水泥路面加鋪超薄罩面層間黏結(jié)性能

李 城 楊德勝

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 重慶 400064)

0 引 言

我國早期建設(shè)的水泥混凝土路面已經(jīng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)階段,對(duì)水泥路面進(jìn)行“白改黑”加鋪是提高路面服務(wù)質(zhì)量的有效手段,常見的加鋪方法是對(duì)水泥路面病害進(jìn)行處治后加鋪瀝青混凝土,厚度一般不小于10 cm[1].瀝青超薄罩面攤鋪厚度為15～20 mm,對(duì)路面標(biāo)高影響小,超薄罩面耗費(fèi)材料少,能夠節(jié)約大量原材料和養(yǎng)護(hù)成本.剛性路面和柔性路面加鋪超薄罩面的層間結(jié)合狀態(tài)具有顯著差異,由于瀝青混凝土在施工時(shí)無法嵌入水泥混凝土內(nèi)部形成連續(xù)嵌固結(jié)構(gòu),導(dǎo)致加鋪層與原路面存在明顯的界限.剛性路面加鋪超薄罩面的層間黏結(jié)力主要來源于集料在水泥混凝土表面的錨固效果和黏結(jié)層的黏結(jié)作用,水泥路面的粗糙程度和黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)護(hù)效果有直接影響[2-5].

加鋪超薄罩面前需對(duì)水泥路面表面進(jìn)行處理并灑布黏結(jié)層,當(dāng)層間黏結(jié)效果良好時(shí),加鋪層與水泥混凝土能夠形成連續(xù)黏合的結(jié)構(gòu);當(dāng)層間黏結(jié)效果不佳時(shí),層間易發(fā)生剪切破壞[6].針對(duì)水泥路面加鋪超薄罩面的層間黏結(jié)問題,文中就不同水泥路面預(yù)處理方法和層間黏結(jié)材料對(duì)黏結(jié)效果的影響進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試黏結(jié)劑與水泥基面的黏結(jié)強(qiáng)度.制備瀝青-水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)試件,測(cè)試?yán)螐?qiáng)度和剪切強(qiáng)度,推薦適合水泥路面超薄罩面養(yǎng)護(hù)的層間黏結(jié)方案.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

層間黏結(jié)劑選用SBS改性乳化瀝青、ES-2型改性乳化瀝青稀漿封層、SBS改性瀝青碎石封層、溶劑型黏結(jié)劑,其中溶劑型黏結(jié)劑是由橡膠、瀝青、樹脂和溶劑等材料混合制備而成的橋面防水黏結(jié)劑,材料技術(shù)指標(biāo)見表1～3.

表1 改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 溶劑型黏結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 水泥基面預(yù)處理

室內(nèi)成型水泥混凝土板,分別采用噴砂、拉毛和露石路面工藝,形成具有不同粗糙程度的水泥混凝土基面,見圖1.噴砂工藝是以壓縮空氣為動(dòng)力,帶動(dòng)磨料經(jīng)充分混合后形成高速噴射束將磨料噴射到水泥混凝土表面,通過堅(jiān)硬銳利的沙粒對(duì)表面的沖擊、切削和摩擦,以實(shí)現(xiàn)提高表面構(gòu)造和摩擦阻力的目的[7].拉毛是在混凝土初凝前,在混凝土表面拉毛形成紋深度1.5～3 mm的紋理構(gòu)造[8].露石技術(shù)是在制作試件時(shí)將水泥混凝土拌和、振搗成型,待表面水干燥后在表面噴灑露石劑,在下層混凝土終凝后用水刷洗表面,露出均勻分布的2 mm左右高度粗集料表面[9].圖1為水泥混凝土表面處理效果圖.

圖1 水泥混凝土表面處理效果

采用鋪砂法測(cè)試三種處理方式的混凝土表面構(gòu)造深度見表4.

表4 水泥混凝土表面構(gòu)造深度測(cè)試結(jié)果

1.3 制作黏結(jié)強(qiáng)度試件

在車轍模具內(nèi)澆筑水泥混凝土試件,對(duì)水泥混凝土表面進(jìn)行噴砂、拉毛和露石處理,在處理后的水泥混凝土表面分別涂布改性乳化瀝青、ES-2型改性乳化瀝青稀漿封層、SBS改性瀝青碎石封層、溶劑型黏結(jié)劑,各種黏結(jié)劑的用量見表5.

表5 防水黏結(jié)層材料及用量

分別制作黏結(jié)層-水泥基面拉拔試件、瀝青層-黏結(jié)層-水泥基面組合拉拔試件和剪切試件,見圖2.

圖2 拉拔試件和剪切試件

試件制作方法如下.

