混凝土橋面板構(gòu)造深度對鋪裝層間性能的影響

趙正峰， 張瑞杰， 戴蘇春， 常迅夫

(1.洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心 洛界高速公路管理處，河南 洛陽 471000；2.洛陽市交通工程質(zhì)量鑒定站，河南 洛陽 471000；3.洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心 養(yǎng)護(hù)科，河南 洛陽 471000；4.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

近年來，交通運輸行業(yè)加快建設(shè)交通強國目標(biāo)，中國中西部地區(qū)的基建投資景氣度較高，橋跨結(jié)構(gòu)在路網(wǎng)全線的占比越來越高。2020年末，全國公路橋梁達(dá)91.28萬座，橋梁里程達(dá)6 628.55萬延米，比上年末分別增加3.45萬座和565.1萬延米，橋梁里程占公路里程比例逐年提高[1]。

我國公路橋梁多為水泥混凝土橋梁，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)由瀝青鋪裝層、防水黏結(jié)層和水泥混凝土橋面板組成。根據(jù)對多條高速公路早期破壞狀況的調(diào)查可知，橋面面層早期損壞常見病害形式有推移、松散、泛白等，究其原因在于混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層之間的接觸狀態(tài)不佳[2]，層間結(jié)構(gòu)作為橋面鋪裝的薄弱區(qū)域，對鋪裝層間穩(wěn)定性具有重要影響。研究人員通過拉毛、刻槽、噴砂等方式對室內(nèi)制備的混凝土板進(jìn)行表面處理，或通過鑿毛、拋丸、銑刨等方式對混凝土橋面進(jìn)行粗糙化處理，研究混凝土板表面狀態(tài)對橋面鋪裝層間性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過采用性能優(yōu)異的防水黏結(jié)層材料，提高混凝土橋面板的粗糙度或構(gòu)造深度能夠提高橋面板與瀝青鋪裝層之間的抗剪強度[3-5]。然而，上述研究先通過相應(yīng)工藝處理混凝土表面，再進(jìn)行試驗表征來評估表面構(gòu)造狀態(tài)的影響規(guī)律，不具有人為可控性，如果能夠通過前置量化處理工藝，制備定量構(gòu)造深度的混凝土板，再進(jìn)行相關(guān)試驗，能更有效地發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的變化規(guī)律。

通過模具成型法對混凝土板表面構(gòu)造深度量化模擬，研究了不同表面構(gòu)造深度對橋面鋪裝層間抗拉拔強度、抗剪切強度、層間橫向滲水和抗疲勞特性的影響規(guī)律，為橋面鋪裝調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度量化控制提供一定依據(jù)。

1 試驗材料

結(jié)合河南省混凝土橋常見鋪裝形式，進(jìn)行相關(guān)試件的制備和材料選取。橋面鋪裝下面層為AC-20瀝青混合料，防水黏結(jié)層選擇熱噴SBS改性瀝青同步碎石封層、水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青，調(diào)平層為C40水泥混凝土，調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度設(shè)置為0、0.4、0.8、1.2 mm。

1.1 瀝青鋪裝層

橋面瀝青鋪裝層為AC-20瀝青混合料，油石比為4.2，各檔碎石級配及混合料合成級配如表1所示。

表1 AC-20瀝青混合料配合比 %

1.2 調(diào)平層混凝土

C40水泥混凝土，水泥為P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，配合比為水∶水泥∶砂∶碎石=0.4∶1∶2.21∶2.71，聚羧酸減水劑摻量為0.5%。水泥指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥性能指標(biāo)

1.3 防水黏結(jié)層

防水黏結(jié)層所用材料滿足《路橋用水性瀝青基防水涂料》(JT/T 535—2015)、《道橋用防水涂料》(JC/T 975—2005)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。SBS改性瀝青灑布量為1.4 kg/m2，水性環(huán)氧瀝青灑布量為1.0 kg/m2，高黏乳化瀝青灑布量為0.8 kg/m2，灑布效果如圖1所示，材料性能指標(biāo)如表3～表5所示。

圖1 3種防水黏結(jié)層材料灑布效果

表3 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

表4 水性環(huán)氧瀝青性能指標(biāo)

