水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層層間抗剪切試驗(yàn)分析

吳宇婷

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

水泥混凝土橋面與瀝青層黏結(jié)性能不足時，易顯現(xiàn)出擁包、推移等病害，同時荷載、溫度等因素的共同作用，促進(jìn)了黏結(jié)層層間病害的發(fā)展，產(chǎn)生的裂縫給雨水的流動提供了通道，加劇混凝土橋面鋼筋的銹蝕程度，鋼筋受力性能被迫削弱，橋梁主體結(jié)構(gòu)受損。為有效避免層間剪切病害，需切實(shí)提高黏結(jié)層的性能，保證橋面與鋪裝層的穩(wěn)定結(jié)合，構(gòu)成完整可靠的整體，以防病害的出現(xiàn)以及雨水的下滲。為達(dá)到這個目的，有必要對水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層的層間抗剪切性能進(jìn)行試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握影響層間穩(wěn)定性的因素。

1 水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層層間穩(wěn)定性的重要性

橋面鋪裝層直接鋪筑在橋面板上，若處理不當(dāng)，易誘發(fā)各類病害，其中鋪裝層與橋面板的層間結(jié)合穩(wěn)定性不足則較為常見，原因在于層間黏結(jié)處較為薄弱，在層間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況下，影響到層間黏結(jié)部位的正常狀態(tài)，從而出現(xiàn)推移、擁包病害。

鋪裝層與橋面板間必須具有足夠的黏結(jié)力，若兩者的黏結(jié)能力有限，車輛通行時產(chǎn)生振動沖擊作用，導(dǎo)致鋪裝層與橋面板由原本完整的整體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蛛x結(jié)構(gòu)，會有不同程度的推移現(xiàn)象，此時橋面鋪裝層受損。此外，在層間黏結(jié)穩(wěn)定可靠時，兩層之間類似于層間連續(xù)狀態(tài)，承受剪切力，對于分擔(dān)面層的部分荷載壓力而言有重要的意義，由于受力合理，鋪裝層的耐久性才得到保證。

2 水泥混凝土橋面瀝青鋪裝病害的主要成因

（1）橋面層的施工質(zhì)量較差。施工單位在進(jìn)行水泥混凝土層的施工時，對表觀質(zhì)量的重視程度高于結(jié)構(gòu)質(zhì)量，高度注重橋面平整性，因此，在整平期間將擠出大量的浮漿，未關(guān)注到與上部瀝青鋪裝層的銜接問題，后續(xù)易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，且此類缺陷往往難以修復(fù)。針對該狀況，部分工程把整合整平、防水層鋪筑工作均納入瀝青路面鋪筑單位的工作范疇中，由其統(tǒng)籌兼顧，將各部分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定結(jié)合為完整的整體。

（2）橋面水泥混凝土板的平整度不足。在橋面混凝土尚未達(dá)到干燥狀態(tài)時便鋪筑防水黏結(jié)層，后續(xù)產(chǎn)生的水汽將影響到防水黏結(jié)層，導(dǎo)致該處有鼓包脫離現(xiàn)象。橋面瀝青混合料的殘余空隙率超6%～8%，密實(shí)度欠佳，車輛通過時將產(chǎn)生動水壓力，隨之損害鋪裝層。針對該狀況，需要保證橋面鋪裝厚度的有效性，而在混凝土板的施工中，有效清理浮漿，使其保持干燥，從而增強(qiáng)瀝青層與橋面板的黏結(jié)穩(wěn)定性，此時構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)可以協(xié)同受力。

3 層間剪切試驗(yàn)方法與原材料試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作

3.1.1 原材料的選取

以某高速公路橋梁項(xiàng)目為例，施工采用到GAC-22C型改性瀝青混合料，黏結(jié)層由高黏瀝青、SBS改性瀝青和環(huán)氧瀝青組成，碎石選用的是粒徑為4.75～9.5mm和2.36～4.75mm輝綠巖，同時制備C30水泥混凝土試件，以便做性能分析。

3.1.2 試驗(yàn)儀器的配套

（1）對稱層間剪切裝置。為使試件同時承受豎向荷載和水平荷載，同時也為了增強(qiáng)剪切試驗(yàn)的可靠性（避免試驗(yàn)偏離路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)），采用預(yù)壓對稱層間剪切裝置，通過此裝置的配套，更加客觀地評價(jià)層間抗剪切性能。

