水泥混凝土橋面瀝青鋪裝防水材料合理選擇研究

高 宏

（山西遠(yuǎn)方路橋（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 大同 037005）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)取得了世人矚目的成就，公路橋梁、涵洞等構(gòu)造物所占比例越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高速公路的平均橋梁占有率約3座/km。橋面鋪裝作為橋面系的防護(hù)層，可以防止車(chē)輪直接磨耗橋面板，保護(hù)橋梁主體免受雨水與其他有害物質(zhì)的侵蝕，并起到荷載擴(kuò)散的作用[1]。橋面鋪裝質(zhì)量的好壞和使用耐久性將直接影響到汽車(chē)的行駛質(zhì)量和橋梁使用耐久性。水泥混凝土橋面柔性鋪裝能較好地緩和行車(chē)荷載對(duì)橋面板的沖擊，易達(dá)到運(yùn)營(yíng)中平整舒適的要求，故在高等級(jí)公路橋面鋪裝中多被采用[2]。然而，柔性橋面鋪裝常由于層間黏性性能不足，在橋面板與防水黏結(jié)層之間或防水黏結(jié)層與瀝青鋪裝層之間黏結(jié)失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性下降[3-6]。此外，現(xiàn)有橋面鋪裝結(jié)構(gòu)常把防水層和黏結(jié)層當(dāng)作一層設(shè)計(jì)，黏結(jié)性的破壞就導(dǎo)致鋪裝層抗?jié)B透性下降，冒漿現(xiàn)象隨之出現(xiàn)[7-8]。目前，我國(guó)水泥混凝土橋面柔性鋪裝結(jié)構(gòu)多直接套用瀝青路面設(shè)計(jì)中的上面層和中面層組合，但由于材料剛、柔差異較大，荷載作用下層間應(yīng)力與普通瀝青路面相比將增加40%或者更大。這種經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致橋面鋪裝偏于不安全，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[9]。

柔性鋪裝常用的防水黏結(jié)層包括涂膜類(lèi)、卷材類(lèi)、封層類(lèi)、混合料類(lèi)等。涂膜類(lèi)防水黏結(jié)層（乳化瀝青）在少雨地區(qū)較為常見(jiàn)，但性能較差；卷材類(lèi)防水黏結(jié)層對(duì)橋面的打毛工藝要求較高，成本較高；封層類(lèi)防水黏結(jié)層應(yīng)用較為廣泛，設(shè)備成熟；混合料類(lèi)（瀝青砂、SMA-5等）防水性能較好，但成本較高[10-13]。本文針對(duì)常用的防水黏結(jié)層進(jìn)行研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析其黏結(jié)性能、防水性能，為水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的防水黏結(jié)層設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青涂膜類(lèi)

試驗(yàn)采用的涂膜類(lèi)材料來(lái)自山西交科新材料有限公司研發(fā)的防水涂層，由高彈橡膠和瀝青制備而成，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的試驗(yàn)方法測(cè)試涂膜瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，材料的用量為0.8 kg/m2。

1.2 卷材類(lèi)

試驗(yàn)采用的防水卷材為濟(jì)南某有限公司提供的路橋?qū)Ｓ肁PA改性瀝青防水卷材，具有足夠的強(qiáng)度和耐溫變性能，采用人工布設(shè)方式進(jìn)行施工。其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

試驗(yàn)時(shí)，防水卷材的厚度設(shè)計(jì)為3 mm。

1.3 封層類(lèi)

試驗(yàn)測(cè)試的封層類(lèi)防水材料為橡膠瀝青碎石封層，橡膠瀝青的噴灑量為2.2 kg/m2，單粒徑 9.5～13.2 mm碎石的用量為9.5 kg/m2。

1.4 混合料類(lèi)

參照SMA良好的高溫穩(wěn)定性，富油夾層的封水性能，采用SMA-5作為防水黏結(jié)功能層。

表3 SMA-5配比

試驗(yàn)時(shí)，SMA-5的厚度設(shè)計(jì)為1.5 cm。

2 評(píng)價(jià)方案

2.1 評(píng)價(jià)方法

分別對(duì)防水黏結(jié)層與水泥層和瀝青層的各性能進(jìn)行測(cè)試，采用雙層車(chē)轍試模成型復(fù)合式車(chē)轍試件（水泥混凝土板+防水黏結(jié)層+瀝青層），進(jìn)行60℃車(chē)轍試驗(yàn)后，對(duì)試件進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試，對(duì)比分析不同防水黏結(jié)層的黏結(jié)性能、防水性能的下降情況。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 黏結(jié)、抗剪性能