表5 高黏乳化瀝青性能指標(biāo)

2 表面構(gòu)造量化處理

在30 cm×30 cm車轍板模具中傾入融化的石蠟，待自然冷卻硬化后脫模，用鋼刷在蠟板表面拉毛處理，根據(jù)相關(guān)規(guī)范方法測其表面構(gòu)造深度[6]。通過不斷拉毛、測試、修正，使蠟板表面構(gòu)造深度滿足方案需求。將已知構(gòu)造深度的蠟板重新放入車轍板模具中，調(diào)制環(huán)氧樹脂注入裝有蠟板的車轍板模具中，待完全固化后脫模如圖2(a)所示。將特定構(gòu)造深度的環(huán)氧樹脂模板置入車轍板模具中，澆筑C40混凝土，養(yǎng)護(hù)7 d后脫模，即可得到與蠟板表面構(gòu)造相同的水泥混凝土板，如圖2(b)所示，混凝土養(yǎng)生30 d備用。

通過上述步驟，即可實現(xiàn)調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度的量化處理，得到特定構(gòu)造深度的混凝土板。在混凝土板表面涂布防水黏結(jié)層材料，置入車轍板模具，并攤鋪AC-20瀝青混合料，經(jīng)壓實、切割，即可得到不同層間結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件，如圖2(c)所示。

圖2 表面構(gòu)造深度量化處理過程

3 結(jié)果與討論

3.1 構(gòu)造深度對Pull-off強度的影響

瀝青鋪裝層與混凝土橋面板兩者材料和性質(zhì)差異較大，為保證橋梁上部結(jié)構(gòu)的良好協(xié)同變形能力，使一剛一柔兩結(jié)構(gòu)層形成整體受力，防水黏結(jié)層需具有良好的黏結(jié)性能[7-8]。Pull-off拉拔試驗通過施加拉拔力測量發(fā)生破壞時的拉應(yīng)力值，定量地表征界面黏結(jié)強度，拉拔試驗示意圖如圖3所示，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖3 Pull-off黏結(jié)強度測試

圖4 拉拔強度與構(gòu)造深度的關(guān)系

由圖4對比發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)造深度對防水黏結(jié)材料的拉拔強度大致產(chǎn)生2種變化規(guī)律。以熱熔型SBS改性瀝青為例，隨著構(gòu)造深度的增加，拉拔強度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。隨著混凝土表面粗糙度增加，黏結(jié)界面由單一的平面向波紋狀粗糙界面過渡，層間黏結(jié)面積相對增加，黏結(jié)強度增大。隨著構(gòu)造繼續(xù)增大，黏結(jié)材料集中分布于構(gòu)造凹槽內(nèi)，層間未形成均勻連續(xù)涂膜，使整體黏結(jié)強度降低。

以冷施工型水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青為例，隨構(gòu)造深度增加，拉拔強度呈遞減趨勢。在0 mm構(gòu)造深度下，兩者拉拔強度高于熱熔SBS瀝青，主要是由于常溫下具有良好的流動性和滲透性，能夠滲入基層表面開孔和連通孔，經(jīng)破乳固化后，在黏結(jié)表面形成類似于鉚釘?shù)男Ч?。由于兩者灑布量較小，隨著構(gòu)造深度增大，流動狀態(tài)的黏結(jié)材料更易集中堆積在表面構(gòu)造凹槽及縫隙內(nèi)，在層間無法形成連續(xù)的薄膜，上下基面黏結(jié)面積及效果不佳，導(dǎo)致拉拔強度持續(xù)降低。

3.2 構(gòu)造深度對剪切性能的影響

相關(guān)研究表明，橋面調(diào)平層表面構(gòu)造使橋面板與瀝青鋪裝層具有良好的嵌擠作用，表面構(gòu)造紋理提供的層間摩擦阻力是影響橋面鋪裝抗剪穩(wěn)定性的重要因素[9-10]。行車荷載作用會對橋面鋪裝產(chǎn)生剪切應(yīng)力，若抗剪穩(wěn)定性不足，則會沿行車方向產(chǎn)生推移、裂縫等病害，如圖5所示。為研究構(gòu)造深度對鋪裝層間剪切強度的影響，對不同層間結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件進(jìn)行剪切試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖5 剪切病害形成示意圖

