear test

2　變剪切角斜剪試驗及結(jié)果分析

2.1斜剪試驗原理

斜剪試驗可以模擬不同正壓力條件下的剪切工況，與橋面實際受力狀況較為接近[11]，因此本文選擇通過斜剪試驗進(jìn)行REAS防水黏結(jié)層界面抗剪性能測試，斜剪試驗裝置及其試驗原理如圖2所示.

圖2　斜剪試驗裝置及試驗原理Fig.2　Oblique shear test apparatus and principle

試件發(fā)生剪切破壞時的荷載為P，REAS防水黏結(jié)層的剪切界面正應(yīng)力和抗剪強度分別按式(1)和式(2)計算.

(1)

(2)

式中：σ為剪切界面正應(yīng)力；τ為抗剪強度；P為剪切破壞荷載；A為受剪面積；α為剪切角度，即剪切面與水平面的夾角.

2.2變剪切角試驗及分析

防水黏結(jié)層的抗剪強度與剪切角度密切相關(guān)，因此，文本選擇多個剪切角度進(jìn)行斜剪試驗.文獻(xiàn)[12-13]中的計算結(jié)果表明橋面鋪裝材料參數(shù)變化時，剪切角度一般在25°～30°之間，考慮橋面會存在一定坡度，剪切角度可能在25°～65°之間變化.因此，本文選取15°,30°,45°,60°及75°作為斜剪試驗的剪切角度.為盡量模擬汽車快速行駛時的橋面受力狀況，本文斜剪試驗速率設(shè)為50 mm/min，試驗溫度設(shè)為23 ℃，REAS斜剪試件的試驗結(jié)果如圖3所示.

位移/mm圖3　不同剪切角度的力-位移曲線Fig.3　Force-displacement curve under different shear angles

通過圖3可以看出，隨著剪切角度的增大，力-位移曲線越平緩，峰值荷載越小，表明越容易發(fā)生破壞；而且當(dāng)剪切角度越小時，剪切角度的變化對峰值荷載影響越大.按照式(1)和式(2)計算不同剪切角度下的抗剪強度和正應(yīng)力，REAS斜剪試件及EA斜剪試件的計算結(jié)果見表3.

表3　不同剪切角度下的試驗結(jié)果

由表3可以看出，相對于EA防水黏結(jié)層，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度及剪切位移均有所提高，且提高的幅度隨著剪切角度的增大而增大，表明REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能優(yōu)于EA防水黏結(jié)層，尤其在剪切角度較大時.根據(jù)表3中不同剪切角度時，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度與剪切角度及剪切界面正應(yīng)力的關(guān)系，作圖4所示的關(guān)系曲線圖.

剪切角度/(°) (a) 抗剪強度與剪切角度

正應(yīng)力/MPa (b) 抗剪強度與正應(yīng)力圖4　關(guān)系曲線圖Fig.4　Relation curves

由圖4(a)可以看出，隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度呈冪函數(shù)減小的趨勢，剪切角度由15°增至30°過程中，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度減小了65.1%，剪切角度繼續(xù)增大，抗剪強度趨于穩(wěn)定.因此，在坡度較大橋段更容易發(fā)生橋面鋪裝的剪切破壞.

剪切角度不同時，由圖4(b)得到REAS防水黏結(jié)層剪切界面正應(yīng)力和抗剪強度的線性擬合方程τ=0.239 4+0.225σ，引入土力學(xué)經(jīng)典剪應(yīng)力方程[14]如式(3)所示：

τ=c+σtanφ.

(3)

式中：σ為剪切界面正應(yīng)力；c為黏聚力；τ為抗剪強度；φ為內(nèi)摩擦角.

REAS防水黏結(jié)層中，REA提供黏聚力，粗糙的碎石界面提供內(nèi)摩擦角，通過式(3)以及剪切界面正應(yīng)力和抗剪強度的線性擬合方程可以計算出REAS防水黏結(jié)層的黏聚力為0.24 MPa，內(nèi)摩擦角為12.7°.

3　凍融循環(huán)斜剪試驗及結(jié)果分析

3.1凍融循環(huán)斜剪試驗

鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)完全處于自然環(huán)境中，經(jīng)受高溫浸水和冰凍作用，對防水黏結(jié)層的性能要求更高[15].為評價凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層及EA防水黏結(jié)層抗剪強度的影響，本文設(shè)計不同凍融循環(huán)次數(shù)下的斜剪試驗，凍融循環(huán)周期為“-15 ℃低溫8 h+60 ℃水浴16 h”，剪切角度為15°，剪切速率為50 mm/min，試驗溫度為23 ℃，試驗結(jié)果見表4.

表4　不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試驗結(jié)果

由表4可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層. 5次凍融循環(huán)作用后，相對于EA防水黏結(jié)層，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度及剪切位移分別提高了97.8%及90.9%.

