橋面鋪裝不同防水黏層的工程適用性

劉夢(mèng)梅，韓 森，楊 赫，吳曉明

長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064

防水黏層是橋面鋪裝體系的重要結(jié)構(gòu)之一，起黏結(jié)及防水作用，保證了橋面結(jié)構(gòu)的整體性，并確保橋梁在使用期限內(nèi)免受水損害[1-5].大量實(shí)體工程和相關(guān)文獻(xiàn)均表明，黏層后期常出現(xiàn)層間積水現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅層間的黏結(jié)性能，導(dǎo)致橋面黏層防水和抗剪功能失效[6-9].橋面鋪裝的諸多病害均與防水黏層性能緊密相關(guān)[10-11].當(dāng)水分通過(guò)裂縫或壓實(shí)不足的道路邊緣，滲入到防水黏層，在層間集聚、流動(dòng)，會(huì)形成局部冒水現(xiàn)象，引發(fā)更嚴(yán)重的病害[12].水分在層間流動(dòng)，也致使防水黏層的黏結(jié)性能和耐久性能減弱.層間水引發(fā)的病害被稱為隱性病害[1]，該病害在初期從橋面表觀往往難以識(shí)別，長(zhǎng)此以往，層間積水加劇，造成結(jié)構(gòu)性病害[1,10].

數(shù)字圖像處理技術(shù)具有突出的直觀表現(xiàn)能力，能夠準(zhǔn)確、客觀地反映路面材料的性能，在路面檢測(cè)及路面結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13-17].針對(duì)目前國(guó)內(nèi)橋面鋪裝防水黏層材料繁多、結(jié)構(gòu)組合各異、性能良莠不齊和設(shè)計(jì)規(guī)范不完善等問(wèn)題，圖像處理技術(shù)提供了一種數(shù)字化、系統(tǒng)化的研究方法.因此，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，進(jìn)行不同防水黏層的層間空隙分布與滲水、積水、黏結(jié)性能的相關(guān)關(guān)系研究，對(duì)分析橋面鋪裝層間防水與黏結(jié)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

工程中常用的橋面鋪裝防水黏層材料主要有卷材類、涂抹類、封層類和細(xì)質(zhì)瀝青混凝土類等[18].近年來(lái)，防水黏結(jié)層的研究側(cè)重于對(duì)橋面鋪裝的組合結(jié)構(gòu)和新材料的研發(fā)，而對(duì)評(píng)價(jià)方法的研究則不全面.龔僥斌等[19]將橋面鋪裝各層化零為整，基于港珠澳大橋，研究了橋面鋪裝的抗拉性能.目前研究?jī)H考慮力學(xué)性能，而忽視了防水黏層的防水性能.本研究選用工程中典型的5種橋面鋪裝防水黏層(改性乳化瀝青、4.75同步碎石、9.5同步碎石、5 mm瀝青混凝土(5 mm asphalt concrete, AC-5)和稀漿封層)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析層間的空隙分布特征，并結(jié)合層間水平滲水試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)及拉拔試驗(yàn)，對(duì)黏層的滲水、積水及黏結(jié)性能進(jìn)行工程適用性分析.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

為研究橋面鋪裝黏層的防水及黏結(jié)特性，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)層的需要，分別選用以下原材料.20 mm瀝青混凝土(20 mm asphalt concrete, AC-20)中面層：SBS改性瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉.水泥混凝土橋面板：C42.5普通硅酸鹽水泥、石灰?guī)r集料、河砂和水.5種防水黏層為：① 改性乳化瀝青防水黏層：SBS改性乳化瀝青；② 4.75同步碎石防水黏層：SBS改性瀝青和4.75 mm粒徑石灰?guī)r集料；③ 9.5同步碎石防水黏層：SBS改性瀝青和9.5 mm粒徑石灰?guī)r集料；④ AC-5防水黏層：克煉70#基質(zhì)瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉；⑤ 稀漿封層防水黏層：SBS改性乳化瀝青、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉.上述防水黏層的膠結(jié)料性能如表1.