1) 黏結(jié)層與水泥基面拉拔試驗(yàn)用以測(cè)試不同黏結(jié)層與水泥基面的拉拔強(qiáng)度,制作時(shí)將水泥板切割成100 mm×100 mm方形試件,在上層涂布黏結(jié)層;待黏結(jié)層破乳或養(yǎng)生形成強(qiáng)度后,將環(huán)氧樹脂均勻涂抹在拉拔頭底板并快速黏附在試件表面,并在常溫條件下養(yǎng)生固化.

2) 組合結(jié)構(gòu)試件是在水泥混凝土板上涂布黏結(jié)層,然后加鋪2 cm厚的瀝青混合料形成組合車轍試件.加鋪層級(jí)配采用EMC-10,瀝青為SBS改性瀝青,油石比為5.5%,混合料級(jí)配見表6.

表6 EMC-10加鋪層級(jí)配

制作組合結(jié)構(gòu)拉拔試件時(shí),將組合車轍試件切割成100 mm×100 mm方形試件,然后使用鉆芯機(jī)鉆取直徑為50 mm的環(huán)形切口,鉆芯深度至水泥基面內(nèi)1～2 mm.將環(huán)氧樹脂均勻涂抹在拉拔頭底板并快速黏附在試件表面,黏附時(shí)要注意拉拔頭與接口邊緣對(duì)齊,不能將環(huán)氧樹脂擠壓進(jìn)環(huán)形切口內(nèi),在常溫條件下養(yǎng)生固化.制作組合結(jié)構(gòu)剪切試件時(shí),將組合車轍試件切割成150 mm×150 mm試件,用記號(hào)筆標(biāo)記加鋪層成型碾壓方向作為剪切加載方向.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 黏結(jié)劑用量的影響

為確定各黏結(jié)劑在水泥混凝土表面的最佳用量,在推薦的用量范圍內(nèi)設(shè)置表7的五種水平的黏結(jié)劑用量進(jìn)行拉拔試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為25℃,拉拔試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

表7 四種黏結(jié)劑的用量水平

圖3 黏結(jié)劑用量對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖3可知:黏結(jié)劑的拉拔強(qiáng)度均隨黏結(jié)劑涂布量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),黏結(jié)劑存在最佳用量.改性乳化瀝青、稀漿封層、溶劑型黏結(jié)劑和SBS瀝青碎石封層分別在用量為0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2時(shí)的拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值.

2.2 不同基面處治方法測(cè)試結(jié)果

分別在噴砂、拉毛、露石和原狀的四種水泥混凝土表面涂布改性乳化瀝青,采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)螐?qiáng)度和剪切強(qiáng)度,拉拔試驗(yàn)采用半徑為25 mm的拉拔頭,拉伸速率為(10±2) mm/min,試驗(yàn)溫度為25℃;剪切試驗(yàn)采用組合結(jié)構(gòu)試件,試件截面為150 mm×150 mm,加載速率為(50±5) mm/min,試驗(yàn)溫度為25℃,試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表8 不同處治基面的黏結(jié)強(qiáng)度 單位:MPa

由表8可知:經(jīng)過不同工藝的表面處理后,層間的黏結(jié)強(qiáng)度都有所提高,黏結(jié)強(qiáng)度提高幅度在9.7%～32.3%,證明了基面的處理工藝對(duì)層間黏結(jié)的作用.采用噴砂工藝處理基面后的黏結(jié)強(qiáng)度提高了32.3%,明顯高于其他處理工藝提高的幅度,說明噴砂工藝對(duì)于提高層間黏結(jié)強(qiáng)度的效果最佳.從剪切試驗(yàn)的結(jié)果看,基面的處理工藝對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響大于對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響.采用基面處理工藝后,剪切強(qiáng)度均大幅提高,拉毛處理使剪切強(qiáng)度提高了31.8%,采用噴砂工藝的提高幅度達(dá)到了68.2%,效果最佳.

2.3 不同黏結(jié)材料測(cè)試結(jié)果

采用上文所述的四種層間黏結(jié)材料和噴砂處理的水泥板制作拉拔試件和組合結(jié)構(gòu)拉拔、剪切試件,測(cè)試黏結(jié)層與水泥混凝土表面的黏結(jié)強(qiáng)度,見表9.

表9 不同黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度 單位:MPa

由表9可知:不同試驗(yàn)條件下四種材料的拉拔強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度具有一致的大小關(guān)系,均表現(xiàn)為溶劑型黏結(jié)劑>SBS瀝青碎石封層>改性乳化瀝青稀漿封層>改性乳化瀝青,改性乳化瀝青與改性乳化瀝青稀漿封層的黏結(jié)強(qiáng)度差異較小.溶劑型黏結(jié)劑和SBS瀝青碎石封層的黏結(jié)強(qiáng)度均優(yōu)于改性乳化瀝青,以組合試件為例,溶劑型黏結(jié)劑和SBS瀝青碎石封層的拉拔強(qiáng)度是改性乳化瀝青的2.9和1.7倍,剪切強(qiáng)度為4.3和2.5倍,溶劑型黏結(jié)劑具有最佳的黏結(jié)效果.此外,不同材料的剪切強(qiáng)度相對(duì)于拉拔強(qiáng)度表現(xiàn)出更加顯著的差異性,組合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)適合用于材料對(duì)黏結(jié)性能影響的差異性評(píng)價(jià).

