基于性能綜合比選的鋪裝界面粘結性能研究

徐學召，張治濤，耿瑞聰

（山東省路橋集團有限公司，山東 濟南）

概述

由于橋隧建設的突飛猛進，鋪筑于水泥混凝土基礎上的瀝青鋪裝越來越多，但是隨著交通的飛速發(fā)展，高溫重載交通環(huán)境逐漸增多，部分瀝青鋪裝出現(xiàn)了泛白、車轍、推移和坑槽等病害，影響了鋪裝的正常使用。從病害原因分析的角度來看，以上病害的發(fā)生與防水粘結層的破壞均有或多或少的關系。防水粘結層破壞后，瀝青鋪裝與水泥混凝土間的整體性降低，導致行車荷載無法完全向下傳遞，而且防水粘結層破壞后也會導致水進入鋪裝內部，在高溫天氣耦合作用下，鋪裝容易出現(xiàn)早期病害。因此，本文結合某大型工程，通過性能綜合比選的方式，開展鋪裝界面粘結性能研究工作。

1 力學分析

根據依托工程的鋪裝結構建立力學分析模型，主要分析瀝青鋪裝與水泥混凝土層間受力情況，其中瀝青鋪裝層彈性模量取值范圍為1 500 MPa，泊松比為0.35，水泥混凝土彈性模量取值為31 000 MPa，泊松比為0.15，見圖1。

圖1 鋪裝結構組合及有限元模型

力學分析結果見表1。

表1 有限元計算結果

由上述試驗結果可知，依托項目上下鋪裝層間剪應力及鋪裝下層與調平層間剪應力均在縱向取得最大值，其中，上下鋪裝層間最大剪應力為0.17 MPa，鋪裝下層與調平層間最大剪應力為0.33 MPa，鋪裝下層與調平層間最大剪應力大于上下鋪裝層間最大剪應力。因此，應重點關注鋪裝下層與調平層間界面粘結性能，避免由于該界面處粘結性能不足而出現(xiàn)剪切推移破壞。根據上述力學分析結果，結合以往工程經驗，本項目鋪裝下層與調平層間界面抗剪強度應不小于0.6 MPa。

2 防水粘結層性能研究

防水粘結層是連接鋪裝層與水泥混凝土基面的重要界面層，防水粘結層的性能將直接影響橋隧鋪裝層的使用耐久性。以往工程經驗表明，橋隧鋪裝病害的主要原因之一是由于防水粘結層材料自身性能不足或在施工及服役過程被破壞等原因造成粘結失效，進而導致鋪裝層在行車荷載作用下發(fā)生剪切推移破壞。因此，防水粘結層材料需具備良好的施工和易性能、粘結和抗剪切性能、防水防滲性能、抗施工損傷性能、高/低溫性能、變形協(xié)調性能及耐久性能等[1]。

基于上述性能要求，結合以往工程經驗及現(xiàn)階段國內應用較為成功的案例，本研究初步選定水性環(huán)氧瀝青（1#）、二階環(huán)氧樹脂（2#）及SBS 改性瀝青（3#）三種材料開展性能綜合比選研究。

2.1 施工和易性

本研究參照GB 1728《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》[2]開展防水粘結層材料施工和易性研究，主要研究三種材料的25 ℃溫度下的表干時間與實干時間，試驗結果見表2。

表2 防水粘結層材料干燥時間

由試驗結果可以看出，1#和2# 材料的表干時間和實干時間無明顯差距，3#材料為瀝青類材料，無需發(fā)生化學反應，降溫后即可形成強度?？傮w而言，三種防水粘結層材料均具有較好的施工和易性。

2.2 粘結強度及剪切強度

本研究參照JTG/T 3364-02-2019《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規(guī)范》[3]開展防水粘結層材料粘結強度及45°剪切強度性能研究，試驗結果見表3。

表3 防水粘結層材料強度性能

從粘結性能試驗結果來看，2#材料的粘結強度和剪切強度試驗結果最高，表明2#材料在25 ℃時具有更好的粘結性能。

2.3 耐高溫性能

本研究參照JC/T 408-2005《水乳型瀝青防水涂料》[4]，通過測定防水粘結層材料在110 ℃±2 ℃恒溫烘箱中放置5 h 后的狀態(tài)，研究三種材料的耐高溫性能，試驗結果見表4。

