基于多目標(biāo)加權(quán)的水泥混凝土橋面防水材料優(yōu)選

易祥軍

(海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，海南 ?？?570206)

橋面鋪裝層屬于橋梁的上部結(jié)構(gòu)，對橋梁結(jié)構(gòu)和整體安全起到關(guān)鍵性的作用。防水黏結(jié)層作為瀝青鋪裝層和水泥鋪裝層的中間過渡層，是橋面鋪裝的重要組成部分。其設(shè)置主要作用為：其一作為鋪裝層的過渡層，將鋪裝層黏結(jié)成一個整體，提高橋面的承載能力；其二可以防止雨水下滲導(dǎo)致橋梁損壞。目前，黏結(jié)層黏結(jié)力不足是導(dǎo)致鋪裝層早期病害發(fā)生的主要原因，而黏結(jié)力不足與防水材料自身的黏結(jié)力、防水層厚度、施工工藝有關(guān)。橋面鋪裝的水損壞會降低瀝青混凝土橋面的性能從而影響高速公路行車功能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。防水黏結(jié)層失效將會導(dǎo)致混凝土鋪裝層與瀝青面層脫落，破壞橋面鋪裝結(jié)構(gòu), 進(jìn)一步影響橋梁主體結(jié)構(gòu)。因此，選擇具有良好防水、黏結(jié)、耐久和穩(wěn)定性能的防水黏結(jié)層材料對控制橋面鋪裝層的質(zhì)量至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外關(guān)于水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層材料的研究較多，大多數(shù)集中研究某單一防水材料的開發(fā)與性能，但是關(guān)于防水黏結(jié)層材料的比選缺少相應(yīng)的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，防水黏結(jié)層材料僅依靠經(jīng)驗進(jìn)行選取。該文從防水黏結(jié)層材料路用性能角度出發(fā)，針對目前工程上常用的防水材料(環(huán)氧瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性乳化瀝青、新型丙烯酸酯基防水材料)，對其進(jìn)行路用性能測試，并結(jié)合材料的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過多目標(biāo)加權(quán)決策模型，優(yōu)選出綜合性能最佳的橋面黏結(jié)層防水材料。

1 原材料的選擇和試件制備

1.1 原材料

環(huán)氧瀝青是在瀝青中加入環(huán)氧樹脂基等改性劑改性而成，具有高黏結(jié)性、穩(wěn)定性、抗裂性等特點(diǎn)；SBS改性瀝青為SBS含量4%的I-D型改性瀝青；SBR改性乳化瀝青由70#基質(zhì)瀝青和SBR自行合成，SBR摻量為3%；新型丙烯酸酯基防水材料是在一定比例的新型丙烯酸酯中加入水和乳化劑，乳化后形成的乳白色液體，噴灑在混凝土上形成一層柔韌、耐用、黏結(jié)性好的膜層，能滲透進(jìn)水泥混凝土表面的微小裂紋里，具有一定的滲透性，是一種無毒、中性、環(huán)保乳液。新型丙烯酸酯基防水材料的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型丙烯酸酯基防水材料技術(shù)參數(shù)

1.2 試件制作

1.2.1 試件配合比設(shè)計

水泥混凝土試件：水泥為普通P.O.42.5級水泥，集料采用石灰?guī)r碎石，所用水泥混凝土配合比為：水泥∶砂子∶碎石∶水=468∶750∶978∶183，成型圓柱體或立方體試件。

瀝青混凝土試件：瀝青為SBS改性瀝青，集料為玄武巖碎石，礦粉為石灰?guī)r，通過旋轉(zhuǎn)壓實/車轍試驗成型AC-20瀝青混合料，其最佳油石比為4.5%。

1.2.2 試件制作

(1)制備水泥混凝土試件，尺寸為φ100 mm×100 mm，養(yǎng)生28 d后，干燥環(huán)境下放置1 d，待其表干后使用。

(2)將防水黏結(jié)層材料涂刷在表干后的水泥混凝土試件上，待防水材料固化后，方可進(jìn)行下一步工序。

(3)將防水材料固化后的水泥混凝土試件放入旋轉(zhuǎn)壓實儀模具中，將AC-20瀝青混合料裝入模具中，壓實成型。

(4)根據(jù)車轍試驗?zāi)＞撸砜沙尚头叫卧嚰?/p>

2 防水黏結(jié)層材料性能測試

2.1 防水材料最佳用量確定

先通過抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定防水材料的最佳用量，剪切試驗原理如圖1所示。

圖1 剪切示意圖

剪切強(qiáng)度計算公式如下：

(1)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；σ為剪應(yīng)力(N)；S為受力面積(mm2)。

