水泥混凝土桥面复合防水粘结层的性能

2020-03-06李梦琪王天宇冯德成

哈尔滨工业大学学报 2020年3期

张锋，李梦琪,2，王天宇,3，冯德成

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨 150090；辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110166；3. 中建国际投资(中国)有限公司，广东深圳 518971)

水泥混凝土桥的沥青混凝土铺装层设计时，桥面板与铺装层之间的粘结极为重要. 由于沥青铺装层和混凝土桥面板的模量相差大，当两者形成复合结构受力时，层间会产生较大的剪应力，极易出现损伤，甚至脱离. 层间粘结的减弱，会使沥青混合料面层承受较大剪应力，而最终诱发推移、拥包、脱层等病害[1]. 因此，对水泥混凝土桥面复合防水粘结层性能进行研究非常必要.

最初，发现在桥面铺装层施工后不久，防水层的防水能力就会显著下降[2]. 文献[3]对水泥混凝土桥面的防水粘结层的技术要求进行了明确的定义. 进而，文献[4]采用废旧橡胶粉改性沥青、高分子聚合物改性沥青等防水材料. 文献[5]通过“双组分环氧树脂+铝土岩集料”形成复合粘结层以起到防水的作用. 文献[6]采用SBS聚合物改性乳化沥青作为性能优良的防水粘结材料. 文献[7]发现SBS改性沥青作为同步碎石防水粘结层的结合料，其粘结性能优良，抗老化性能、不透水性能良好. 文献[8]建议当下层采用浇筑式沥青混凝土或者防水层采用沥青系列防水材料时，粘结层宜使用沥青橡胶系列溶剂. 文献[9]建议应首选SBS改性沥青和橡胶沥青应作为混凝土桥的防水粘结层材料. 文献[10]研制出一种新型的防水粘结层EAC，具有突出的高温特性. 文献[11]采用了橡胶垫防水卷材夹在两层SBS改性沥青之间的防水粘结层形式. 文献[12]制备了ES-2稀浆封层和AC-5沥青砂的复合试件，发现温度对防水粘结层的抗剪性能影响很大.

针对防水粘结层的技术指标，文献[13-15]给出了详细的评价方法. 文献[16]提出了评价防水材料路用性能的两项关键指标，即粘结性能和抗剪性能. 文献[17]设计了剪切-法向组合荷载的直剪试验，来评价混凝土上加铺沥青层的界面粘结. 文献[1]发现界面粗糙度会对混凝土桥面铺装层高温性能有显著的影响. 文献[18]利层间剪切试验，得到SBS改性沥青、FYT-1型防水涂料和改性乳化沥青单位面积的最佳用量，并通过拉拔试验获得不同防水层粘结强度的变化规律. 文献[19]采用斜剪试验，研究了不同级配和表面构造特征对橡胶沥青防水粘结层的剪切性能的影响规律. 文献[20]对ERS铺装体系的剪切性能进行研究，得到EBCL与钢板以及SMA-13与RA-05之间的剪切规律.

综上，对于防水粘结层材料的选择和性能的评价逐渐完善，但很少有针对水泥混凝土、防水粘结层以及沥青砂相结合的复合防水粘结层的研究. 因此，本文针对水泥混凝土桥面铺装的破坏形式，采用复合试件直接剪切试验、拉拔试验以及沥青砂小梁低温开裂和收缩试验，对水泥混凝土桥面复合防水粘结层的剪切性能、粘结性能、低温抗裂及收缩性能进行研究，以期为水泥混凝土桥面铺装设计提供技术支持.

1 试验材料及试件制备

1.1 试验材料

以黑龙江省北安—富裕高速公路的建华大桥为工程依托. 水泥混凝土桥采用C50抗渗抗冻聚丙烯纤维混凝土，并掺入质量分数为1.5%的减水剂. 根据施工现场所提供的混凝土配合比：水泥用量为490 kg、水为153 kg、10～20 mm碎石为1 084 kg、中砂为723 kg、减水剂为7.2 kg. 采用此配合比进行试拌，得到坍落度为135 mm.