表1 黏層膠結(jié)料性能

1.2 試件制備

為模擬工程中橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)類型，在實(shí)驗(yàn)室制備“AC-20中面層+防水黏結(jié)層+水泥混凝土板”復(fù)合板試件.水泥混凝土底板尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，并對(duì)其表面進(jìn)行拉毛處理，平均構(gòu)造深度約為0.9 mm，用于模擬橋面板.分別對(duì)SBS改性乳化瀝青、4.75同步碎石、9.5同步碎石、AC-5和稀漿封層等防水黏層的防水及黏結(jié)特性展開研究.其中，SBS改性乳化瀝青的撒布量為1.0 kg/m2；4.75同步碎石和9.5同步碎石瀝青的撒布量統(tǒng)一為1.0 kg/m2；碎石用量分別為4 kg/m2和6 kg/m2；碎石覆蓋率均為70%～75%.AC-5與稀漿封層混合料的級(jí)配如圖1，攤鋪厚度約為10 mm.其中，AC-5的油石比為6.6%，稀漿封層的油石比為7.2%.將已撒布黏層的水泥混凝土板置于30 cm×30 cm×10 cm的試模中，量取中面層高度剩余量，以此計(jì)算AC-20混合料用量，將其碾壓在試模中形成復(fù)合板.

圖1 AC-5和稀漿封層混合料級(jí)配

對(duì)5種復(fù)合板進(jìn)行鉆芯，獲得直徑為10 cm、高度為10 cm的柱形復(fù)合試件，用于計(jì)算機(jī)斷層(computed tomography, CT)掃描及剪切、拉拔試驗(yàn)，并對(duì)復(fù)合板進(jìn)行切割，獲得14 cm×14 cm×10 cm復(fù)合試件塊，用于層間滲水實(shí)驗(yàn).每組進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，計(jì)算平均值.

1.3 試驗(yàn)方案

本研究采用YXLON Y.CT Modula掃描儀對(duì)柱形復(fù)合試件進(jìn)行掃描，精度可達(dá)10 μm，自上而下掃描60 mm，因此涵蓋了黏層區(qū)間.利用Matlab軟件對(duì)采集的黏層CT圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，獲取黏層空隙率和空隙等效圓直徑等指標(biāo)，用于分析橋面鋪裝黏層的防水及黏結(jié)性能.本研究采用最大類間方差法對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，經(jīng)大量閾值分析，發(fā)現(xiàn)閾值約為93時(shí)效果最好，可以獲取良好的空隙分割圖像，同時(shí)減少運(yùn)算時(shí)間.CT掃描過(guò)程如圖2.其中，0～20 mm為AC-20表面區(qū)域；20～40 mm為AC-20中部區(qū)域；40～60 mm涵蓋所有黏層區(qū)域及黏層與上下板件的過(guò)渡區(qū)域.本研究重點(diǎn)分析橋面鋪裝薄弱區(qū)域——黏層及其過(guò)渡區(qū)域(40～60 mm).

層間水平滲水試驗(yàn)采用長(zhǎng)安大學(xué)自主研發(fā)的ST-1層間滲水儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)儀器及原理如圖3[20].為保證水是通過(guò)層間空隙發(fā)生滲流，而非通過(guò)AC-20中面層、水泥板或復(fù)合試件與層間滲水模擬箱之間的間隙流出，需對(duì)其進(jìn)行蠟封處理.滲水儀水頭高度為40 cm，量筒的量程為500 mL，每隔5 min讀數(shù)，試驗(yàn)持續(xù)30 min.剪切和拉拔試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)黏層的黏結(jié)性能，剪切試驗(yàn)選用HS-S I型直剪儀[14]，儀器的豎向應(yīng)力設(shè)置為0.2 MPa，剪切速率為20 mm/min.拉拔試驗(yàn)采用LGZ-1型拉拔儀[14]，拉拔速率為5 mm/min.黏結(jié)性能試驗(yàn)示意圖如圖4.

