基于表面特性的瀝青混凝土橋面防水黏結層力學性能研究

趙作富

(廣州公路工程集團有限公司， 廣東 廣州 510075)

瀝青混凝土橋面的主要早期病害為車轍、剝落和裂縫，其中橋面防水黏結層鋪灑效果是決定剝落病害發(fā)生的主要原因，黏結力不足容易導致橋面鋪裝層發(fā)生水平方向相對位移導致剪切破壞，造成橋面瀝青層產生推移、擁包病害，進而導致橋面出現(xiàn)松散、剝落現(xiàn)象。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)水泥混凝土橋面鋪裝層間縱向剪應力及水平荷載對層間合成剪應力影響較大，橋面板的表面紋理構造決定防水黏結層的疲勞性能。室內剪切試驗結果顯示，低溫條件下瀝青結構層間黏結效果較優(yōu)，20 ℃時瀝青層間剪切強度大于60 ℃時強度，防水黏結層存在最佳使用量使其強度性能最高，增加瀝青混凝土鋪裝層厚度和模量有利于減小鋪裝結構的最大剪應力，進而減少橋面剪切破壞。但已有研究主要停留在定性分析層面，很少進行定量分析。本文通過試驗分析水泥混凝土橋面濕潤狀態(tài)和構造深度對防水黏結層性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 主要材料

防水黏結層采用改性乳化瀝青+SBS改性熱瀝青，噴灑厚度為1.5 mm；瀝青層采用厚度5 cm的中粒式改性瀝青混合料；橋面整體化層采用厚度5 cm C40水泥混凝土。

1.2 試驗方案

制作多組40 cm×40 cm×10 cm試件。試件為雙層結構，上層為5 cm厚中粒式改性瀝青混合料模擬橋面瀝青結構層，下層為5 cm厚C40水泥混凝土模擬橋面整體化層，兩結構層之間噴涂改性乳化瀝青，厚度1.5 mm。通過車轍板試驗成型試件，將試件切割為10 cm立方體試件進行拉拔試驗和斜剪試驗，分析結構間的黏結強度和抗剪強度。

完成水泥混凝土試件制備后，在不同濕度條件下噴涂防水黏結層及瀝青結構層，分別進行拉拔試驗和斜剪試驗，分析基面潮濕程度對防水黏結層抗拉和抗剪強度的影響。

水泥混凝土初凝后，用毛刷對其進行拉毛處理，恒溫養(yǎng)護后，在不同溫度下分別進行拉拔試驗和斜剪試驗，分析基面粗糙度對防水黏結層抗拉和抗剪強度的影響。

在水泥混凝土不同表面硬度條件下加鋪防水黏結層及瀝青結構層，分別進行拉拔試驗和斜剪試驗，分析基面表面硬度對防水黏結層抗拉和抗剪強度的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 表面含水狀況對防水黏結層黏結性能的影響

防水黏結層施工中，橋面應保持干燥。橋面潮濕，含水量過大，可能導致乳化瀝青破乳后水分不能完全蒸發(fā)，在致密的混凝土基面與瀝青層之間留存水膜，瀝青與混凝土界面不能較好地浸潤，使乳化瀝青的黏結力失效，最終導致結構層間黏結力損失，瀝青層出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

目前常用的基面含水狀況測定方法有：1) 目測判斷有無明顯的潮濕區(qū)域，若有，則不能施工。2) 在基面上放置紙張，固定使之不會飛起，放置4～5 h 后，若紙張稍微變濕，則不能施工。3) 在邊長為40 cm的正方形區(qū)域撒水泥粉，覆蓋紙張并固定，3～4 h后拆除紙張，若水泥粉固化或部分固化為較粗的粒子，則不能施工；若稍微變濕，但仍為粉末狀態(tài)，風吹時即飛揚，則可以施工。

根據(jù)上述方法，分別在潮濕、濕潤和干燥條件下成型試件，室溫養(yǎng)護后進行拉拔試驗和剪切試驗，測試結果見表1。

表1 表面含水狀況與防水黏結層層間黏結效果的關系

由表1可知：混凝土表面含水狀況對防水黏結層層間黏結效果有重要影響。混凝土表面潮濕時，層間黏結強度較低；混凝土表面干燥時，層間黏結效果較好。在鋪設防水黏結層前應判斷混凝土表面含水狀況，混凝土表面處于潮濕狀態(tài)時不能進行鋪設。