复合防水粘结层下层采用哈尔滨市路同科技发展有限公司生产的SBS改性沥青防水粘结层，上层采用AC-5沥青砂应力吸收层. 对于AC-5沥青砂，设计油石比为9%；3～6 mm的机制砂占31 %，0～3 mm的机制砂占62 %，矿粉占7 %.

1.2 试件制备

1.2.1 复合试件

为探究水泥混凝土桥与沥青砂应力吸收上层之间的层间剪切与粘结性能，本文采用由AC-5沥青砂、防水粘结层和水泥混凝土三部组成的复合试件进行试验.

据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[21]要求，采用振动密实成型法制备300 mm×300 mm×50 mm的混凝土试件，脱模后标准养生28 d使其达到强度. 利用施工抛丸机对其表面进行凿毛、清洗及干燥. 随后分两层撒布防水粘结层，每次撒布后需经4 h左右自然晾晒风干. 进而，对洒布好防水粘结层的混凝土板进行取芯，芯样直径为100 mm、高为5 cm的圆柱试件. 清洗干燥后，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[22]，采用旋转压实成型高度为5 cm的AC-5沥青砂应力吸收层. 具体来讲，将AC-5沥青砂置于已洒布好防水粘结层的混凝土芯样表面，采用直径为100 mm的模具，压实角为1.25°，压力为600 kPa，旋转速度为30 r/min的成型条件对试件进行100次旋转压实成型，最终形成水泥混凝土-防水粘结层-沥青砂结构的复合试件，其成型过程如图1所示.

图1 复合试件的成型过程

1.2.2 低温小梁试件

为探究沥青砂应力吸收层自身的低温特性，制备了沥青砂小梁试件来进行低温开裂与收缩试验. 根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[22]，采用轮碾法制作沥青砂车辙板，具体压实温度为150 ℃，成型1 d后进行脱模. 随后将脱模好的沥青砂车辙板切割为试验指定规格大小，沥青混凝土低温开裂试验小梁尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，低温收缩试验小梁尺寸为200 mm×20 mm×20 mm. 低温小梁试件成型如图2所示.

图2 小梁试件的成型过程

2 试验方法及结果分析

2.1 直接剪切试验

2.1.1 试验方法

为研究防水粘结层的用量对水泥混凝土下层与应力吸收上层之间剪切性能的影响，采用室内成型的复合剪切试件进行直接剪切试验. 试验采用TYJ-500微机控制电液伺服岩石剪切流变试验系统，如图3所示.

图3 TYJ-500微机控制电液伺服岩石剪切流变试验系统

Fig.3 TYJ-500 microcomputer controlled electro-hydraulic servo rock shear rheological test system

试验时将制作好的复合试件按照混凝土层在下，沥青砂层在上的顺序放置于铁质模具内，调整试件位置使粘结层正好位于剪切平面，随后安置好相应位移传感器. 启动仪器后，首先对复合试件施加0.2 MPa的竖向荷载；之后启动剪切通道，记录所受剪切力随位移变化曲线. 试验中，控制剪切速率为10 mm/min，温度为25 ℃，防水粘结层用量分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg/m2，每种防水粘结层用量条件下平行试件均为3个. 最终以试件破坏作为试验终止条件.

2.1.2 试验结果及分析

图4为防水粘结层用量为0.8 kg/m2时位移与剪切力的关系曲线. 可见，在剪切试验进行前期，剪切力随着位移的增加缓慢增加，这时试件层间产生微小塑性变形，试件材料自身具有承担这部分变形的能力；当位移达到2.5～3.0 mm之间时，层间产生错动破坏，此时防水粘结层与沥青层的碎石开始产生强度，强度随位移的增加而快速增加，直至达到一个峰值，粘结层达到屈服极限，剪切力急剧下降，这时粘结层界面完全破坏；界面破坏后层间随位移的变化产生滑移，微小剪切力由轴向加载产生的摩擦力提供.