2.4 組合鋪裝結(jié)構(gòu)黏結(jié)破壞影響因素分析

相關(guān)研究表明,距路表2～10 cm屬于高剪應(yīng)力區(qū),對(duì)超薄罩面而言,由于攤鋪厚度薄,外界氣候條件對(duì)層間黏結(jié)劑的影響增大.針對(duì)水泥路面加鋪超薄罩面的組合路面結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了凍融循環(huán)、60 ℃浸水和車轍加載三種破壞條件,按照式(1)計(jì)算試件的殘留剪切強(qiáng)度比RSSR(residual shear strength ratio).

(1)

式中:RRSSR為試件的殘留剪切強(qiáng)度比,%;τ1為組合結(jié)構(gòu)試件25℃條件下的剪切強(qiáng)度,MPa;τ2為試件經(jīng)過養(yǎng)生破壞后的剪切強(qiáng)度,MPa.試驗(yàn)條件如下所述:

1) 凍融循環(huán)和60℃浸水養(yǎng)生參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0729—2000和T0709—2011的試驗(yàn)方法,將切割好的組合試件按照《規(guī)程》中的方法進(jìn)行養(yǎng)生,測(cè)試剪切強(qiáng)度.

2) 車轍加載破壞試驗(yàn)參照《規(guī)程》中T0719—2011的試驗(yàn)方法,將組合車轍試件在60℃條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn),模擬路面的加載情況,待試件冷卻后將車轍加載區(qū)域切割成剪切試件并測(cè)試剪切強(qiáng)度.試驗(yàn)結(jié)果見表10.

表10 組合結(jié)構(gòu)試件黏結(jié)破壞后的剪切強(qiáng)度

由剪切試驗(yàn)結(jié)果可知,凍融循環(huán)、浸水和車轍碾壓對(duì)組合路面結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)強(qiáng)度均有不利影響,車轍碾壓后試件的RRSSR最小,水泥基面未處理時(shí)改性乳化瀝青與溶劑型黏結(jié)劑的RRSSR降低至71.7%和75.8%,噴砂后為80.8%和81.5%.采用噴砂工藝對(duì)水泥混凝土表面進(jìn)行處理能夠提高組合結(jié)構(gòu)試件的剪切強(qiáng)度,經(jīng)過養(yǎng)生和破壞后,噴砂試件的RRSSR大于未進(jìn)行表面處理的試件,噴砂處理提高了水泥混凝土表面的粗糙度,有利于層間黏結(jié)的耐久性.溶劑型黏結(jié)劑的剪切強(qiáng)度明顯大于改性乳化瀝青,養(yǎng)生破壞條件對(duì)殘留剪切強(qiáng)度比的影響存在差異,60℃浸水養(yǎng)生后改性乳化瀝青的RRSSR大于溶劑型黏結(jié)劑,凍融循環(huán)和車轍加載后溶劑型黏結(jié)劑的RRSSR較大.

3 結(jié) 論

1) 改性乳化瀝青、稀漿封層、溶劑型黏結(jié)劑和SBS瀝青碎石封層與水泥混凝土的拉拔強(qiáng)度均隨涂布量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),分別在用量為0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2時(shí)的拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值.

2) 對(duì)水泥混凝土進(jìn)行噴砂、拉毛和露石處理能夠提高層間黏結(jié)強(qiáng)度,噴砂工藝能夠顯著提升水泥混凝土表面的粗糙程度,對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的提升效果最好.

3) 拉拔與剪切試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同試驗(yàn)條件下四種材料的層間黏結(jié)性能排序?yàn)槿軇┬宛そY(jié)劑>SBS瀝青碎石封層>改性乳化瀝青稀漿封層>改性乳化瀝青,溶劑型黏結(jié)劑適合用于水泥混凝土路面的黏結(jié)層.

4) 組合結(jié)構(gòu)試件經(jīng)過凍融循環(huán)、浸水和車轍碾壓后層間黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低,對(duì)水泥混凝土進(jìn)行噴砂處理能夠提高瀝青-水泥組合結(jié)構(gòu)試件的殘留剪切強(qiáng)度比.溶劑型黏結(jié)劑經(jīng)過養(yǎng)生破壞試驗(yàn)后黏結(jié)強(qiáng)度仍達(dá)到1 MPa以上,適用與重載和大縱坡等高剪切條件下的罩面加鋪.