基于層間剪切試驗的橋面防水黏結層性能評價研究

基于層間剪切試驗的橋面防水黏結層性能評價研究

公路橋梁和城市立交橋橋面的防水黏結是確保其結構耐久性的重大措施之一。橋面鋪裝未設防水層或者防水效果不好，由面層滲入的水或防凍鹽溶液會引起面板的損壞，甚至腐蝕主梁鋼筋，威脅主梁安全。如果所設防水黏結層與橋面鋪裝層及橋面板間黏結力不足，水平抗剪切能力弱，則結構層的整體性不足，在水平方向上易產生相對位移并產生剪切破壞，出現推移、擁包等病害，通車后車輪的劇烈沖擊和荷載的作用還會使橋面出現松散、剝落等病害，汽車重載超載情況下橋面破壞會更為嚴重。甚至，在橋面鋪裝施工時，料車、壓路機等就容易將防水黏結層碾走，使得防水層起不到應有的效果，結構層水平抗剪切能力更弱，形成一種惡性循環狀態。

防水黏結層為橋面板提供一個防水的無滲透性屏障，黏結層將鋪裝層與橋面板黏結成一個整體，充分發揮鋪裝層與橋面板的復合協同作用，改善橋面板與鋪裝層的受力情況，兩者相輔相成。因此，針對橋面鋪裝結構層的破壞形式，進行瀝青混凝土橋面鋪裝防水黏結層的設計與性能評價研究極為必要。

目前，高速公路工程中常用的橋面防水黏結層有：水乳性氯丁膠乳瀝青防水涂料、SBS改性瀝青防水黏結層、高黏度改性瀝青防水黏結層、高彈性改性瀝青防水層、環氧瀝青防水黏結層等幾種類型，其路用性能及經濟性方面都存在或多或少的不足。

本文針對橋面防水黏結層的工程應用和研究現狀，基于層間剪切原理設計正交試驗，對比分析不同橋面防水黏結層的抗剪性能，比選出性能優越、經濟合理的防水黏結層材料。

材料試驗及材料制備

原材料及其技術指標檢測

(1)研究中所用的SBS改性乳化瀝青及橡膠瀝青試驗結果均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的技術要求，具體材料試驗數據不贅述。

(2)其中橡膠粉密度為1.15g/cm3，無鐵絲或其他雜質，纖維比例不超過0.5%，含有橡膠粉重量4%的碳酸鈣，以防止膠粉顆粒相互黏結。

(3)纖維作為一種性能優異的非金屬材料，纖維的應用領域極為寬泛。良好的絕緣性、耐熱性和抗腐蝕性是纖維這種材料如今得到大量使用的重要原因。其主要成分是多種無機物和金屬的氧化物，如二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼等，堿含量的多少決定了纖維的不同類別，可分為無堿纖維、中堿纖維和高堿纖維。本文采用采用無捻粗紗型纖維，特克

斯數TEX為2000~2600，纖維的長度為60mm，纖維盤包裝采用堆積型。

瀝青混凝土覆蓋層與水泥混凝土板

(1)本試驗研究中橋面鋪裝覆蓋層采用AC-20礦料級配的瀝青混凝土。(2)制備水泥板的材料為：P.O42.5水泥；花崗巖碎石；細度模數為2.7的中砂。其設計強度為C30，水17kg，水泥461kg，砂512kg，石料1252kg，配合比0.38:1:1.11:2.72。

試驗方法與過程

防水黏結層的設計

綜合工程實踐經驗及工程經濟性，本試驗研究擬設計４種不同類型的防水黏結層，分別采用改性乳化瀝青、橡膠瀝青以及瀝青加纖維作黏結材料，不同材料的設計用量以及試驗步驟如下：

改性乳化瀝青＋碎石。

用量：改性乳化瀝青1kg/m2。步驟：分兩次，先撒一半，黑色轉為褐色(破乳)后，再撒另一半，撒完后立即鋪碎石。

橡膠瀝青＋碎石。

用量：改性乳化瀝青0.3kg/m2，橡膠瀝青1kg/m2。步驟：先撒0.3kg/m2改性乳化瀝青，破乳后，撒1k/m2橡膠瀝青(已加熱)，撒完后立即鋪碎石。

改性乳化瀝青＋纖維＋碎石。

用量：改性乳化瀝青1kg/m2，纖維80g/m2，剪成6cm長，不要用手直接接觸。步驟：先撒一半改性乳化瀝青，撒纖維，再撒另一半改性乳化瀝青，撒完后立即鋪碎石。

橡膠瀝青＋纖維＋碎石。

用量：改性乳化瀝青0.3kg/m2，橡膠瀝青1kg/m2，纖維80g/m2，剪成6cm長，不要用手直接接觸。步驟：先撒0.3kg/m2改性乳化瀝青，然后撒纖維，破乳后，撒1kg/m2橡膠瀝青(已加熱)，撒完后立即鋪碎石。

由于試驗結果受到3種或3種以上的不同因素的影響，控制變量不易，為使后續層間剪切試驗結果令人信服，本文采用正交設計試驗方法，綜合考慮到黏結層類型、溫度和預壓力的影響。

層間剪切試驗復合結構層的制備

為模擬經施工機械碾壓成型的橋面結構復合層，本節簡介其制備方法。復合層試件的質量需保證在進行層間剪切試驗時水泥混凝土和瀝青混凝土材料不至于被剪切散落，即保證試件破壞面為層間防水黏結層。其制備過程如下。