為了更加直觀地評價凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層抗剪強度的影響程度，本文引入凍融循環(huán)抗剪強度比，即試件經(jīng)n次凍融循環(huán)后抗剪強度與為未經(jīng)凍融循環(huán)抗剪強度的百分比，如圖5所示.

凍融循環(huán)次數(shù)圖5　凍融循環(huán)次數(shù)與抗剪強度比的關(guān)系Fig.5　Relation between freeze-thaw cycle times and shear strength ratio

由圖5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度呈拋物線型衰減，經(jīng)過3次凍融循環(huán)作用后，抗剪強度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩(wěn)定；5次凍融循環(huán)作用后，抗剪強度比降至63.1%，性能下降顯著.同時，剪切界面出現(xiàn)明顯的水損壞，粒徑偏大的碎石基本脫落，瀝青層多處發(fā)生剝落，表明多次凍融循環(huán)將加速黏結(jié)界面的破壞，凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著.

3.2能量法理論分析

為深入了解REAS防水黏結(jié)層的剪切破壞過程，剖析剪切破壞機(jī)理，引入剪切耗散能指標(biāo)，具體表示斜剪設(shè)備由加載至試件發(fā)生剪切破壞需要損耗的能量，按式(4)計算.

(4)

式中：Wτ為剪切耗散能；F為加載力；l為豎向位移；lτ為剪切破壞時的位移.對不同凍融循環(huán)次數(shù)的REAS斜剪試件的力-位移曲線進(jìn)行積分，得到剪切耗散能，如圖6所示.

凍融循環(huán)次數(shù)圖6　不同凍融循環(huán)次數(shù)的 剪切耗散能計算結(jié)果Fig.6　Calculation results of shear dissipated energy under different freeze-thaw cycle times

從圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的剪切耗散能呈減小趨勢，且減小的速度越來越快，與凍融循環(huán)抗剪強度比的變化規(guī)律基本一致．5次凍融循環(huán)后剪切耗散能較未凍融減小了46.0%，可見凍融循環(huán)將顯著影響REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能.

4　結(jié)　論

1)摻入橡膠粉后的環(huán)氧瀝青黏結(jié)料體系內(nèi)形成了新的化學(xué)交聯(lián)和物理纏結(jié)，拉伸強度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結(jié)強度分別提升了11.6%, 30.4%及6.6%，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性.

2)不同的剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層，表現(xiàn)出更好的抗剪性能.

3)隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度呈冪函數(shù)減小的趨勢；不同剪切角度時，REAS防水黏結(jié)層的剪切界面正應(yīng)力和抗剪強度呈線性變化，通過其擬合方程得到REAS防水黏結(jié)層的黏聚力為0.24 MPa，內(nèi)摩擦角為12.7°.

4)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強度呈拋物線型衰減；經(jīng)過3次凍融循環(huán)作用后，REAS防水黏結(jié)層的凍融循環(huán)抗剪強度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩(wěn)定，5次凍融循環(huán)作用后，凍融循環(huán)抗剪強度比降至63.1%，抗剪強度下降顯著；剪切耗散能隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律與抗剪強度基本一致，表明多次凍融循環(huán)將加速鋪裝界面的破壞，凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著.

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Shear Performance of Waterproof Cohesive Layer of Rubber Epoxy Asphalt Stone

QIAN Zhen-dong?，XUE Yong-chao，SUN Jian

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu210096, China)

This paper studied the shear performance of waterproof cohesive layer of a rubber epoxy asphalt stone (REAS)on steel deck pavement, and examined the relationships between the shear performance and the frequent change of bridge slope and environment temperature. Firstly, the oblique shear tests were conducted under different shear angles and freeze-thaw cycle times. Considering the linear relationship between normal stress and shear strength, the cohesive force and the internal friction angle of REAS waterproof cohesive layer were calculated. According to the energy method, shear dissipated energy was analyzed. The test results showed that new chemical cross linking and physical entanglement occurred in the epoxy asphalt binder with rubber power, which exhibits better bonding performance, anti-deforming capability and cryogenic flexibility. Under different shear angles and freeze-thaw cycle times, the shear strength and shear displacement of REAS waterproof cohesive layer were greater than those of EA waterproof cohesive layer. It is demonstrated that the REAS waterproof cohesive layer has better shear performance. On the other hand, the shear strength of the REAS waterproof cohesive layer decreased as a power function with the increase of the shear angle, while it decreased as a parabolic curve with the increase of freeze-thaw cycle times. After five freeze-thaws cycle times, the shear dissipated energy of REAS waterproof cohesive layer decreased by 46.0%, which indicates that the freeze-thaw cycles significantly influenced the shear performance of REAS waterproof cohesive layer.

rubber epoxy asphalt stone (REAS)；waterproof cohesive layer；shear strength；cohesive force;freeze-thaw cycles；shear dissipated energy

1674-2974(2016)07-0082-06

2015-08-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178114), National Natural Science Foundation of China(51178114)

錢振東(1969-)，女，江蘇南通人，東南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail: qianzd@seu.edu.cn

U416.217

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