不同溫度條件下防水粘結(jié)層材料各粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)性分析

焦偉立, 李 豪, 郭天帥, 管玉見, 位可可

(1.河南省濮新高速公路建設(shè)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457300；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)

在混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中，防水粘結(jié)層是將混凝土橋面板和瀝青混合料面層粘結(jié)成一個(gè)整體的重要組成[1-2]。防水粘結(jié)層粘結(jié)性能不足會(huì)導(dǎo)致路面裂縫、網(wǎng)裂和瀝青面層整體推移等早期病害[3-9]，因此，需要對(duì)防水粘結(jié)層粘結(jié)性能進(jìn)行檢測(cè)。目前橋面鋪裝防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)量方法主要有2類[10]：①?gòu)?fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度測(cè)試。完成混合料面層攤鋪的橋面鋪裝層進(jìn)行鉆孔取樣，或者室內(nèi)成型復(fù)合件，利用拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行復(fù)合件拉拔或剪切強(qiáng)度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果雖然精確，但結(jié)果較慢，影響后續(xù)施工進(jìn)度。②附著力粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。在噴灑完成的防水粘結(jié)層上，用高強(qiáng)度粘結(jié)劑將拉拔塊直接粘結(jié)在上面，養(yǎng)護(hù)完成后，沿拉拔塊邊緣用刀切割一圈至混凝土橋面板，方法簡(jiǎn)便、迅速，但測(cè)試的是混凝土橋面板與拉拔塊之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并不能真實(shí)反映防水粘結(jié)層的粘結(jié)強(qiáng)度。更重要的是目前常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法均在特定溫度下測(cè)試，未考慮環(huán)境溫度的影響，無法做到真正意義的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

附著力拉拔強(qiáng)度是防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度常用的指標(biāo)。根據(jù)混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)及橋面受荷狀態(tài)，復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度更能準(zhǔn)確表征層間粘結(jié)強(qiáng)度，并且絕大部分標(biāo)準(zhǔn)和防水粘結(jié)層材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的規(guī)定同樣采用標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度值。

依托高速公路實(shí)際工程，依據(jù)不同粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)，開發(fā)出一套迅速、可靠、能適應(yīng)不同環(huán)境的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法，測(cè)出環(huán)境溫度下的附著力拉拔強(qiáng)度，通過一定方法轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度值。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選取封層類和涂膜類2種防水粘結(jié)層類型，其中封層類包含橡膠瀝青同步碎石封層和SBS改性瀝青同步碎石封層，碎石選用4.75～9.5 mm單粒徑碎石，碎石覆蓋率為60%；涂膜類包含高粘改性乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青；橡膠瀝青、SBS改性瀝青、高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青均為施工現(xiàn)場(chǎng)常用的防水粘結(jié)層材料，技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范。

1.2 測(cè)試方法

粘結(jié)強(qiáng)度主要分為附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和復(fù)合件剪切強(qiáng)度，附著力拉拔強(qiáng)度按《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》(GB/T 16777—2008)，復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和復(fù)合件剪切強(qiáng)度按《道橋用防水涂料》(JCT 975—2005)進(jìn)行不同溫度下的試件成型和測(cè)試，如圖1所示。其中，附著力拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)采用的強(qiáng)度拉拔儀可同時(shí)用于室內(nèi)和室外測(cè)量。

圖1 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法

1.3 結(jié)果判斷方法

為保證人為干擾降至最低，每種粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法使用同一種儀器，試驗(yàn)結(jié)束后仔細(xì)觀察斷裂面產(chǎn)生的位置，斷裂面可能出現(xiàn)在拉頭處、鋪裝層內(nèi)、膠粘劑、防水粘結(jié)層等部位，同時(shí)記錄斷裂面占整個(gè)試驗(yàn)面積的比例，綜合判斷檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

