典型防水粘結(jié)材料抗剪穩(wěn)定性及抗疲勞性能研究

王笑風(fēng)，宋國瑞，楊博，萬晨光，常迅夫，李豪

（1.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，河南 鄭州 450000；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南宛龍高速公路有限公司，河南 平頂山 450052）

截至2019年底，我國已建公路橋梁87.83萬座[1]，其中水泥混凝土橋占90%以上。隨著基礎(chǔ)設(shè)施投資熱點(diǎn)向中西部和山區(qū)丘陵地區(qū)轉(zhuǎn)移，公路橋隧比將逐年提高。此外，交通量增多和車輛荷載重型化對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)提出更嚴(yán)苛的考驗(yàn)。

國內(nèi)對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)性能作了大量研究，混凝土橋面鋪裝層與橋面板間水平抗剪能力不足或鋪裝層自身不能經(jīng)受較大剪應(yīng)力是導(dǎo)致橋面鋪裝出現(xiàn)破壞的主要原因[2-3]。相關(guān)研究表明，影響橋面鋪裝抗剪穩(wěn)定性的因素主要有2方面，即防水粘結(jié)層自身層間粘結(jié)力和橋面調(diào)平層表面構(gòu)造紋理提供的層間摩阻力[4]。此外，由于橋梁自身結(jié)構(gòu)與使用特性，在行車作用下，橋面鋪裝經(jīng)常處于振動狀態(tài)，其受力特點(diǎn)為典型的高周疲勞荷載，鋪裝層極易從橋面板剝離，這就要求橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有長久的使用壽命。丁慶軍等[5]對橋面鋪裝混凝土鉆芯取樣進(jìn)行力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)混凝土在行車反復(fù)作用下而疲勞失效。錢振東等[6]采用彎曲疲勞試驗(yàn)對3種混凝土橋鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了疲勞性能較好的鋪裝結(jié)構(gòu)形式。高英等[7]對不同橋面瀝青鋪裝層組合的疲勞壽命進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)防水粘結(jié)層的鋪裝使相同鋪裝結(jié)構(gòu)壽命增長8倍。

本文針對混凝土橋面鋪裝粘結(jié)層自身材料特性和橋面板構(gòu)造深度與抗剪穩(wěn)定性的關(guān)系，選擇3種典型同步碎石封層瀝青材料進(jìn)行室內(nèi)分析。通過復(fù)合梁試件四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，模擬橋面鋪裝周期載荷作用，并研究其對粘結(jié)層強(qiáng)度的影響，為橋梁工程建設(shè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

同步碎石封層瀝青材料：SBS改性瀝青、橡膠瀝青和熱固性環(huán)氧瀝青，均由許昌金歐特瀝青股份有限公司提供，相關(guān)性能指標(biāo)分別符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、JT/T 798—2019《路用廢胎膠粉橡膠瀝青》、GB/T 30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》的技術(shù)要求。水泥：P·O 42.5。集料：石灰?guī)r軋制碎石，0～5、5～10、10～20 mm三種規(guī)格，用于成型混凝土板和中面層瀝青混合料。

1.2 試件制備

（1）橋面鋪裝下面層混合料：采用AC-20型中粒式SBS改性瀝青混合料，油石比為5.0%，混合料合成級配見表1。

表1 AC-20型中粒式改性瀝青混合料配合比

（2）橋面鋪裝復(fù)合板：成型具有不同表面構(gòu)造深度，尺寸為300 mm×300 mm×40 mm的水泥混凝土板；之后涂布3種防水粘結(jié)層材料，趁熱撒布碎石使覆蓋率為70%，并置于300 mm×300 mm×100 mm車轍板模具中，攤鋪熱瀝青混合料后使用輪碾成型機(jī)成型橋面鋪裝復(fù)合板。

（3）抗剪試件和抗疲勞試件：將復(fù)合板切割成尺寸為125 mm×80 mm的抗剪試驗(yàn)復(fù)合件和尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm的抗疲勞試驗(yàn)復(fù)合梁，如圖1所示。