為分析浸水和凍融條件下的層間黏結(jié)性能，分別對(duì)試件進(jìn)行如下預(yù)處理：① 25 ℃通風(fēng)放置72 h；② 25 ℃水浴箱中浸水72 h；③ 25 ℃水浴箱中浸水24 h.然后置于-18 ℃冰柜中冷藏24 h，最后于25 ℃通風(fēng)處放置24 h，確保內(nèi)部結(jié)冰完全融化[21].

圖4 黏結(jié)性能試驗(yàn)原理

2 結(jié)果與分析

2.1 防水黏結(jié)層數(shù)字圖像處理分析

如圖5，對(duì)采集間隔為0.5 mm的CT掃描圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，獲取黏層的空隙率n和空隙等效圓直徑D.空隙率為通過(guò)Matlab軟件獲取每張圖像所有空隙對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)，并根據(jù)式(1)計(jì)算而得.由于層間空隙結(jié)構(gòu)和形狀各異，無(wú)規(guī)則，為了直觀分析黏層空隙分布特性，采用空隙等效圓直徑評(píng)價(jià)黏層空隙的尺寸大小和分布比例.空隙等效圓直徑為與實(shí)際空隙面積相等的標(biāo)準(zhǔn)圓的直徑，如式(2).空隙率和空隙等效圓直徑能夠量化層間空隙分布狀況，分析不同黏層材料滲水、積水與黏層空隙特性的關(guān)系.

(1)

(2)

其中，m為數(shù)字圖像中空隙對(duì)應(yīng)的總像素點(diǎn)數(shù)；R為被掃描試件的實(shí)際半徑，50 mm；p為圖像的分辨率；S為CT圖像中單個(gè)空隙的實(shí)際面積.

圖5 數(shù)字圖像處理過(guò)程

不同黏層的空隙率如圖6.由圖6可知，不同防水黏結(jié)層空隙率沿試件高度范圍自上而下變化一致，呈先增大后減小趨勢(shì)，但不同類型黏層空隙率的峰值和突增范圍各異.其中，空隙率峰值由大到小排序?yàn)椋?.75同步碎石>9.5同步碎石>改性乳化瀝青>AC-5>稀漿封層，同步碎石的空隙率顯著高于其他3種黏層.究其原因，撒布的碎石為單一粒徑石料，不能形成嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，石料間的空隙率大；且石料表面沒(méi)有裹覆瀝青，當(dāng)AC-20鋪裝在黏層上時(shí)，只有少量的流動(dòng)瀝青與碎石表面黏結(jié)，遠(yuǎn)不能填補(bǔ)碎石間的空隙.除此之外，發(fā)現(xiàn)4.75 同步碎石防水層空隙率突增拐點(diǎn)約為4.5 mm，且9.5同步碎石防水層空隙率突增拐點(diǎn)約為9.0 mm，兩者的變化拐點(diǎn)均與各自撒布同步碎石的粒徑大小相適應(yīng)，說(shuō)明碎石粒徑大小直接決定了黏層空隙率突增范圍的量級(jí)，該規(guī)律與層間的防水性能和黏結(jié)性能緊密相關(guān).

表2為不同防水層層間空隙等效圓直徑分布情況.由表2可知，不同防水層層間空隙等效圓直徑(D)的分布規(guī)律有相似之處.其中，D<1 mm的空隙數(shù)量最多，均占空隙總數(shù)量59%以上；1 mm

圖6 不同黏層空隙率

表2 不同防水層層間空隙等效圓直徑分布情況

2.2 防水黏結(jié)層滲水及層間積水特性分析

為了研究5種不同類型防水層的水平抗?jié)B水性能，本研究進(jìn)行了層間滲水試驗(yàn)，每隔5 min分別記錄各層間滲水量，結(jié)果如表3.由表3可見，9.5同步碎石防水層前5 min的滲水量最大，其次為4.75同步碎石防水層，而稀漿封層和改性乳化瀝青防水層幾乎不滲水，說(shuō)明同步碎石層間抗?jié)B水性能較差.這與上述層間圖像分析結(jié)果一致，同步碎石層間的空隙率大，空隙尺寸也較大，在層間形成連通空隙的概率高，易發(fā)生水平層間滲水、積水.