檢測(cè)值作為測(cè)試材料粘結(jié)強(qiáng)度的判斷為：①附著力拉拔強(qiáng)度，混凝土板與拉拔塊表面均殘留有粘結(jié)材料，斷裂面出現(xiàn)在防水粘結(jié)層內(nèi)部，同時(shí)混凝土板與瀝青之間以及拉拔塊與粘結(jié)劑之間等均未出現(xiàn)斷裂面；②復(fù)合件拉拔強(qiáng)度，混凝土板殘留有粘結(jié)材料，混合料塊完整存在，斷裂面出現(xiàn)在防水粘結(jié)層界面，混凝土板和混合料塊拉拔塊之間的粘結(jié)劑未出現(xiàn)斷裂面；③復(fù)合件剪切強(qiáng)度，混合料塊完整存在，剪切面出現(xiàn)在防水粘結(jié)層界面，如圖2所示，每種測(cè)試材料有效平行值不少于6個(gè)。

圖2 不同試驗(yàn)方法合格判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)換算

為減少試驗(yàn)參數(shù)干擾，所有試驗(yàn)混凝土板均使用路面常用的0.8 mm構(gòu)造深度，瀝青用量為0.8 mm構(gòu)造深度下的最佳瀝青噴灑量，根據(jù)前期試驗(yàn)確定標(biāo)準(zhǔn)條件下橡膠瀝青、SBS改性瀝青、高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青的最佳瀝青噴灑量分別為1.4、1.4、1.0、1.0 kg/m2。

2.1 防水粘結(jié)層層間強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試

以上述參數(shù)條件下成型試件，進(jìn)行溫度區(qū)間為5～45 ℃、間隔為5 ℃不同溫度的附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和復(fù)合件剪切強(qiáng)度等粘結(jié)性能試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同材料的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，隨著溫度逐漸升高，不同材料粘結(jié)強(qiáng)度急劇下降，溫度超過45 ℃以后，不同類型的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果均降至0.10 MPa以下，基本失去粘結(jié)性能，不再給予考慮。

2.2 各強(qiáng)度指標(biāo)之間關(guān)系的構(gòu)建

2.2.1 復(fù)合件拉拔強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度計(jì)算模型

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比不同材料相同溫度下復(fù)合件拉拔強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖3所示。利用Origin選擇不同的擬合模型對(duì)橡膠瀝青、SBS改性瀝青、高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青4種不同瀝青材料復(fù)合件拉拔強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度計(jì)算模型進(jìn)行擬合，利用相關(guān)系數(shù)R2選擇精確度最高、相關(guān)性最好的擬合計(jì)算模型，不同瀝青材料復(fù)合件拉拔強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度計(jì)算模型為

y=0.008 1x2+0.662 3x-0.032 1R2=0.984 3

(1)

圖3 復(fù)合件拉拔強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度的強(qiáng)度擬合結(jié)果

y=0.619 3x2+0.277 0x+0.006 6R2=0.997 8

(2)

y=1.395 7+0.525 3ln(x+0.024 1)R2=0.992 9

(3)

y=1.217 3+0.457 4ln(x+0.026 0)R2=0.990 2

(4)

式中,y為復(fù)合件拉拔強(qiáng)度；x為附著力拉拔強(qiáng)度。

由以上擬合結(jié)果可知，2類防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔強(qiáng)度隨附著力拉拔強(qiáng)度的變化情況呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，其中封層類防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系，涂膜類防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。究其原因，在于與涂膜類防水粘結(jié)層相比，碎石的撒布降低了封層類防水粘結(jié)層結(jié)合料與瀝青鋪裝層結(jié)合料之間的有效粘結(jié)面積，而在計(jì)算復(fù)合件拉拔強(qiáng)度時(shí)并未考慮碎石對(duì)粘結(jié)面積的影響，最終導(dǎo)致2類防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同的擬合結(jié)果。

2.2.2 復(fù)合件剪切強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度計(jì)算模型

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比不同材料相同溫度下復(fù)合件剪切強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖4所示。利用Origin擬合出的橡膠瀝青、SBS改性瀝青、高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青4種不同瀝青材料復(fù)合件剪切強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度計(jì)算模型為

y=0.243 1x2+0.726 5x-0.157 0R2=0.997 5

(5)

圖4 復(fù)合件剪切強(qiáng)度-附著力拉拔強(qiáng)度的強(qiáng)度擬合結(jié)果

y=0.702 6x2+0.538 8x+0.219 5R2=0.998 2

(6)

y=2.461 3+0.756 2ln(x+0.000 1)R2=0.987 0

(7)

y=2.569 5+0.827 7ln(x+0.018 7)R2=0.986 8

(8)