图4 位移与剪切力的典型关系曲线

Fig.4 Typical relationship between displacement and shear force

图5为剪切试件的界面破坏时的代表形态. 可见粘结层用量适中时，剪切面能够辨认出剪切破坏的细石料，表现出较为良好的性能；粘结层用量较小时，由于粘结层厚度较薄，会使剪切面上移，因此剪切面多为沥青混凝土层；而粘结层用量较大时，剪切破坏面主要为SBS改性沥青防水粘结层，这是由于沥青是粘弹性材料，硬度较小，因此剪切强度较低.

图5 剪切试件界面的破坏形态

根据直剪试验测试结果，层间剪切强度为

(1)

式中：τ为剪切强度，kPa；F为最大剪切力，kN；S为剪切面积，m2.

图6为防水粘结层用量与层间剪切强度关系曲线. 可见，当防水粘结层用量为0.4 kg/m2时剪切强度最低，防水粘结层用量为0.6 kg/m2时剪切强度最高. 而且，随着用量的增加，层间剪切强度呈现先增大后减小的趋势. 这是由于当防水粘结层用量较少时，没有足够的粘结强度抵抗外力的作用；随着用量的增多，防水粘结层将在水泥混凝土板与沥青铺装层间形成滑移层，层间剪切强度逐渐降低，说明粘结层存在最佳用量. 此外，当剪切强度从最小值增大到最大值时，其数值由0.89 MPa增加至3.45 MPa，增大幅度为2.88倍，说明防水粘结层的用量对剪切强度影响之大.

图6 防水粘结层用量与层间剪切强度关系

Fig.6 Relationship between shear strength and the amount of waterproof cohesive layer

2.2 拉拔试验

2.2.1 试验方法

与抗剪性能相同，防水粘结层的抗拉强度同样是粘结层粘结强度的重要评价指标. 合理的粘结层用量能够将接触面的细石料裹覆并均匀分散，在受到拉力作用时互相嵌挤粘结，从而获得较高的强度. 为测定粘结层的抗拉强度，本文采用电子式拉力试验机对复合试件进行整体拉拔试验.

为了使复合试件能够与试验机安装连接，本文制作了150 mm×150 mm×10 mm规格钢板. 试验时，使用环氧AB胶将模具钢板粘结至复合试件表面，施加适当压力静置24 h以上等待胶面提供强度，试件连接如图7所示.

图7 拉拔试验中的试件安装

启动试验机，待拉力数值保持不变时停止试验，记录最终最大拉力数据. 试验中，控制轴向拉拔速率为10 mm/min，温度为25 ℃，防水粘结层用量分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg/m2，每种防水粘结层用量条件下平行试件均为3个. 拉拔强度为

(2)

式中：p为拉拔强度，kPa；F为拉力，kN；S为受拉面积，m2.

2.2.2 试验结果及分析

复合试件拉拔试验结果如图8所示. 可见，随着防水粘结层用量的增多拉拔强度的变化趋势与层间剪切强度的变化趋势相似，呈先增加后减小的趋势. 当防水粘结层用量为0.8 kg/m2时，拉拔强度达到最高，为0.21 MPa，当防水粘结层用量为1.4 kg/m2时，拉拔强度达到最低. 当防水粘结层用量从0.8 kg/m2增加至1.4 kg/m2的过程中，拉拔强度的减小幅度为65.2%. 值的注意的是，试件的破坏位置基本发生在界面上方的AC-5沥青砂中，这主要是由于防水粘结层界面自身的强度大于AC-5沥青砂的缘故.