圖6 剪切強度與構(gòu)造深度的關(guān)系

由圖6可知，在調(diào)平層構(gòu)造深度為0 mm的情況下，水性環(huán)氧瀝青的抗剪強度最大為1.33 MPa，其他2種防水黏結(jié)層抗剪強度較低。0 mm構(gòu)造深度下，抗剪強度主要由黏結(jié)層材料自身內(nèi)聚強度提供，水性環(huán)氧瀝青固化后內(nèi)部形成熱固性交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此抗剪切強度高。

隨著粗糙度增加，碎石嵌入混凝土構(gòu)造凹槽，起到增強層間摩阻的作用，層間抗剪穩(wěn)定性提高。繼續(xù)增大表面構(gòu)造，黏結(jié)材料無法形成連續(xù)薄膜，破壞黏結(jié)層涂料整體性。此外，構(gòu)造深度增加使混凝土表面波形梳齒狀構(gòu)造過薄，抗剪強度降低，在剪切荷載作用時，自身發(fā)生破壞導(dǎo)致摩阻和嵌鎖效果變差。根據(jù)試驗結(jié)果，對抗剪強度指標(biāo)而言，橋面板表面構(gòu)造深度不宜過高，以0.8 mm為宜。

3.3 構(gòu)造深度對層間滲水的影響

在橋面鋪裝服役過程中，壓實的瀝青鋪裝層能夠有效阻止水分下滲，鋪裝層水損病害多是由于水分在層間橫向遷移導(dǎo)致，行車荷載作用下產(chǎn)生的動水沖刷引起橋面鋪裝出現(xiàn)松散、泛白等早期病害[11-12]。常規(guī)垂直滲水試驗無法真實反映滲水對橋面鋪裝層間性能的影響，使用層間橫向滲水裝置研究構(gòu)造深度對鋪裝層層間滲水性能的影響，橫向滲水示意圖如圖7所示，構(gòu)造深度對層間橫向滲水程度的影響結(jié)果如圖8所示。

圖7 層間橫向滲水示意圖

圖8 層間橫向滲水與構(gòu)造深度關(guān)系

由圖8可知，隨著調(diào)平層表面構(gòu)造深度增大，層間橫向滲水系數(shù)存在增大趨勢。SBS改性瀝青灑布量較多，受到熱瀝青混合料碾壓后會熔融流動，充分黏結(jié)瀝青層與調(diào)平層，封閉層間連通空隙，在一定構(gòu)造深度下基本不存在層間滲水。但隨著構(gòu)造深度的增加，防水黏結(jié)材料在一定的灑布量情況下，層間滲水通道增加，導(dǎo)致層間出現(xiàn)橫向滲水。構(gòu)造深度相同，水性環(huán)氧瀝青與高黏乳化瀝青的層間橫向滲水表現(xiàn)不佳，較少的灑布量導(dǎo)致橋面鋪裝2層結(jié)構(gòu)未充分黏結(jié)，存在較多連通空隙，層間橫向滲水系數(shù)較大。因此，在構(gòu)造深度一定的情況下，適當(dāng)增大防水黏結(jié)材料灑布量能夠封閉層間橫向滲水通道，減少橫向滲水的發(fā)生。

3.4 構(gòu)造深度對疲勞特性的影響

混凝土橋面鋪裝在行車荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞破壞，即鋪裝層與調(diào)平層間黏結(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，橋面鋪裝在長周期疲勞作用下，容易產(chǎn)生推移、脫層、裂縫等病害[13-14]。使用UTM-30多功能路面材料動態(tài)測試系統(tǒng)及四點彎曲疲勞試驗?zāi)K，對小梁復(fù)合試件進(jìn)行5萬次疲勞作用，復(fù)合試件疲勞特性如圖9所示。

