鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能影響因素研究

作者簡介：

席 斌（1992—），助理工程師，研究方向：橋梁、隧道的施工管理和技術(shù)研究。

橋面鋪裝粘結(jié)層的層間粘結(jié)性能直接關(guān)系到橋面鋪裝層的長期穩(wěn)定。文章為探究集料類型、級配類型、粘結(jié)環(huán)氧瀝青材料涂抹量對橋面鋪裝層層間粘結(jié)性能的影響，采用輝綠巖、石灰?guī)r、花崗巖三種集料，粗、中、細(xì)三種級配類型，0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2四種環(huán)氧樹脂涂抹量，通過室內(nèi)小梁彎曲試驗(yàn)、層間拉拔剪切試驗(yàn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：采用高強(qiáng)度的集料、細(xì)集料含量高的級配類型、0.2～0.6 kg/m2的環(huán)氧樹脂涂抹量可以有效提高鋼橋面鋪裝層層間粘結(jié)強(qiáng)度，減少鋪裝層病害的產(chǎn)生。

鋼橋面；橋面鋪裝；層間粘結(jié)；環(huán)氧瀝青

中圖分類號：U443.33 A 31 098 3

0 引言

隨著國內(nèi)外橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到正交異性橋面板在行車荷載作用下容易在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力集中［1］，引起橋面頂板和鋪裝層的開裂、脫層現(xiàn)象［2］，之后，降雨作用下，水分的逐漸滲入也會造成橋面板的銹蝕，從而嚴(yán)重危害橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。因此，現(xiàn)今橋梁鋪裝普遍在鋪裝層與橋面板之間設(shè)置防水粘結(jié)層，以減少橋面板和鋪裝層病害的產(chǎn)生［3］。但粘結(jié)層的設(shè)置并不能完全保證橋面板與鋪裝層之間不產(chǎn)生脫層，當(dāng)粘結(jié)層強(qiáng)度不足時則會失效產(chǎn)生脫層，鋪裝層與橋面板將不再作為一個整體結(jié)構(gòu)，在荷載作用下鋪裝層會不斷對橋面板防銹層造成沖擊破壞，從而影響行車安全［4-5］。環(huán)氧樹脂作為一種常用的橋面鋪裝層粘結(jié)材料，如何才能充分發(fā)揮其粘結(jié)性能，保證橋面鋪裝層和橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對其作為橋面鋪裝層粘結(jié)材料時粘結(jié)性的影響因素研究顯得尤為必要。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用環(huán)氧瀝青是由環(huán)氧樹脂、固化劑與東海70#基質(zhì)瀝青復(fù)合改性制得。環(huán)氧樹脂與固化劑以55∶45的比例制備環(huán)氧體系，環(huán)氧體系與基質(zhì)瀝青以1∶1比例制備環(huán)氧瀝青。制得的環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

依照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005）對試驗(yàn)所用三種集料性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果分別如表2、表3所示。

2 試驗(yàn)方法

本文采用輝綠巖、石灰?guī)r和花崗巖三種石料，粗、中、細(xì)即1#、2#、3#三種級配類型，0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2四種環(huán)氧瀝青涂抹量，對環(huán)氧瀝青作為鋼橋面鋪裝粘結(jié)層材料時的粘結(jié)性能影響因素進(jìn)行研究。

2.1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

本文采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評價集料類型對環(huán)氧瀝青混合料抗裂性能的影響，若抗裂性能更差，則表明鋼橋面鋪裝層更容易產(chǎn)生開裂，即水分更容易滲入內(nèi)部造成粘結(jié)層材料的粘結(jié)強(qiáng)度降低。試驗(yàn)步驟參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）。

2.2 拉拔試驗(yàn)

本文拉拔試驗(yàn)采用PosiTest AT-A拉拔儀，拉拔頭大小為50 mm，試件采用鉆芯取樣，取出直徑50 mm、高63.5 mm的芯樣，一端用強(qiáng)力AB膠粘結(jié)在拉拔頭上，另一端用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在鋼板上。待粘結(jié)劑強(qiáng)度形成后，將其置于試驗(yàn)所需溫度的環(huán)境箱中保溫4 h，測試其被拉伸破壞時的最大拉力，并按式（1）計算其粘結(jié)強(qiáng)度：

σ=FS（1）

式中：σ——拉拔粘結(jié)強(qiáng)度（MPa）；

F——破壞時的最大拉力（kN）；

S——試件受力面積（m2）。

2.3 剪切試驗(yàn)

本文采用直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度評價。試件選用直徑100 mm、高150 mm的大馬歇爾試件，將制作好的試件用環(huán)氧瀝青粘結(jié)在直徑100 mm的鋼板上。試驗(yàn)時對試件施加0.7 MPa的正壓力F，加載速率為50 mm/min，測得試件破壞時的最大壓力P。剪切過程如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)式（2）計算層間剪切強(qiáng)度。