圖1 抗剪和抗疲勞試件

1.3 試驗(yàn)方案

本文擬采用3種同步碎石封層瀝青材料，研究瀝青灑布量、調(diào)平層混凝土板構(gòu)造深度、試驗(yàn)溫度對防水粘結(jié)層抗剪穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 抗剪穩(wěn)定性研究方案

采用UTM-30多功能路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)及相應(yīng)加載模塊，對橋面鋪裝疲勞過程進(jìn)行模擬。影響復(fù)合梁疲勞壽命的荷載條件包括加載頻率、荷載波形和應(yīng)變水平，借鑒相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)[8-9]，本研究采用加載頻率為10 Hz，荷載波形為半正弦波，應(yīng)變水平分別為300×10-6、500×10-6、700×10-6。經(jīng)疲勞作用后的小梁試件切割成抗剪試件，測試其抗剪及拉拔強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料用量對鋪裝結(jié)構(gòu)抗剪穩(wěn)定性的影響

對于防水粘結(jié)層材料，用量過少則無法形成連續(xù)厚度的粘結(jié)層，用量過多則形成富油層，削弱層間摩擦作用，因此不同防水粘結(jié)材料可通過剪切試驗(yàn)確定其最佳灑布量[10]。

試驗(yàn)選擇剪切速率10 mm/min，實(shí)驗(yàn)溫度20℃，混凝土板構(gòu)造深度0.4 mm，不同瀝青撒布量對鋪裝結(jié)構(gòu)抗剪穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

圖2 瀝青撒布量對層間抗剪強(qiáng)度的影響

由圖2可知，3種同步碎石封層抗剪強(qiáng)度隨瀝青撒布量的增加均出現(xiàn)先提高后降低的變化趨勢。

混凝土表面存在凹凸波浪形構(gòu)造情況下，隨瀝青撒布量增加，粘結(jié)層界面由貧油層向富油層過渡。粘結(jié)層貧油狀態(tài)時，僅在混凝土表面凸起處產(chǎn)生粘結(jié)作用，而在凹陷處由于未充分填充瀝青而存在空隙，瀝青對層間粘結(jié)抗剪作用貢獻(xiàn)很小，如圖3（a）所示。瀝青撒布量適中時充分填充混凝土板構(gòu)造，橋面鋪裝層間充分接觸使粘結(jié)抗剪作用增強(qiáng)。此外，碎石受壓部分嵌入構(gòu)造凹槽，使層間摩阻增強(qiáng)，如圖3（b）所示。粘結(jié)層富油狀態(tài)下，碎石懸浮于瀝青粘結(jié)層上部，難以嵌入混凝土板構(gòu)造凹槽處，層間摩阻降低，層間抗剪強(qiáng)度主要由粘結(jié)材料自身強(qiáng)度提供，如圖3（c）所示。

圖3 粘結(jié)層由貧油層向富油層過渡

SBS改性瀝青、橡膠瀝青、環(huán)氧瀝青的最佳撒布量分別為1.4、1.6、1.8 kg/m2。值得注意的是，環(huán)氧瀝青較低撒布量（1.0 kg/m2）時，其抗剪強(qiáng)度仍優(yōu)于其他2種瀝青材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗剪性能。

圖4為最佳瀝青撒布量下，3種同步碎石封層抗剪強(qiáng)度隨剪切位移的變化情況。

圖4 剪切強(qiáng)度隨剪切位移的變化

由圖4可見，SBS瀝青抗剪強(qiáng)度隨剪切位移遞增且趨于穩(wěn)定，表明其具有較好的蠕變變形能力。橡膠瀝青初始抗剪階段與SBS瀝青相近，隨著變形增加抗剪能力變?nèi)醪②呌诜€(wěn)定。環(huán)氧瀝青抗剪強(qiáng)度在較低位移下達(dá)到最大值，但強(qiáng)度降低幅度明顯，表現(xiàn)出一旦破壞即不可恢復(fù)的脆硬性。