式中,y為復(fù)合件剪切強(qiáng)度；x為附著力拉拔強(qiáng)度。

由以上擬合結(jié)果可知，2類防水粘結(jié)層復(fù)合件剪切強(qiáng)度隨附著力拉拔強(qiáng)度的變化情況同樣呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，其中封層類防水粘結(jié)層復(fù)合件剪切強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系，涂膜類防水粘結(jié)層復(fù)合件剪切強(qiáng)度與附著力拉拔強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，這同樣與碎石的撒布改變了封層類防水粘結(jié)層結(jié)合料與瀝青鋪裝層結(jié)合料之間的有效粘結(jié)面積有關(guān)。

2.3 各強(qiáng)度指標(biāo)之間關(guān)系的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各強(qiáng)度指標(biāo)之間關(guān)系的合理性，根據(jù)附著力拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，利用擬合式(1)～式(8)計(jì)算不同溫度下的復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和復(fù)合件剪切強(qiáng)度。依托工程白天地表溫度大部分處于10～40 ℃之間，選擇每隔10 ℃形成一定的梯度，除去標(biāo)準(zhǔn)條件溫度(20 ℃)，即將10、30、40 ℃作為指標(biāo)驗(yàn)證溫度，進(jìn)而研究驗(yàn)證各強(qiáng)度指標(biāo)之間關(guān)系。為提高驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性，指標(biāo)驗(yàn)證溫度不參與擬合計(jì)算，10、30、40 ℃下的復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果的比較

由表2可知，除40 ℃下，橡膠瀝青和SBS改性瀝青的復(fù)合件拉拔強(qiáng)度相對(duì)誤差較大外，其余強(qiáng)度值偏差均小于5%，該回歸計(jì)算公式是合理的。式(1)～式(8)可用作附著力拉拔強(qiáng)度對(duì)復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的強(qiáng)度指標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3 粘結(jié)強(qiáng)度不同溫度修正

3.1 溫度修正系數(shù)

將試件表面20 ℃下粘結(jié)強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，以某一溫度下粘結(jié)強(qiáng)度作分母，20 ℃下的粘結(jié)強(qiáng)度作為分子，見式(9)～式(11)，計(jì)算得到該溫度下的溫度修正系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

(9)

(10)

(11)

表3 不同溫度的溫度修正系數(shù)K

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在5～40 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，相同溫度和強(qiáng)度指標(biāo)下，作為熱瀝青碎石封層的橡膠瀝青和SBS改性瀝青的溫度修正系數(shù)K較接近；同樣作為水性材料的高粘改性乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青在5～40 ℃溫度區(qū)間，相同強(qiáng)度指標(biāo)下的溫度修正系數(shù)K也具有較高一致性，并且隨著溫度升高修正系數(shù)差異逐漸增大。

3.2 溫度修正模型

根據(jù)計(jì)算得到不同溫度下的溫度修正系數(shù)，建立溫度修正模型，如式(12)所示。除粘結(jié)強(qiáng)度較低的情況外，將不同溫度下測(cè)試得到的防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度修正為20 ℃下的標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度，使得設(shè)計(jì)、施工的檢測(cè)結(jié)果具備可比性。

P20=Ki×PT

(12)

式中,P20為換算成常溫20 ℃條件下的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值；PT為防水粘結(jié)層溫度為T℃時(shí)實(shí)測(cè)的粘結(jié)強(qiáng)度；Ki為粘結(jié)強(qiáng)度T℃時(shí)的溫度修正系數(shù)，當(dāng)T在2個(gè)溫度之間時(shí)，系數(shù)采用內(nèi)插的方法計(jì)算。

4 粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及評(píng)定方法

依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工程，進(jìn)行防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)定。粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)定方法主要包含3部分內(nèi)容：防水粘結(jié)層附著力拉拔強(qiáng)度和現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)、不同強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算及溫度修正、防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度評(píng)定?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)見圖5，具體檢測(cè)及評(píng)定流程如圖6所示。

圖5 防水粘結(jié)層附著力拉拔強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖6 防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及評(píng)定流程