AC-5初期滲水量較小，但隨著滲水時(shí)間延長(zhǎng)，滲水量顯著上升，20 min后，稀漿封層也出現(xiàn)了滲水的現(xiàn)象.究其原因，主要是由于AC-5與稀漿封層空隙直徑較小，都為微空隙，水分在空隙間流動(dòng)時(shí)受毛細(xì)作用，流動(dòng)速度較慢，后期易發(fā)生滲水問(wèn)題.工程中常用的5種防水黏結(jié)層中，乳化瀝青防水層的抗?jié)B水性能最好，未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.但在實(shí)際工程中，單層的乳化瀝青黏層油易受施工車輛影響，防水作用易被破壞.

表3 不同防水黏結(jié)層滲水試驗(yàn)結(jié)果

2.3 防水黏結(jié)層黏結(jié)特性分析

2.3.1 剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同黏層浸水和凍融條件下抗剪強(qiáng)度

本研究對(duì)5種黏層材料分別進(jìn)行浸水和凍融預(yù)處理，采用剪切試驗(yàn)，以此模擬汽車在路面行駛時(shí)，對(duì)路面產(chǎn)生的橫向剪切力，造成推移等病害，結(jié)果如圖7.由圖7可見：① 5種黏層抗剪強(qiáng)度的大小順序?yàn)椋篈C-5>改性乳化瀝青>稀漿封層>4.75同步碎石>9.5同步碎石.其中，AC-5瀝青砂的抗剪切強(qiáng)度最大，這是因?yàn)锳C-5為熱拌瀝青混合料，能較好地保留膠結(jié)料的黏結(jié)性能，且AC-5級(jí)配偏細(xì)，內(nèi)部形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗剪切力.而同步碎石防水層由于石料表面沒(méi)有裹覆瀝青，上層底面與碎石之間的膠結(jié)瀝青膜有限，導(dǎo)致上下層的黏結(jié)性能大大降低.在外推力作用下，碎石層成為薄弱面，發(fā)生剪切破壞.改性乳化瀝青保留了SBS的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)聚苯乙烯嵌段聚集，形成穩(wěn)固的三維微觀結(jié)構(gòu)，分散在瀝青中，聚苯乙烯末端賦予材料足夠的強(qiáng)度.② 在防水黏結(jié)層浸水處理?xiàng)l件下，9.5同步碎石、4.5同步碎石、AC-5和稀漿封層的抗剪強(qiáng)度分別降低23.2%、21.7%、19.5%和16.9%，而改性乳化瀝青僅減少9.0%.這主要是由于集料親水性能強(qiáng)，尤其是酸性集料.被水長(zhǎng)期浸泡的過(guò)程中，瀝青膜與集料相互分離，減小了鋪裝層層間的黏結(jié)性能.另外，綜合上述滲水試驗(yàn)結(jié)果，碎石防水層的空隙率較大，而AC-5與稀漿封層內(nèi)部存在大量的微空隙，后期發(fā)生輕微層間滲水，水分殘留在鋪裝層之間，充當(dāng)了潤(rùn)滑劑的作用，減小了層間的摩擦阻力，造成層間抗剪能力下降.滲水試驗(yàn)結(jié)果已表明改性乳化瀝青防水層防水性能優(yōu)異，所以浸水條件下，改性乳化瀝青防水層的黏結(jié)強(qiáng)度受水的影響較小.③凍融對(duì)不同防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度均有不利影響.黏層內(nèi)部存在空隙，溫度降低時(shí)，層間聚集的空隙水結(jié)冰，體積變大，對(duì)空隙產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致黏層抗剪強(qiáng)度損失.在實(shí)際工程中，若層間存在積水問(wèn)題，在冬季早晚大溫差環(huán)境下，易產(chǎn)生凍融破壞，加之車輛荷載反復(fù)作用，對(duì)黏層耐久性造成潛在威脅.