2.2 構(gòu)造深度對抗剪穩(wěn)定性的影響

相關(guān)規(guī)范中提到水泥混凝土橋面板宜進(jìn)行銑刨或拋丸打毛處理，處理后橋面板的構(gòu)造深度宜為0.4～0.8 mm[11]，可見橋面板調(diào)平層表面紋理提供的層間摩阻力是影響鋪裝層抗剪強(qiáng)度的重要影響因素。

試驗(yàn)選擇剪切速率10 mm/min，溫度20℃，瀝青材料采用最佳灑布量，混凝土板表面構(gòu)造深度對鋪裝結(jié)構(gòu)抗剪穩(wěn)定性的影響如圖5所示。

圖5 構(gòu)造深度對層間抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

鋪砂法測試構(gòu)造深度用于表征混凝土的表面粗糙度，構(gòu)造深度越大則混凝土表面凹凸?fàn)羁硬墼蕉?。由圖5可知，混凝土表面光滑，層間摩阻力較低；隨著粗糙度增加，摩阻力增大，層間抗剪穩(wěn)定性提高；隨著構(gòu)造深度進(jìn)一步增大，抗剪性能出現(xiàn)降低現(xiàn)象。上述現(xiàn)象是粘結(jié)層由富油層向貧油層的過渡，剪切作用下，混凝土表面光滑則鋪裝層間界面相對滑動，層間摩阻較低。隨著構(gòu)造深度增加，碎石嵌入混凝土構(gòu)造凹槽，起到增強(qiáng)層間摩阻的作用，如圖6所示。

圖6 碎石嵌入構(gòu)造凹槽增強(qiáng)層間摩阻作用

在瀝青用量一定的情況下，構(gòu)造深度進(jìn)一步增加，則瀝青較多堆積在紋理縫隙內(nèi)，而在層間無法形成連續(xù)薄膜，使粘結(jié)力下降。由于橡膠瀝青及環(huán)氧瀝青灑布量較大，在0.8 mm構(gòu)造深度下，剪切強(qiáng)度比0.4 mm時更高，而SBS瀝青在1.4 kg/m2灑布量下，隨構(gòu)造深度增加，灑布量相對不足，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。

2.3 實(shí)驗(yàn)溫度對鋪裝結(jié)構(gòu)抗剪穩(wěn)定性的影響

夏季橋面鋪裝層溫度很高，導(dǎo)致瀝青軟化從而降低層間粘結(jié)強(qiáng)度，產(chǎn)生推移、脫層、裂縫等病害；冬季由于溫縮作用，2種材料性質(zhì)不同的瀝青混合料和橋面板混凝土產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，導(dǎo)致粘結(jié)層發(fā)生脆性破壞[12]。因此，有必要研究不同溫度作用下，橋面鋪裝層間的抗剪穩(wěn)定性。

試驗(yàn)選擇剪切速率10 mm/min，SBS瀝青灑布量為1.4 kg/m2，混凝土板構(gòu)造深度為0.4 mm；橡膠瀝青灑布量為1.6 kg/m2，環(huán)氧瀝青灑布量為1.8 kg/m2，混凝土板構(gòu)造深度為0.8 mm，不同實(shí)驗(yàn)溫度對鋪裝結(jié)構(gòu)抗剪穩(wěn)定性的影響如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)溫度對層間抗剪強(qiáng)度的影響

瀝青是一種感溫性材料，溫度升高時由低溫玻璃態(tài)向常溫粘彈態(tài)并進(jìn)一步向高溫流動態(tài)轉(zhuǎn)變。由圖7可知，不同同步碎石封層的抗剪強(qiáng)度均隨溫度的升高而減小，瀝青的軟化使自身粘結(jié)強(qiáng)度降低，鋪裝結(jié)構(gòu)更易發(fā)生相對滑動。此外，由于瀝青變軟，粘連的級配碎石在剪切過程中易發(fā)生滾動，嵌擠摩擦作用降低，層間摩阻變小，也是導(dǎo)致抗剪穩(wěn)定性降低的原因。SBS瀝青和橡膠瀝青變化趨勢相近，但SBS瀝青相對橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度高，由于SBS改性劑在瀝青中網(wǎng)狀分布，增強(qiáng)了瀝青的內(nèi)聚力，抗熱變形能力更強(qiáng)。環(huán)氧瀝青由于環(huán)氧樹脂的固化作用，從根本上改變了其熱塑性特征，交聯(lián)固化的環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)使瀝青分子難以發(fā)生運(yùn)動，因此，環(huán)氧瀝青的抗剪強(qiáng)度更高，受溫度影響更小。