試驗在20 ℃環(huán)境下進(jìn)行，剪切速率10 mm/min，其材料用量選用1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 kg/m2。設(shè)置平行試驗3次，取平均值作為試驗結(jié)果。不同防水材料和不同用量下的層間剪切強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知：隨著防水材料用量的增加，層間抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢。當(dāng)防水材料用量較小時，防水材料提供的黏結(jié)強(qiáng)度較小，即層間剪切強(qiáng)度較??；當(dāng)防水材料用量最佳時，防水材料提供的黏結(jié)強(qiáng)度最大，層間的摩阻力最大，所以層間剪切強(qiáng)度最大；當(dāng)防水材料用量較大時，層間摩阻力相對較小，所以層間的剪切強(qiáng)度也較小。通過層間抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果可得，SBS改性瀝青、環(huán)氧瀝青和SBR改性乳化瀝青用量均為1.4 kg/m2時剪切強(qiáng)度最大，新型丙烯酸酯基防水材料用量為1.2 kg/m2時剪切強(qiáng)度最大。

圖2 不同用量下的各防水材料剪切強(qiáng)度變化趨勢

2.2 路用性能測試

2.2.1 層間剪切與拉拔試驗

按最佳用量下的防水材料成型測試試件，進(jìn)行層間剪切和拉拔試驗。剪切試驗加載速率10 mm/min，拉拔試驗拉伸速率10 mm/min，試驗溫度設(shè)置為：0、20、40、60 ℃共4個溫度。拉拔試驗工作原理如圖3所示。

圖3 拉拔試驗示意圖

拉應(yīng)力采用下式計算：

(2)

式中：T為拉拔強(qiáng)度(MPa)；F為拉拔試驗中的拉力(N)；S為受力面積(mm2)。

設(shè)置平行試驗3次，取其平均值作為試驗結(jié)果。剪切和拉拔試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知：4種材料的防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度隨著溫度的升高均顯著下降，均在60 ℃時達(dá)到最低。例如環(huán)氧瀝青在60 ℃的剪切強(qiáng)度為0.19 MPa，比0 ℃時的2.96 MPa降低了94%；環(huán)氧瀝青在60 ℃的拉拔強(qiáng)度為0.13 MPa，比0 ℃時的2.54 MPa降低了95%,說明溫度是影響材料黏結(jié)強(qiáng)度的主要因素。在20 ℃時，環(huán)氧瀝青的剪切強(qiáng)度為0.56 MPa,略高于SBS改性瀝青，相比SBR改性乳化瀝青的剪切強(qiáng)度0.33 MPa和新型丙烯酸酯基防水材料的剪切強(qiáng)度0.38 MPa分別高出41%和32%；環(huán)氧瀝青在20 ℃時拉拔強(qiáng)度為0.91 MPa, 相比SBS改性瀝青拉拔強(qiáng)度0.81 MPa、SBR改性乳化瀝青的拉拔強(qiáng)度0.68 MPa和新型丙烯酸酯基防水材料的拉拔強(qiáng)度0.76 MPa分別高出11%、25%和16%，說明環(huán)氧瀝青的抗剪切和拉拔性能最優(yōu)。同一溫度下的抗剪強(qiáng)度、拉拔性能排序均為：環(huán)氧瀝青>SBS改性瀝青>新型丙烯酸酯基防水材料>SBR改性乳化瀝青。

表2 不同溫度下抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度試驗結(jié)果

2.2.2 滲水試驗

分別將SBS改性瀝青、環(huán)氧瀝青、SBR改性乳化瀝青、新型丙烯酸酯基防水材料的最佳用量分兩次均勻涂刷在試件上，待防水材料干燥成膜后，放置于壓力滲水儀的密封筒內(nèi)，在加水壓力為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa下記錄開始滲水時間。以30 min為一個觀察周期，觀察試件滲水情況，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知：當(dāng)動水壓力為0.2 MPa時，4種材料均表現(xiàn)出較好的防水性能；當(dāng)動水壓力達(dá)到0.3 MPa時，新型丙烯酸酯基防水材料在25.5 min時出現(xiàn)了滲水情況，環(huán)氧瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性乳化瀝青仍保持較好的防水能力；在0.4 MPa時，SBR改性乳化瀝青在19.7 min時出現(xiàn)了滲水情況；在0.5 MPa動水壓力下時，SBS改性瀝青在22.8 min時出現(xiàn)滲水；環(huán)氧瀝青在0.6 MPa的動水壓力下，在18.5 min時出現(xiàn)滲水。試驗結(jié)果表明：在動水壓力下，各防水材料防水性能排序為：環(huán)氧瀝青> SBS改性瀝青>SBR改性乳化瀝青>新型丙烯酸酯基防水材料。