表4 防水粘結層材料變形性能

由試驗結果發(fā)現(xiàn)，所選三種防水粘結材料均具有良好的高溫穩(wěn)定性能，在110 ℃±2 ℃試驗溫度下均無流淌、滑動及滴落現(xiàn)象，能很好的抵抗瀝青混料攤鋪時帶來的熱沖擊。

2.4 防水性能

本研究參照GB T 16777-2008《建筑防水涂料試驗方法》[5]，測定三種材料的不透水性，試驗結果見表5。

表5 防水粘結層材料不透水性

由試驗結果可知，三種防水粘結層材料在原始狀態(tài)下（未攤鋪鋪裝上層）均具有較好的防水性能，可有效阻止面層水分下滲至鋪裝下層。

2.5 低溫性能

鋪裝層與混凝土基層間及上下鋪裝層間界面在荷載條件下，追隨混凝土基層發(fā)生協(xié)同變形。在冬季，溫度的降低使防水粘結材料的拉伸強度降低，柔韌性變差，收縮變形甚至發(fā)生脆裂。因此，防水粘結層材料不僅要保證在不同溫度使用條件下的界面強度，還應具備在追隨混凝土基層發(fā)生撓曲變形后不發(fā)生斷裂破壞，保持完整性的能力。本研究參照GB/T 328.14-2007《建筑防水卷材試驗方法 第14 部分 瀝青防水卷材 低溫柔性》[6]中相關試驗方法，測定三種材料的低溫柔韌性，試驗結果見表6。

表6 防水粘結層材料低溫柔性

表7 不同粘結層材料性能比選

由試驗結果可知，3 種材料在-20 ℃下經彎曲后仍然保持完好，未出現(xiàn)任何裂紋及斷裂，表現(xiàn)出較好的低溫柔韌性。

2.6 綜合性能比選

基于上述各項性能檢測結果，結合依托工程結構特點與服役環(huán)境特點，本項目應重點關注防水粘結層粘結強度與抗剪強度、高溫性能、防水性能，根據不同指標的重要程度分別賦予各指標以相應的權重，加權平均計算三種材料的綜合性能評分。

經綜合計算三種材料的結強度與抗剪強度、低溫性能、防水性能等，1#材料綜合評分為94，2#材料綜合評分為98，3#材料評分為92。因此，推薦材料2#材料（即二階環(huán)氧）作為本項目的防水粘結層材料。

3 實體工程應用

南京燕子磯長江隧道是南京市內重要的過江通道之一，位于長江大橋和長江二橋之間，距離長江大橋7.4 km，距離長江二橋2.7 km，隧道長4 215 m。隧道路面鋪裝上面層為4 cm SBS 改性溫拌阻燃瀝青混凝土SMA-13，下面層為6 cm SBS 改性溫拌中粒式混凝土AC-20C。隧道進出口段存在一定的光線明暗交替，車輛在隧道進出口段易出現(xiàn)頻繁的制動及加速。此外，隧道進出口段往往存在較大縱坡。大縱坡及頻繁的速度變化，均對隧道鋪裝層及粘結層性能提出了更高的要求。

本項目左線出口段K1+000～K1+060 段采用原設計防水粘結層及本研究推薦的二階環(huán)氧作為防水粘結層，試驗段總長度為60 m，總面積為240 m2，兩種方案各施工30 m，試驗段檢測結果見表8。

表8 試驗段拉拔強度檢測結果

試驗段實施檢測結果表明，經本研究綜合比選確定的二階環(huán)氧粘結層粘結強度顯著高于原設計粘層，其中防水粘結層與基面間粘結強度較原設計方案提升約95%，鋪裝下層與水泥混凝土基面間粘結前度較原設計方案提升約198%，二階環(huán)氧具有更加優(yōu)異的界面粘結性能。

4 結論

（1） 力學分析結果表明，依托項目上下鋪裝層間剪應力及鋪裝下層與調平層間剪應力均在縱向取得最大值，結合以往工程經驗，本項目鋪裝下層與調平層間界面抗剪強度應不小于0.6 MPa。

（2） 綜合選所選防水粘結材料的粘結強度、抗剪強度、高溫性能、低溫性能等各項性能，二階環(huán)氧綜合得分最高，推薦材料二階環(huán)氧作為本項目防水粘結層材料。

（3） 實體工程應用效果表明，本研究優(yōu)選的防水粘結層材料較原設計方案具有顯著提升，可有效改善鋪裝層與混凝土基面間的界面粘結強度，降低鋪裝層發(fā)生剪切推移病害風險。