图8 防水粘结层用量与拉拔强度关系

Fig.8 Relationship between pull-out strength and the amount of waterproof cohesive layer

2.3 低温开裂试验

2.3.1 试验方法

对沥青砂应力吸收层铺装材料进行低温小梁弯曲试验，来评价其低温抗裂性能. 本试验采用IPC生产的万能材料试验机UTM-250进行控温和数据采集，以实现数据应力和应变的同步获取. 试验时，AC-5在经过拌合、碾压、切割等工序后，形成250 mm×30 mm×35 mm的试件. 并将试件分别放在-20、-15、-10、-5 ℃的保温箱内保温4 h以上后，试验机以50 mm/min的加载速率在跨中位置施加集中荷载，直至试件破坏. 每种试验条件下平行试件均为3个，共计12个试件.

试验结束后，试件破坏时的抗弯拉强度、破坏时梁底最大弯拉应变及破坏时的弯曲劲度模量分别为

(3)

(4)

(5)

式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa；b跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，kN；d为试件破坏时的跨中挠度，mm.

2.3.2 结果及分析

图9、10分别为温度与最大拉应变和弯曲进度模量的关系曲线. 可见，梁底最大弯拉应变随温度的降低逐渐减小，而弯曲劲度模量则逐渐变大，产生此规律的主要原因为随着温度降低，沥青混合料的硬度和脆性变大，破坏时的跨中挠度变小，导致梁底最大弯拉应变降低，弯曲劲度模量增大. 当温度从0 ℃降低到-25 ℃的过程中，梁底最大弯拉应变从0.001 958减小至0.001 539，减小幅度为21.4%，弯曲劲度模量从213.2 MPa增大到466.5 MPa，增大了1.19倍，说明温度对弯曲劲度模量的影响大于其对梁底最大弯拉应变的影响.

图9 温度与最大弯拉应变关系

Fig.9 Relationship between temperature and maximum bending strain

图10 温度与弯曲劲度模量关系

Fig.10 Relationship between temperature and flexural stiffness modulus

2.4 低温收缩试验

2.4.1 试验方法

沥青混凝土的低温线收缩系数对桥面铺装层的温度应力影响很大，是计算温度应力的重要参数. 收缩系数是一个复杂的物理参数，不仅与混凝土配合比组成及沥青性质有关，还与所处温度条件及其变化速率有关. 本文采用哈尔滨工业大学交通学院自主开发的试验设备[23]进行沥青混合料低温收缩线系数测定，如图11所示.

图11 低温收缩线系数的测定设备

Fig.11 Measuring equipment of low temperature shrinkage linear coefficient

试验时，AC-5在经过拌合、碾压、切割等工序后，形成200 mm×20 mm×20 mm的试件. 之后在试件表面喷洒黑色油漆，待风干后喷洒白色油漆，最后涂抹数字散斑. 散斑涂抹应当覆盖试件表面，尽量杂乱且分布均匀. 随后将试件放进控温箱内，按照10 ℃/h的降温速率进行控温，温度达到指定温度后恒温保持30 min以上. 进而仪器将对试验中的试件进行拍照观测. 最终对机器拍摄的照片进行数据处理，得出试验结果. 试验过程如图12所示. 试验温度分别采用-30、-20、-10、-5、5、10 ℃，每种试验条件下平行试件均为3个，共计21个试件.

(a) 试件表面处理 (b) 观测试件

Fig.12 Low temperature shrinkage coefficient test

据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[22]规定，降温区间平均收缩应变及平均收缩系数分别为

(6)

(7)

式中：εe为平均收缩应变；Le为指定温度下试件收缩后的长度，mm；L0为10 ℃时试件的原始长度，mm；C为沥青混合料的平均线收缩系数；ΔT为温度区间，℃.

2.4.2 结果及分析

图13为试验测试时间与平均收缩应变的关系的典型曲线. 根据式(7)计算不同温度区间的收缩变化系数见表1. 可见，各温度区间内收缩变化系数随温度的降低呈现先增长后下降的趋势. 收缩变化系数在-20～-30 ℃之间时达到最小，为0.276×10-4℃，在-5～-10 ℃之间时收缩变化系数最大，为0.398×10-4℃，收缩变化系数增大了44.2%. 同时说明，在-5～-10 ℃之间时沥青混合料低温变形最为剧烈.