2.3.2 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

按照橋面瀝青鋪裝層受力狀況看，層間剪切作用顯著.但黏結(jié)層受各向外力耦合作用，除了汽車行駛方向的水平剪切力，在輪胎擠壓作用下層間積水處還易產(chǎn)生孔隙水壓力.因此，本研究采用浸水和凍融條件下的拉拔實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)黏層的豎向黏結(jié)性能，作為防水黏層力學(xué)性能輔助評(píng)價(jià)指標(biāo).

由圖8可知，同步碎石的拉拔強(qiáng)度與上述剪切強(qiáng)度表現(xiàn)一致，均相對(duì)較小.而稀漿封層的豎向拉力小于水平剪切力.因?yàn)?，稀漿封層受級(jí)配調(diào)控，混合料內(nèi)部形成嵌擠結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到水平推力時(shí)，除了膠結(jié)料間的黏附力，還有集料提供的咬合摩阻力，所以抗剪強(qiáng)度相對(duì)較好.豎向拉力主要取決于膠結(jié)料與集料的黏結(jié)性能，稀漿封層的膠結(jié)料采用乳化瀝青，其黏結(jié)強(qiáng)度低于熱瀝青；且稀漿封層為細(xì)級(jí)配混合料，比表面積較大，所以瀝青膜較薄，黏結(jié)性較差；加之乳化瀝青破乳過(guò)程會(huì)產(chǎn)生水和空隙，因此，稀漿封層豎向黏結(jié)性能降低.綜上可見，SBS改性乳化瀝青防水黏層的抗?jié)B水與黏結(jié)性能均相對(duì)較好，是一種比較適宜的橋面鋪裝黏層.但施工中，其受施工車輛影響，黏層作用易被破壞.

圖8 不同黏層浸水和凍融條件下抗拉強(qiáng)度

3 結(jié) 論

1)通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)、黏層水平滲水試驗(yàn)、層間剪切及拉拔試驗(yàn)，對(duì)工程中常用的橋面防水黏結(jié)層進(jìn)行工程適用性分析，完善了橋面鋪裝防水層的評(píng)價(jià)方法，提出了黏結(jié)層空隙特性(孔隙率、空隙等效圓直徑)、防水性能(滲水系數(shù))和力學(xué)性能(剪切強(qiáng)度為主，拉拔強(qiáng)度為輔)等綜合評(píng)價(jià)指標(biāo).

2)通過(guò)CT掃描獲取層間圖像，基于數(shù)字圖像分析技術(shù)，量化了層間空隙分布狀況.試驗(yàn)結(jié)果顯示：同步碎石空隙率最高，空隙尺寸較大，改性乳化瀝青黏層空隙率次之，AC-5和稀漿封層空隙率較低，且內(nèi)部存在空隙大部分為微空隙.

3)除SBS改性乳化瀝青外，其余常用橋面防水黏層均發(fā)生了層間滲水現(xiàn)象，具有層間積水的潛在威脅，影響?zhàn)拥酿そY(jié)性能.其中，同步碎石的滲水量最大，AC-5與稀漿封層次之，改性乳化瀝青幾乎不滲水.

4)5種典型黏層抗剪強(qiáng)度排序?yàn)椋篈C-5>改性乳化瀝青>稀漿封層>4.75同步碎石>9.5同步碎石.橋面防水黏層黏結(jié)性能受溫濕環(huán)境變化的影響顯著.同步碎石、AC-5和稀漿封層在浸水、凍融條件下，抗剪、抗拉強(qiáng)度降低顯著.