（2）其他試驗(yàn)設(shè)備。瀝青混合料的拌和在拌和機(jī)內(nèi)完成，因此采用拌和機(jī)；配套金剛石雙面鋸，作為切割裝置使用，制得合適規(guī)格的試件（含水泥混凝土試件、瀝青混合料試件兩類）；適配臺灣弘達(dá)萬能試驗(yàn)機(jī)，用于檢測黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度，操作人員根據(jù)試驗(yàn)要求合理控制加載速度和拉伸行程。

3.2 試驗(yàn)的基本思路

（1）在制作試件后，對其施加正壓力，而后做對稱層間剪切試驗(yàn)，用于模擬路面在荷載作用下的工況。

（2）向恒溫水浴箱內(nèi)放入試件，安排3h的養(yǎng)護(hù)，經(jīng)該預(yù)處理過程后，安排對稱層間剪切試驗(yàn)，且先施加正壓力，再進(jìn)行剪切試驗(yàn)。各試件的試驗(yàn)時間以5min以內(nèi)為宜，以免在長時間試驗(yàn)過程中溫度發(fā)生變化（這將對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響）。

3.3 對稱層間剪切試件的制備

以正交試驗(yàn)方案為準(zhǔn)，制備試件，用于對稱層間剪切試驗(yàn)。試件的制備思路為：拌和GAC-20C 瀝青混合料，制作尺寸為300mm×300mm×100mm 的試件；切割試塊，尺寸均按100mm×100mm×100mm 予以控制；按200mm×100mm×10mm 的尺寸切割水泥混凝土試塊；按0.3kg/m2的用量于瀝青混合料表面撒鋪黏結(jié)料，進(jìn)而繼續(xù)撒布輝綠巖細(xì)集料碎石，直至覆蓋表面70%為止。

3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探討?zhàn)そY(jié)層抗剪切性能的關(guān)鍵影響因素，結(jié)合工程實(shí)際，考慮施工材料、施工工藝、路面交通量荷載、氣候條件等多項(xiàng)影響因素，最終選取防水黏結(jié)層的材料、碎石粒徑、對試件施加的正壓力、試驗(yàn)溫度等4 項(xiàng)條件（見表1）進(jìn)行正交試驗(yàn)，來驗(yàn)證施工工藝對抗剪切性能的影響情況。

表1 層間剪切試驗(yàn)條件

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 各因素對層間抗剪切性能的影響

在確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，基于正交理論加以處理，并生成分析結(jié)果，如表2所示。

表2 層間剪切正交試驗(yàn)分析結(jié)果

結(jié)合表2中數(shù)據(jù)展開分析，確定各項(xiàng)影響因素對層間剪切強(qiáng)度的作用程度，由強(qiáng)到弱依次為：試驗(yàn)溫度＞黏結(jié)料類型＞預(yù)加正壓力＞撒布碎石粒徑。各項(xiàng)影響因素水平變化也會在一定程度上影響層間剪切強(qiáng)度，為探明具體的關(guān)系并確定最具可行性的組合方案，此處進(jìn)行進(jìn)一步的分析，繪制出層間剪切強(qiáng)度的正交點(diǎn)圖，具體如圖1所示。

圖1 層間剪切強(qiáng)度正交點(diǎn)圖分析

根據(jù)圖1可知，黏結(jié)層施工采用的是環(huán)氧瀝青時，有助于提高層間抗剪強(qiáng)度，高黏瀝青的應(yīng)用效果次之，排于末位的是改性瀝青。若將高黏瀝青作為黏結(jié)料進(jìn)行使用，其具備較高的剪切強(qiáng)度，通常達(dá)到SBS 改性瀝青的1.5倍；而環(huán)氧瀝青的該值約為SBS改性瀝青的3倍，但需注意的是，SBS改性瀝青具有成本較低的突出特點(diǎn)，因此從性價(jià)比的角度來看，以SBS改性瀝青最佳。