2.4 抗疲勞特性研究

橋面鋪裝病害現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，混凝土橋面鋪裝在行車荷載作用下容易產(chǎn)生的疲勞破壞形式即鋪裝層與調(diào)平層間粘結(jié)力喪失，出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。橋面板水泥混凝土和鋪裝層瀝青混合料2種材料性質(zhì)差異較大，兩者變形不協(xié)調(diào)時將產(chǎn)生較大的彎拉應(yīng)變，防水粘結(jié)層將這“一剛一柔”2種結(jié)構(gòu)層粘結(jié)形成整體，若其抵抗長周期拉拔作用能力不足，即產(chǎn)生推移、脫層、裂縫等病害[13]。

使用UTM-30多功能路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)?zāi)K，在實(shí)驗(yàn)溫度15℃，加載頻率10 Hz，采用恒應(yīng)變控制的連續(xù)偏正弦加載模式下，應(yīng)變水平分別為300×10-6、500×10-6、700×10-6，荷載作用50 000次，對小梁復(fù)合試件進(jìn)行疲勞作用，并對經(jīng)疲勞作用的小梁復(fù)合試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，鋪裝層抗剪強(qiáng)度衰減情況如圖8和表3所示。

圖8 不同瀝青粘結(jié)層復(fù)合件經(jīng)疲勞試驗(yàn)后抗剪強(qiáng)度衰減情況

表3 不同瀝青粘結(jié)層復(fù)合件經(jīng)疲勞試驗(yàn)后抗剪強(qiáng)度的保留率

由圖8和表3可知，粘結(jié)層復(fù)合件經(jīng)疲勞作用后，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的衰減。橡膠瀝青防水粘結(jié)層初始強(qiáng)度相對較低，經(jīng)疲勞作用后，強(qiáng)度衰減速率較慢，橡膠瀝青中廢胎膠粉顆粒賦予粘結(jié)層材料良好的彈性，能夠抵抗外界荷載保持良好的耐久性能。環(huán)氧瀝青在較低應(yīng)變水平下，強(qiáng)度衰減速率較慢，但在較高應(yīng)變水平下，其衰減速率明顯增加。環(huán)氧瀝青抗剪強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度高，在較低應(yīng)變水平下能夠牢固粘合復(fù)合件的結(jié)構(gòu)層，但在大應(yīng)變水平下，其韌性不足的弊端開始顯現(xiàn)。

3 結(jié)論

（1）不同瀝青同步碎石封層最佳灑布量及其對應(yīng)的適宜混凝土板構(gòu)造深度不同，即SBS瀝青同步碎石封層瀝青灑布量1.4 kg/m2，橋面混凝土板構(gòu)造深度0.4 mm；橡膠瀝青同步碎石封層瀝青灑布量1.6 kg/m2，橋面混凝土板構(gòu)造深度0.8 mm；環(huán)氧瀝青同步碎石封層瀝青灑布量1.8 kg/m2，橋面混凝土板構(gòu)造深度0.8 mm，上述情況下各粘結(jié)層表現(xiàn)出對應(yīng)的最佳抗剪穩(wěn)定性。

（2）粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度受外界溫度影響明顯，瀝青的軟化是造成抗剪強(qiáng)度降低的主要原因。環(huán)氧瀝青由于其熱固性特征，高溫作用下抗剪強(qiáng)度降低較緩，而熱塑性的SBS瀝青和橡膠瀝青則表現(xiàn)欠佳。

（3）瀝青鋪裝層和水泥混凝土復(fù)合小梁在四點(diǎn)彎曲疲勞作用下，一定程度上能體現(xiàn)周期荷載對粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度的影響，經(jīng)應(yīng)變水平作用后，不同粘結(jié)層材料抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低。