2.2 基面構造深度對防水黏結層黏結性能的影響

2.2.1 基面構造深度對防水黏結層抗剪強度的影響

試驗溫度為20 ℃和40 ℃時防水黏結層抗剪強度與構造深度的關系見表2、圖1。

表2 不同試驗溫度下防水黏結層層間抗剪強度

圖1 防水黏結層層間抗剪強度與構造深度的關系

瀝青層與混凝土基面間的剪切強度主要由材料間的機械咬合力和黏結材料的抗剪強度組成。根據(jù)黏結作用的機械咬合理論，瀝青黏結劑在浸潤混凝土基面的過程中會產生咬合力，混凝土基面的粗糙程度決定細微結構間的機械嵌擠、咬合力大小。黏結材料的抗剪強度由摩爾-庫倫理論決定。由圖1可知：1) 隨基面構造深度增大，剪切強度呈先增加后下降的趨勢，構造深度為0.9 mm時剪切強度達到峰值。粗糙程度決定機械咬合力大小，機械咬合力增加導致抗剪強度增加；同時構造深度增加導致浸潤面積增大，黏聚力增大，結構抗剪強度增加。混凝土基面構造深度達到0.9 mm時，機械咬合力達到最大值，黏聚力也因為材料自身的抗剪強度局限而不再增加，繼續(xù)增加橋面粗糙程度對提高結構抗剪強度影響不大。2) 試件溫度由20 ℃升高至40 ℃時，剪切強度折減至原來的1/5左右。這主要是由天然瀝青高溫穩(wěn)定性低的特性所致。高溫導致瀝青分子活躍，材料黏聚力降低，抗剪強度降低。高溫條件下，外力導致黏結材料內部先發(fā)生剪切破壞，導致抗剪強度不足。

2.2.2 基面構造深度對防水黏結層黏結力的影響

通過拉拔試驗研究水泥混凝土基面構造深度對防水黏結層黏結力的影響，拉拔速度為10 mm/min，試驗溫度分別為20 ℃和40 ℃，試驗結果見表3、圖2。

表3 不同試驗溫度下防水黏結層層間黏結強度

圖2 防水黏結層層間黏結強度與構造深度的關系

根據(jù)吸附理論，黏結劑與固體表面接觸浸潤的過程中界面分子間距縮小，分子間產生范德華力和氫鍵。黏結力主要來源于分子間力，即黏結層瀝青與水泥混凝土基面的潤濕程度是影響?zhàn)そY效果的主要因素。由圖2可知：水泥混凝土基層表面構造深度與防水黏結層的黏結性能相關性較大。隨基面構造深度增大，黏結強度呈拋物線變化，在基面構造深度為0.9 mm時達到峰值；黏結強度達到峰值后，隨構造深度增加，黏結強度不增反降。水泥混凝土基面構造深度增加，層間接觸面積增大，結構黏結強度增大；黏結強度達到峰值后，繼續(xù)增構造深度，基面微型溝槽過于細密，深度大，改性瀝青鋪灑時，微型溝槽底部難以被浸潤，存在氣體空腔殘留，因而浸潤面積難以進一步增加，導致結構黏結力達到極大值后不能進一步增大。

綜上，防水黏結層的抗剪強度和抗拉強度均隨著基面構造深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且不同溫度下的變化趨勢相同。構造深度為0.9 mm時，抗剪強度和黏結強度出現(xiàn)極大值。為保證施工效果，施工時，拉毛后構造深度應控制在0.9 mm左右。

2.3 現(xiàn)場原位試驗結果與分析

依托廣州白云機場第二高速公路瀝青混凝土橋面鋪裝工程進行原位試驗。試驗方案：中面層攤鋪后，在橋面進行鉆芯取樣，深度為達到水泥混凝土基面，鉆孔直徑10 cm，芯樣周圍與瀝青中面層脫離不取出(見圖3)，芯樣底面與橋面基層相連，將拉拔頭固定在芯樣頂面，現(xiàn)場進行拉拔試驗(見圖4)。瀝青攤鋪前再采用鋪砂法檢測橋面構造深度，并在防撞欄上作標記，瀝青攤鋪后在標記處進行原位拉拔試驗，記錄各點構造深度、拉拔抗力和拉拔破壞界面位置。