表3 滲水試驗結(jié)果

2.2.3 抗老化試驗

先將防水材料放置于溫度為163 ℃的薄膜烘箱中進(jìn)行熱處理，經(jīng)過5 h的熱老化后，將防水材料成型試件，在20 ℃的環(huán)境下，進(jìn)行材料層間剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度測試。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 防水材料老化前后層間力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表4可知：對比熱老化前后的抗剪切性能，SBS改性瀝青下降了25%，環(huán)氧瀝青下降了20%，SBR改性乳化瀝青下降了33%，新型丙烯酸酯基防水材料下降了39%，老化后抗剪性能衰減最快的是新型丙烯酸酯基防水材料，最慢的是環(huán)氧瀝青。熱老化前后的拉拔性能變化規(guī)律為：SBS改性瀝青、環(huán)氧瀝青、SBR改性乳化瀝青、新型丙烯酸酯基防水材料的拉拔強(qiáng)度分別降低了0.17、0.16、0.09、0.2 MPa，老化后環(huán)氧瀝青的拉拔強(qiáng)度最大(0.75 MPa)，新型丙烯酸酯基防水材料最小(0.56 MPa)。綜合熱老化前后剪切性能和拉拔性能衰變規(guī)律可知，環(huán)氧瀝青的耐老化性能最優(yōu)。

3 基于多目標(biāo)加權(quán)的防水材料優(yōu)選模型

基于防水黏結(jié)層材料的抗剪性能、拉拔性能、防水性能、耐老化性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用灰色系統(tǒng)理論中的多目標(biāo)加權(quán)決策模型，優(yōu)選出最佳的橋面防水黏結(jié)層材料。通過市場調(diào)研，獲取防水材料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。以20 ℃試驗溫度下路用性能指標(biāo)結(jié)果為例，4種防水材料的剪切強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度、滲水壓力、老化后的剪切、拉拔強(qiáng)度和材料單價的參數(shù)如表5所示。

表5 各防水材料的性能指標(biāo)參數(shù)

多目標(biāo)加權(quán)決策模型以灰色系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，通過對方案的多個目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)合理的分析和處理，得出各個方案的綜合效用函數(shù)，用來幫助做出最合理的決策。多目標(biāo)加權(quán)決策模型已被廣泛應(yīng)用于工程項目的決策選擇問題。該文通過多目標(biāo)加權(quán)決策模型，優(yōu)選出綜合性能最佳的橋面防水黏結(jié)層材料。

第1步：建立事件集、對策集及決策方案集。選擇哪種防水材料作為事件a1，則事件集A={ai}={a1};選擇SBS改性瀝青、環(huán)氧瀝青、SBR改性乳化瀝青、新型丙烯酸酯基防水材料分別作為對策b1、b2、b3、b4，則對策集B={b1，b2，b3，b4};由事件集和對策集構(gòu)成決策集：

S={Sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B,i=1,j=1,2,3,4}={s11,s12,s13,s14}

第2步：確定決策目標(biāo)。將材料的剪切強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度、滲水性能、老化后的剪切強(qiáng)度、老化后的拉拔強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)共6個指標(biāo)作為決策目標(biāo)。

第3步：確定決策目標(biāo)的決策權(quán)重。文中均衡考慮6個決策目標(biāo)的重要性，認(rèn)為6個決策目標(biāo)的重要性相同，權(quán)重均設(shè)置為0.166。

第4步：求決策目標(biāo)效果樣本矩陣。根據(jù)表5數(shù)據(jù)得出目標(biāo)效果樣本矩陣如下：

第8步：決策。由第7步的計算結(jié)果，得到各防水材料的靶心距離，如表6所示。

表6 各防水材料的靶心距離

由表6可知：4種防水黏結(jié)層材料中，環(huán)氧瀝青的綜合性能最優(yōu)，SBS改性瀝青次之，SBR改性乳化瀝青和新型丙烯酸酯基防水材料的綜合性能相當(dāng)，均劣于環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青。將優(yōu)選出的最佳防水材料應(yīng)用于海南某高速公路水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層，2016年通車至今路用性能良好，層間未出現(xiàn)因防水層失效而引起的剪切、推移等破壞。

4 結(jié)論

(1)剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度反映了橋面防水層層間力學(xué)性能；隨著試驗溫度的升高，防水黏結(jié)層材料層間力學(xué)性能逐步降低，橋面防水黏結(jié)層對溫度的依賴性較大。隨著水壓值的增大，各防水材料的防水性能逐步降低，環(huán)氧瀝青的防水性能最優(yōu)，新型丙烯酸酯基防水材料的防水性能最差。老化對防水黏結(jié)層材料的層間強(qiáng)度有顯著影響，環(huán)氧瀝青的耐老化性能最優(yōu)。

(2)水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層材料設(shè)計時，應(yīng)著重考慮外界環(huán)境溫度和水對防水黏結(jié)層材料層間力學(xué)性能和防水性能的影響。

(3)通過多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型，得出環(huán)氧瀝青的綜合性能最優(yōu)，可推薦作為依托工程混凝土橋面防水黏結(jié)層材料。將多目標(biāo)加權(quán)決策模型應(yīng)用于橋面防水材料的優(yōu)選，能有效解決實際工程中防水材料在性能指標(biāo)了解不全面的情況下材料的選擇問題，使選擇結(jié)果更科學(xué)、合理。