從層間剪切強(qiáng)度的角度來看，采用4.75～9.5mm 輝綠巖碎石時具有最高的層間剪切強(qiáng)度。在試驗(yàn)中，壓力從0.5MPa 有序增至0.9MPa，層間剪切強(qiáng)度有增加的變化趨勢，但隨著正壓力的持續(xù)增加，該變化趨勢減弱。試驗(yàn)溫度發(fā)生變化后，層間剪切強(qiáng)度也有明顯的變化，且此類變化主要發(fā)生在5～40℃的溫度區(qū)間內(nèi)，具有隨試驗(yàn)溫度增加，層間剪切強(qiáng)度降低的變化趨勢。在本次分析中，在40℃的試驗(yàn)溫度條件下，測定的防水黏結(jié)層的平均抗剪強(qiáng)度為0.88MPa，明顯超過規(guī)范的0.3MPa（試驗(yàn)溫度為35℃時），因此認(rèn)為在黏結(jié)層溫度大于40℃時，黏結(jié)層仍具有較高的抗剪強(qiáng)度。

4.2 各因素對層間抗剪切性能的交互影響

在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，繪制因素交互作用圖，如圖2所示，前述提及的四項(xiàng)影響因素作為橫坐標(biāo)，層間剪切強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，結(jié)合圖中內(nèi)容展開分析，得出如下結(jié)論：

圖2 層間剪切強(qiáng)度交互作用圖

（1）將環(huán)氧瀝青作為黏結(jié)料時，層間剪切強(qiáng)度普遍高于其他兩種瀝青材料（4.75～9.5mm 碎石撒布、0.5MPa正壓應(yīng)力除外），而此項(xiàng)結(jié)論也與前述“環(huán)氧瀝青作為黏結(jié)料時層間剪切強(qiáng)度最大”相吻合。

（2）對于4.75～9.5mm碎石撒布的試件，正壓力水平和試驗(yàn)溫度水平雖然會對層間剪切強(qiáng)度造成影響，但程度輕微。

（3）在低溫的環(huán)境中，若施加0.5MPa正應(yīng)力，此條件下的層間剪切強(qiáng)度偏低。

立足于本次研究結(jié)果，最終確定橋面黏結(jié)層的施工方案，具體要點(diǎn)有：

（1）橋面防水黏結(jié)層的施工條件，一方面需確保橋面板的溫度在5℃以上，另一方面則需確保橋面表面質(zhì)量達(dá)到要求。

（2）在黏結(jié)層的施工中，材料可選擇SBS 改性熱瀝青，原因在于此類材料的性價(jià)比較高。

（3）在應(yīng)用SBS改性熱瀝青后，于上方撒布5～10mm的碎石。

（4）在經(jīng)過碎石的撒布作業(yè)后，安排黏結(jié)層的碾壓處理，設(shè)備可選擇膠輪壓路機(jī)，在經(jīng)過碾壓后，SBS改性熱瀝青上升并裹覆碎石表面，材料的結(jié)合效果較好，碎石與橋面板有較高的黏結(jié)度。

需要說明的是，層間剪切試驗(yàn)中，為有效減小試驗(yàn)誤差，盡可能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，共組織5次重復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)后，確定試驗(yàn)組合測試的5個破壞剪切應(yīng)力值。為更為直觀地分析試驗(yàn)組合的破壞剪切應(yīng)力結(jié)果，分析中采用的是破壞剪切應(yīng)力的平均值。

5 結(jié)束語

綜上所述，綜合應(yīng)用正交思路和極差分析方法，經(jīng)過質(zhì)量、成本多角度的對比分析后，確定最為合適的方案為：碎石撒布材料選用4.75～9.5mm輝綠巖碎石，預(yù)加正壓力取0.7MPa，試驗(yàn)溫度5℃。經(jīng)過比選后，認(rèn)為黏結(jié)料宜采用SBS改性熱瀝青，能夠同時兼顧質(zhì)量和成本的雙重要求，具有較高的性價(jià)比；對于撒布瀝青混合料考慮的是5～10mm的碎石，且為了全面保證施工質(zhì)量，還配套膠輪壓路機(jī)，完成對碎石的碾壓處理，減小碎石的空隙，增加密實(shí)性，最終取得良好的施工效果。