τ=PS（2）

式中：τ——剪切強(qiáng)度（MPa）；

P——破壞時的最大壓力（kN）；

S——剪切面面積（m2）。

3 影響因素分析

3.1 集料類型對層間粘結(jié)性能的影響

本文采用同一級配對三種集料進(jìn)行混合料設(shè)計，在最佳油石比下成型瀝青混合料試件，切割成小梁試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。根據(jù)圖2、圖3的集料類型與彎曲應(yīng)力、撓度的關(guān)系可以看出，三種集料中，石灰?guī)r的抗彎拉性能最差，花崗巖較好，輝綠巖最好。輝綠巖的抗彎性能約為石灰?guī)r的1.4倍，約為花崗巖的1.1倍。三種集料成型的試件在產(chǎn)生破壞時，石灰?guī)r產(chǎn)生的撓曲變形最小，花崗巖與輝綠巖的撓曲變形差異相近。三種類型集料整體上撓曲變形差異較小，最大差值＜2 mm。

由圖4可以看出，石灰?guī)r的斷裂能在5 000 N/m左右，花崗巖斷裂能在6 500～7 000 N/m，輝綠巖的斷裂能在8 000 N/m左右，故采用輝綠巖集料成型的瀝青混合料試件的抗斷裂性能最好。這主要是由于輝綠巖集料的強(qiáng)度高，抗壓性能明顯優(yōu)于石灰?guī)r集料和花崗巖集料，因此成型后的混合料也具有更好的抗開裂能力。

綜上可知，鋪裝層混合料在選用集料時選用強(qiáng)度高、抗壓性能好的集料，可以減少鋪裝層開裂，有效防止水分滲入粘層，避免粘層失效。

3.2 級配類型對層間粘結(jié)性能的影響

本文所設(shè)計的三種級配如下頁表4所示。

根據(jù)表4的級配設(shè)計結(jié)果，本文采用輝綠巖集料，通過馬歇爾試驗(yàn)，測定最佳油石比分別為5.7%、5.5%、5.6%，空隙率分別為1.87%、1.74%、1.68%。通過拉拔和剪切試驗(yàn)，測得三種級配下的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。

從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，級配設(shè)計時粗集料含量越高，試件的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度越低。2#級配的拉拔強(qiáng)度較1#級配提高約14.29%，剪切強(qiáng)度提高約11.93%；3#級配較2#級配拉拔強(qiáng)度提高約7.81%，剪切強(qiáng)度提高約18.03%。因此，級配類型對于層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響顯著，采用細(xì)集料含量較高的級配類型可以顯著提高層間粘結(jié)性能。這可能是由于細(xì)集料含量高，混合料空隙率小，增大了試件與粘結(jié)材料的接觸面積，提高了混合料與粘結(jié)材料的相融程度，從而使其具有更好的層間粘結(jié)效果。

3.3 涂抹量對層間粘結(jié)性能的影響

采用輝綠巖和3#級配進(jìn)行制備試件，進(jìn)行粘結(jié)材料涂抹量對層間粘結(jié)性能的影響試驗(yàn)。當(dāng)溫度分別為25 ℃和60 ℃時不同環(huán)氧樹脂涂抹量的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5～6可以看出，60 ℃時較25 ℃時的層間剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度明顯降低；0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2環(huán)氧樹脂涂抹量的層間剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度影響的差異性較小，但當(dāng)環(huán)氧樹脂涂抹量達(dá)到0.8 kg/m2時，25 ℃和60 ℃下試件的剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均明顯下降。綜合拉拔與剪切試驗(yàn)結(jié)果分析表明，當(dāng)涂抹量過大時，會造成混合料對于粘結(jié)材料的吸收“過于飽和”，多余的粘結(jié)料會存在于混合料與鋼板之間，增加自由粘結(jié)層的厚度；在高溫和荷載作用下，粘結(jié)層容易滑移，從而降低粘結(jié)強(qiáng)度。因此，建議將環(huán)氧樹脂的涂抹量控制在0.2～0.6 kg/m2。

4 結(jié)語

本文通過室內(nèi)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，對影響環(huán)氧樹脂鋼橋面鋪裝層層間粘結(jié)性的影響因素進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）鋪裝層混合料采用強(qiáng)度高、抗壓性能好的輝綠巖集料可以有效減少鋪裝層產(chǎn)生開裂，減少水汽進(jìn)入防水粘結(jié)層，有效避免粘結(jié)強(qiáng)度的失效。

（2）選用細(xì)集料含量高的級配類型可以顯著增大粘結(jié)層與混合料的相融程度，提高粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）為避免因粘結(jié)層過厚而在高溫與荷載作用下產(chǎn)生滑移損害，粘結(jié)材料的涂抹量應(yīng)＜0.8 kg/m2。建議涂抹量為0.2～0.6 kg/m2。

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收稿日期：2022-10-16