將鋪好防水黏結層材料的水泥板放入模具中，均勻加入適量的AC-20瀝青混凝土熱拌料，采用車轍碾壓機適當碾壓使其最終成型。

車轍板成型脫模后，采用帶有雙面鋸齒的大型切割機對車轍板進行切割，切割成邊長為5cm的正方體試件，取2塊防水黏結層材料相同的正方體小試塊，將其一端的水泥混凝土板清洗干凈，確保表面平整并且沒有雜物之后，使用ＡＢ膠將試塊有水泥板的兩面黏結起來，靜放8h，等到AB膠強度形成之后，方可用于預壓及層間剪切試驗。成型后該長方體試件尺寸為10cm×5cm×5cm。

層間剪切試驗設備簡介

本試驗過程依托弘達萬能材料試驗儀施加壓力，為保證試驗的成功概率，進行剪切試驗之前，必須要先對復合結構層進行預壓。

預壓裝置安裝于弘達萬能試驗儀上，將用水浴養護好的長方體試件從水浴養護箱取出，快速安裝在預壓裝置中，然后將預壓裝置置于弘達萬能試驗儀的加載底座上進行加載。加載過程中慢慢擰緊4個導桿上的螺栓，當弘達萬能試驗儀的讀數歸零時，表示預壓加載結束。繼續擰緊螺栓，確保長方體試件被緊鎖于預壓裝置中，平穩地取出帶有長方體試件的預壓裝置；為了減小因螺栓松弛而導致長方體試件回彈而造成預壓力的誤差，控制長方體試件從恒溫水中取出到預壓結束的總時間在5min之內。

層間剪切設備包括鋼制預壓裝置和剪切裝置

層間剪切及其破壞面

通過正交設計得到16組試驗方案，該16組試驗方案，無論是力學因素控制，還是環境因素的控制，都具有一定的代表性和可行性。為保證每個方案組的試驗數據的準確性和公正性，按每組4個長方體試件作為平行試驗。根據各組試驗的溫度和預壓力要求對試件進行養護和預壓，為了減小因螺栓松弛而導致長方體試件回彈而造成預壓力的誤差，控制長方體試件從恒溫水中取出到預壓結束的總時間在5min之內。長方體試件在材料試驗機對其進行層間剪切試驗之后，每組試驗方案的長方體試件均出現了不同程度的破壞，此處由于篇幅僅列出破壞面其一。

試驗數據及分析

由正交設計得出16組試驗方案。長方體試件破壞時對應的剪切力就是其最大剪切力，將其記為Ｆ，由于長方體試件是由完全相同的正方體小石塊組成，所以它是左右對稱的。

剪切強度計算結果，對比分析不同情況下不同種類防水黏結層的抗剪切強度，即對其性能進行評價，旨在比選出性能優異的防水黏結層材料。

可知：(1)層間剪切溫度為40℃時4種防水黏結層的剪切強度的最大值均低于0.5MPa，然而剪切溫度為20℃時4種防水黏結層的剪切強度的最小值均高于0.55MPa，易發現溫度是影響橋面板和瀝青混凝土層間黏結力的重要因素。(2)本試驗研究設置兩種剪切溫度，旨在模擬常溫及高溫黏結層溫況，20℃時可以模擬常溫，40℃時可以模擬高溫路表下防水黏結層的溫況，據此對比4種不同材料防水黏結層的高溫性能可知：橡膠瀝青＋纖維＋碎石黏結層具有最優的黏結性能，黏結能力最強且高溫性能穩定。(3)相同材料相同溫度條件下，不同預壓力時其剪切強度值相差不大，0.7MPa預壓力下試驗計算得剪切強度略高于1.0MPa時。(4)采用纖維增強的黏結層剪切強度遠高于未用纖維增強的黏結層材料，20℃試驗時計算得其剪切強度提高約33%以上，40℃試驗時計算得其剪切強度提高約75%以上，同時也說明高溫時纖維增強的黏結層材料具有較優的黏結能力。(5)以剪切強度為評價指標，該試驗研究中4種防水黏結層材料性能優劣評價結果為(由優到劣)：橡膠瀝青＋纖維＋碎石、改性乳化瀝青＋纖維＋碎石、橡膠瀝青＋碎石、改性乳化瀝青＋碎石，因此本文最終推薦纖維增強的橡膠瀝青防水黏結層應用于橋面鋪裝工程。

結語

(1)層間剪切溫度為40℃時4種防水黏結層的剪切強度的最大值均低于0.5MPa，然剪切溫度為20℃時4種防水黏結層的剪切強度的最小值均高于0.55MPa，即溫度是影響橋面板和瀝青混凝土層間黏結力的重要因素。

(2)采用纖維增強的黏結層剪切強度遠高于未用纖維增強的黏結層材料，20℃試驗時計算得其剪切強度提高約33%以上，40℃試驗時計算得其剪切強度提高約75%以上，同時也說明高溫時纖維增強的黏結層材料具有更優的黏結能力�？芍�：橡膠瀝青＋纖維＋碎石黏結層具有最優的黏結性能，黏結能力最強且高溫性能穩定。

(3)以剪切強度為評價指標，該試驗研究中４種防水黏結層材料性能優劣評價結果為(由優到劣)：橡膠瀝青＋纖維＋碎石、改性乳化瀝青＋纖維＋碎石、橡膠瀝青＋碎石、改性乳化瀝青＋碎石，因此本文最終推薦纖維增強的橡膠瀝青防水黏結層應用于橋面鋪裝工程。

(4)本試驗研究依托自主研發的層間剪切設備可以形成一套基于層間剪切試驗的橋面防水黏結層的性能評價體系。