4.1 附著力拉拔強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)、《公路瀝青鋪裝層層間結(jié)合質(zhì)量技術(shù)要求》(DB 14/T 647—2012)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，開展防水粘結(jié)層附著力拉拔強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)防水粘結(jié)層表面溫度T，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同材料的附著力拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

4.2 各強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算及溫度修正

根據(jù)防水粘結(jié)層現(xiàn)場(chǎng)附著力檢測(cè)結(jié)果及其防水粘結(jié)層溫度檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合上文構(gòu)建的各強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系模型(式(1)～式(8))以及建立的溫度修正模型，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)防水粘結(jié)層復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度值。具體計(jì)算過程可分為以下2種技術(shù)途徑：

(1)途徑1。首先根據(jù)溫度T下現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的附著力拉拔強(qiáng)度，利用式(1)～式(8)換算出相同溫度下復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度；之后利用表3中的溫度修正系數(shù)K，根據(jù)式(12)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)的復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度值。

(2)途徑2。首先通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的附著力拉拔強(qiáng)度和溫度T，選擇表3中的溫度修正系數(shù)K，根據(jù)式(12)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)的附著力拉拔強(qiáng)度值；之后利用式(1)～式(8)換算標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)的復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度值。

根據(jù)SBS改性瀝青、熱環(huán)氧瀝青、高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青4種常用的防水粘結(jié)層材料在10、27、40℃下的附著力拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，利用2種途徑計(jì)算出的復(fù)合件拉拔和剪切強(qiáng)度如表5所示。

4.3 防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度評(píng)定

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20 ℃)的技術(shù)要求，對(duì)比根據(jù)上述計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)防水粘結(jié)層各強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，評(píng)定防水粘結(jié)層材料的粘結(jié)性能。

5 粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及評(píng)定方法的驗(yàn)證

在防水粘結(jié)層施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置混凝土板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件下(20 ℃)的復(fù)合件拉拔和剪切強(qiáng)度測(cè)試，并和2種計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，對(duì)不同的防水粘結(jié)層材料，2種方法測(cè)試結(jié)果除個(gè)別結(jié)果外，相對(duì)誤差均在20%以下，均具有較高的準(zhǔn)確性。整體而言，測(cè)試溫度較低時(shí)方法1相對(duì)誤差較小，具有更高的準(zhǔn)確性；溫度較高時(shí)方法2精確度較高。這是因?yàn)橛?jì)算過程涉及強(qiáng)度指標(biāo)換算和溫度修正2個(gè)過程，溫度較低時(shí)粘結(jié)性能較高，強(qiáng)度指標(biāo)換算導(dǎo)致的相對(duì)誤差較低。因此，需要在修正為溫度較高的標(biāo)準(zhǔn)條件(20 ℃)下的粘結(jié)強(qiáng)度前，在較低的測(cè)試溫度T完成不同粘結(jié)強(qiáng)度類型的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化，即方法1；測(cè)試溫度較高時(shí)相反。

表5 粘結(jié)強(qiáng)度不同計(jì)算方法對(duì)比

6 結(jié)論

通過4種防水粘結(jié)層室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到不同溫度下的附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度和復(fù)合件剪切強(qiáng)度等粘結(jié)性能指標(biāo)；構(gòu)建復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度隨附著力拉拔強(qiáng)度變化的擬合方程；計(jì)算不同溫度下的溫度修正系數(shù)，建立溫度修正模型；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的附著力拉拔強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下(20 ℃)的復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，得到如下結(jié)論:

(1)復(fù)合件拉拔、剪切強(qiáng)度隨附著力拉拔強(qiáng)度變化呈現(xiàn)規(guī)律變化，與其建立的擬合方程具有良好的相關(guān)性。

(2)5～40 ℃溫度區(qū)間，橡膠瀝青和SBS改性瀝青作為熱瀝青碎石封層，相同溫度下溫度修正系數(shù)K較接近；同樣作為水性材料的高粘改性乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青，溫度修正系數(shù)K也具有較高一致性。

(3)該方法具有較高的準(zhǔn)確性,整體而言，測(cè)試溫度較低時(shí)(<20 ℃)方法1準(zhǔn)確性更高，即完成不同粘結(jié)強(qiáng)度類型的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化，然后進(jìn)行溫度修正；測(cè)試溫度較高時(shí)(>20 ℃)采用方法2。