將不同的防水黏結(jié)材料分別布設(shè)到打毛的水泥板、瀝青混凝土層上，分別測(cè)試防水黏結(jié)材料與兩種材料的黏結(jié)性能和抗剪切性能。并對(duì)車(chē)轍試驗(yàn)后的試件以輪跡為中心，鉆取直徑10 cm芯樣，測(cè)試其結(jié)構(gòu)整體的黏結(jié)與抗剪性能。

2.2.2 滲水性能

成型的復(fù)合式車(chē)轍試件，利用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件的四周進(jìn)行密封，在車(chē)轍試驗(yàn)前后分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)。評(píng)價(jià)不同類(lèi)型防水材料的防水性能，并間接反映運(yùn)營(yíng)過(guò)程中其在上面層對(duì)防水層的破壞情況。

2.2.3 高溫穩(wěn)定性

60℃車(chē)轍試驗(yàn)后，計(jì)算復(fù)合式試件的動(dòng)穩(wěn)定度，對(duì)比評(píng)價(jià)防水黏結(jié)層對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)高溫性能的影響，以及是否會(huì)發(fā)生泛油病害。

2.2.4 抗裂性能

采用多功能檢測(cè)車(chē)對(duì)4種防水黏結(jié)層橋面鋪裝試驗(yàn)路進(jìn)行測(cè)試，以運(yùn)營(yíng)2年后的瀝青面層開(kāi)裂情況，評(píng)價(jià)其對(duì)瀝青層抗裂性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

為深入研究不同類(lèi)型防水材料的性能，按照《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F30—2003）設(shè)計(jì)路用C30混凝土，并成型試件，人工將水泥混凝土表面進(jìn)行軟拉毛，養(yǎng)生28 d。增設(shè)防水黏結(jié)層，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）設(shè)計(jì)AC-13配合比，成型復(fù)合式試件，測(cè)試不同防水結(jié)構(gòu)下的橋面鋪裝黏結(jié)、防水性能。

3.1 黏附性能

在室溫下，采用拉拔儀對(duì)不同類(lèi)型防水層與水泥板和瀝青層以及車(chē)轍試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行黏附性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，不同的防水材料與瀝青混合料的黏附優(yōu)于與水泥混凝土板的黏附及抗剪性能，而富油混合料與水泥混凝土板和瀝青混合料的黏附性相差不大。同時(shí)，在經(jīng)過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)后，增設(shè)卷材與封層材料做防水材料的橋面結(jié)構(gòu)整體黏附性則小于其自身材料與上下結(jié)構(gòu)層的黏附性。這表明，在荷載的重復(fù)揉搓作用下橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中的防水黏結(jié)層發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其與上下結(jié)構(gòu)層的接觸面積發(fā)生變化，或者材料性能失效。瀝青膜相對(duì)較薄，60℃環(huán)境下已經(jīng)軟化，沒(méi)有固定的形狀，在荷載的重復(fù)作用下，使其進(jìn)一步滲入上下結(jié)構(gòu)層的紋理中，宏觀顯示黏附性更強(qiáng)。而卷材，主要依靠自身結(jié)構(gòu)發(fā)揮黏結(jié)作用，在施工過(guò)程中主要是表面軟化，與上下結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生黏結(jié)力，但結(jié)合部位與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比，強(qiáng)度明顯較低，在荷載作用下結(jié)構(gòu)層界面部位易發(fā)生破壞。對(duì)于富油瀝青混合料而言，其骨架結(jié)構(gòu)能夠保證其在荷載作用下不發(fā)生較大的變形，且較大的瀝青用量在荷載作用下瀝青常向兩側(cè)移動(dòng)，瀝青比例的增加可在一定程度上修復(fù)界面已經(jīng)存在的微小破壞，宏觀顯示受荷載影響不明顯。

3.2 抗剪性能

在室溫下，采用直剪切儀對(duì)不同類(lèi)型防水層與水泥板和瀝青層以及車(chē)轍試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行剪切測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同防水層抗剪性能 MPa

通過(guò)表5可以看出，瀝青膜、富油混合料與瀝青界面的抗剪強(qiáng)度大于其與水泥混凝板界面處的抗剪強(qiáng)度，而防水卷材和封層材料與水泥板界面處的抗剪性能更強(qiáng)。對(duì)比表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，不同防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度與黏附性呈現(xiàn)不同的規(guī)律。相比而言，荷載作用下各種防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度降低相對(duì)較少。結(jié)合切割的試件剖面，瀝青與封層材料在荷載作用下，抗剪性能下降較為明顯，這是由于荷載的重復(fù)作用使得兩種材料中較薄的瀝青被硌破，或者擠到界面之外，承載剪應(yīng)力的介質(zhì)變少而引起。相比較而言，卷材和富油瀝青混合料的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，故抗剪強(qiáng)度下降不明顯。在實(shí)體工程中，防水黏結(jié)層由于荷載的均勻作用而發(fā)生破壞的極少，依據(jù)于上述規(guī)律，在急剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎、長(zhǎng)大縱坡等地方，層間剪切破壞更為嚴(yán)重，瀝青膜、封層材料的抗剪強(qiáng)度將更大程度地降低，發(fā)生破壞的概率更大。