圖3 原位試驗鉆芯

圖4 拉拔試驗現(xiàn)場

2.3.1 首次試驗結果與分析

首次試驗在午后氣溫較高(橋面溫度為60 ℃)時進行，各里程樁號標記點處的構造深度及拉拔力對應數(shù)據(jù)見表4、圖5。

表4 瀝青中面層60 ℃結構芯樣拉拔抗力

圖5 瀝青中面層60 ℃黏結力

從表4、圖5可以看出：層間拉拔力與構造深度呈正相關關系，構造深度增加，拉拔力增大；拉拔力變化曲線與構造深度變化曲線的形態(tài)重合，與室內試驗結果相吻合。芯樣拉拔破壞界面分別位于黏結層與水泥混凝土基面交界面處和瀝青層內(見圖6、圖7)。

圖6 破壞面位于水泥混凝土基面交界面處

圖7 破壞面位于瀝青層內

構造深度為0.88 mm時，層間黏結強度最大，為0.044 MPa，芯樣斷裂發(fā)生在瀝青層內；構造深度大于1.2 mm或小于0.7 mm時，芯樣斷裂位置位于水泥混凝土基面交界面處。對比室內試驗(40 ℃)和原位試驗(60 ℃)的黏結強度應力數(shù)據(jù)，原位試驗黏結強度應力值損失較嚴重，證明溫度對防水黏結層影響較大，橋面防水黏結層施工工藝控制較重要。

2.3.2 第二次試驗結果與分析

第二次試驗在上午氣溫較低時進行，路面溫度為15 ℃，各里程樁號標記點處構造深度及拉拔力對應數(shù)據(jù)見表5、圖8。

表5 瀝青中面層15 ℃結構芯樣拉拔抗力

圖8 瀝青中面層15 ℃黏結力

由表5、圖8可知：拉拔力變化曲線與構造深度變化曲線的變化形態(tài)基本重合。層間拉拔強度應力值與室內試驗黏結強度應力值基本相當。芯樣斷裂位置全部位于防水黏結層與水泥混凝土基面交界面處，證明低溫條件下瀝青防水黏結層與瀝青結構層間的黏結力大于其與水泥混凝土基面的黏結強度，層間破壞易發(fā)生在防水黏結層與水泥混凝土基面之間。

2.4 基面表面硬度對防水黏結層黏結性能的影響

已有研究表明，混凝土7 d內的早期強度發(fā)展較快，其中低配筋率混凝土1 d內的強度即可達到設計強度的96%，3 d強度可達到設計強度的98%，7 d后強度增長有限。為分析基面表面硬度對防水黏結層黏結性能的影響，成型試件，根據(jù)回彈值在不同表面硬度狀況下加鋪瀝青結構層，分別進行拉拔試驗和剪切試驗，結果見圖9、圖10。

由圖9、圖10可知：防水黏結層的拉拔強度和抗剪強度隨著回彈值的增加呈線性增長，但回彈值≥30 MPa時拉拔強度和剪切強度增長速率明顯下降。水泥混凝土基面強度在30 MPa以下時，拉拔強度和剪切強度隨著回彈值的增加而顯著增長。這主要是因為水泥混凝土表面未完全水化形成一定的致密結構，立即加鋪上部瀝青結構層，混凝土表面微小空隙較多，加鋪會造成空隙擴大形成較多微小裂縫，降低拉拔強度和抗剪強度；水泥混凝土基面強度達到30 MPa以上時，混凝土表面形成致密結構，加鋪上部瀝青結構層對表面的影響較小，對拉拔強度和剪切強度的影響較小。綜上，上部瀝青混凝土結構層攤鋪前應確保水泥混凝土基面強度達到30 MPa以上。

圖9 表面硬度與拉拔強度的關系

圖10 表面硬度和45°斜剪強度的關系

3 結論

(1) 混凝土表面含水狀況對防水黏結層層間黏結效果有重要影響，混凝土表面潮濕時層間黏結強度較低，混凝土表面干燥時層間黏結效果較好。在鋪設防水黏結層前應判別混凝土表面含水狀況，混凝土表面處于潮濕狀態(tài)時不能進行鋪設。

(2) 橋面防水黏結層的抗剪強度和抗拉強度均隨著基面構造深度的增加呈先增加后減少的趨勢，且20 ℃和40 ℃條件下的變化趨勢相同，構造深度為0.9 mm時抗剪強度和黏結強度達到最大值。為保證施工效果，施工過程中拉毛后構造深度應控制在0.9 mm左右。

(3) 水泥混凝土基面強度小于30 MPa時，防水黏結層的拉拔強度和剪切強度隨著回彈值的增加而顯著增長；基面強度大于30 MPa時，防水黏結層的拉拔強度和抗剪強度增長速率下降。瀝青混凝土結構層攤鋪前應確保水泥混凝土基面強度達到30 MPa以上。