圖9 不同防水黏結(jié)層復(fù)合試件疲勞特性

由圖9可知，隨著周期荷載作用次數(shù)的增加，鋪裝層復(fù)合試件彎曲勁度模量逐漸降低，表明復(fù)合試件的耐疲勞壽命逐漸降低。在交變荷載作用下，試件內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生和發(fā)展，導(dǎo)致整體受力特性衰減，最終發(fā)生疲勞破壞。對于相同防水黏結(jié)層復(fù)合試件，構(gòu)造深度增加，彎曲進(jìn)度模量衰減越快，殘余彎曲勁度模量減少，表明構(gòu)造深度對鋪裝層復(fù)合試件耐疲勞壽命具有不利影響。構(gòu)造深度增加，復(fù)合試件內(nèi)部缺陷增多，在荷載作用下，加速試件的疲勞破壞。

切割經(jīng)疲勞作用的小梁復(fù)合試件，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行抗剪強度測試，評價經(jīng)疲勞作用后，殘余抗剪強度與構(gòu)造深度的關(guān)系，結(jié)果如圖10所示。

圖10 殘余抗剪強度與構(gòu)造深度的關(guān)系

由圖10可知，黏結(jié)層復(fù)合件經(jīng)疲勞作用后，隨著構(gòu)造深度的增加，同一防水黏結(jié)層的衰減程度增大。其中，SBS改性瀝青抗剪強度依次衰減5.6%、9.9%、14.0%、19.6%；水性環(huán)氧瀝青抗剪強度依次衰減14.3%、19.6%、25.0%、42.0%；高黏乳化瀝青依次衰減10.4%、18.7%、21.6%、45.2%。在防水黏結(jié)材料用量一定的情況下，構(gòu)造深度增加，使單位面積黏附的防水黏結(jié)層減少，導(dǎo)致層間柔性協(xié)調(diào)能力變低，抗疲勞性能降低。此外，彎曲振動作用導(dǎo)致混凝土板表面構(gòu)造梳齒破損，進(jìn)而導(dǎo)致嵌鎖作用降低，抗剪強度衰減。

SBS改性瀝青防水黏結(jié)層初始強度相對較低，經(jīng)疲勞作用后，強度衰減速率較慢，是由于SBS改性瀝青灑布量較高，且熱塑性彈性體聚合物賦予材料良好的彈塑性和耐久性。高黏改性乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青灑布量相對較少，且水性環(huán)氧固化后抗撓曲變形能力減弱，抗疲勞性能降低較快。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)造深度對拉拔黏結(jié)強度的影響需考慮黏結(jié)層材料類型：灑布量較多的熱熔型瀝青，構(gòu)造深度適當(dāng)增加有利于提高其黏結(jié)強度；灑布量較少的冷施工型瀝青，不適于較大的橋面板構(gòu)造深度。

(2)構(gòu)造深度增大對鋪裝層間抗剪強度具有積極的影響。表面構(gòu)造深度為0.8 mm，提供的層間摩阻能夠保證鋪裝層間具有良好的抗剪切性能，但過大的構(gòu)造深度會造成混凝土表面強度降低，進(jìn)而對抗剪強度產(chǎn)生不利影響。

(3)構(gòu)造深度增大導(dǎo)致層間橫向滲水系數(shù)增加，鋪裝層間具有較多連通孔隙，會對層間穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在調(diào)平層表面構(gòu)造深度確定的情況下，宜增加黏結(jié)材料的灑布量，可減少層間滲水通道的產(chǎn)生。

(4)由于橋梁的使用特性，橋面鋪裝受典型高周期疲勞荷載作用，易產(chǎn)生疲勞破壞，經(jīng)疲勞試驗作用后，鋪裝層間抗剪強度降低，且構(gòu)造深度越大，衰減程度越大。3種防水黏結(jié)材料中，熱塑性彈性體SBS改性的瀝青材料受周期荷載作用后，抗剪強度衰減較慢，具有較好的耐疲勞特性。

(5)綜合考慮構(gòu)造深度對上述指標(biāo)的影響及實際施工需求，在構(gòu)造深度為0.8 mm的情況下，灑布量較多的熱熔型SBS改性瀝青材料能夠兼顧各指標(biāo)的平衡，表現(xiàn)出較好的適用性。