3.3 防水性能

對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂密封的試件進(jìn)行滲水試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同防水黏結(jié)材料的防水性能，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 不同防水層防水性能 mL/min

從表6可以看出，車(chē)轍試驗(yàn)后只有瀝青膜和封層做防水層時(shí)，滲水系數(shù)有明顯的變化。由此可見(jiàn)，卷材和富油混合料具有足夠的防水性能，而瀝青膜和封層材料及其容易由于荷載的作用而造成防水性能失效。分析其原因，瀝青膜較薄，在上面層施工時(shí)就極易發(fā)生軟化流淌，其性能難以保證；而封層材料由于行車(chē)的搓移，撒布的單粒徑碎石增加了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗變形能力，但容易發(fā)生硌破，進(jìn)而防水性能下降。此外，不同的瀝青層對(duì)防水黏結(jié)層的要求、影響也不盡相同，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)工程所處地域的降雨環(huán)境，以及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)瀝青混合料的類(lèi)型選取防水黏結(jié)層類(lèi)型。

3.4 高溫穩(wěn)定性

對(duì)設(shè)置不同類(lèi)型防水黏結(jié)層的復(fù)合試件進(jìn)行高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)，采用綜合動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)防水黏結(jié)層對(duì)鋪裝層路用性能的影響，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 不同結(jié)構(gòu)車(chē)轍試驗(yàn)

從表7可以明顯看出，防水卷材和封層材料對(duì)瀝青層的高溫穩(wěn)定性有負(fù)面影響，且封層做防水層時(shí)，有一定的泛油現(xiàn)象。原因在于：防水卷材具有一定的厚度，在高溫環(huán)境下模量降低，受荷載的重復(fù)作用而產(chǎn)生了明顯的塑性變形，而封層材料在荷載的作用下，集料之間的搓揉導(dǎo)致瀝青的上移，進(jìn)而易產(chǎn)生泛油現(xiàn)象。瀝青膜相對(duì)更薄，對(duì)上面層瀝青混合料幾乎不產(chǎn)生任何作用。而富油混合料SMA-5雖然具有較高的瀝青含量，然而其骨架性好，雖在荷載的揉搓作用下有一定的上浮，但不足以對(duì)上面層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.5 抗裂性能

依據(jù)多功能檢測(cè)車(chē)收集的路面裂縫數(shù)量，將裂縫較窄的裂縫以0.5位系數(shù)進(jìn)行換算，最終以橫向裂縫間距和縱向裂縫貫穿度為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表8所示。

表8 不同結(jié)構(gòu)抗裂性能

從表8可以看出，設(shè)置不同防水黏結(jié)層的柔性橋面鋪裝裂縫相對(duì)較少，縱向裂縫幾乎為零。相比較而言，瀝青膜作為防水層時(shí)裂縫產(chǎn)生較多，對(duì)瀝青混合料結(jié)構(gòu)層的裂縫病害沒(méi)有延緩作用。防水卷材、封層材料以及富油混合料都可以較好地提高瀝青混合料的抗裂性能，延長(zhǎng)瀝青層使用壽命。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，除富油混合料作防水層外，其他3種材料做防水層時(shí)，在泄水孔、伸縮縫處均有一定的冒“白漿”現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)測(cè)試測(cè)試了4種代表性防水黏結(jié)材料的黏結(jié)、抗剪、防水性能，對(duì)比分析了對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層高溫穩(wěn)定性的影響，并評(píng)價(jià)了荷載作用后黏結(jié)、抗剪、防水性的變化規(guī)律。并現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了不同防水黏結(jié)層對(duì)瀝青鋪裝層開(kāi)裂性能的影響。主要結(jié)論如下：

a）防水黏結(jié)材料與瀝青混合料的黏附性?xún)?yōu)于與水泥混凝土的黏附性，荷載作用對(duì)防水黏結(jié)層的黏附性有明顯的影響，而對(duì)抗剪強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響。

b）荷載作用對(duì)防水卷材和富油瀝青混合料的防水性能沒(méi)有明顯的影響。

c）防水卷材和封層材料對(duì)瀝青層的高溫穩(wěn)定性有一定的負(fù)面影響。

d）防水卷材、封層材料以及富油混合料都可以較好地提高瀝青混合料的抗裂性能。