橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪性能試驗分析＊

李正中 宋曉燕 肖慶一 魏連雨

（天津市市政工程研究院1） 天津 300074） （河北工業大學土木工程學院2） 天津 300401）（河北省土木工程技術研究中心3） 天津 300401）

0 引 言

水泥混凝土橋梁的防水及其瀝青混凝土鋪裝層的耐久性是公路建設界面臨的嚴重問題［1］．原本為解決橋面防水問題而設置的防水粘結層，在實際使用過程中卻由于各方面原因產生了新的問題，瀝青混凝土鋪裝層與橋面板在行車荷載作用下特別容易發生層間滑移甚至相互脫離，嚴重降低了橋面鋪裝層的使用壽命［2－3］．

我國目前的橋面防水材料大多由建筑防水材料轉變而來［4］，而眾所周知，橋面防水材料要求的條件苛刻得多，基于施工條件、使用環境及層位關系，其應具有更好的耐高溫能力、抗變形能力和足夠的抗剪及粘結能力［5－6］．而橡膠瀝青具有高彈性、高粘結性及良好的高溫穩定性，將其成功應用于橋面防水，必將能夠有效地將瀝青混凝土鋪裝層和橋面板牢固粘結為整體，從而延長橋面使用壽命［7］．因此，通過室內試驗對其層間抗剪性能進行系統的分析研究，具有重要的現實意義．

1 試驗方案

基于室內剪切試驗來確定橡膠瀝青作為水泥混凝土橋面防水粘結層所能抵抗水平剪切的能力，系統研究瀝青噴涂量（即防水粘結層厚度）、撒布碎石用量及粒徑大小、水泥混凝土橋面板界面狀況、環境溫度等因素對其層間抗剪強度的影響及其變化規律，具體試驗方案如下：（1）根據已有工程經驗，在適當范圍內調整橡膠瀝青用量，在其他試驗參數不變的前提下進行剪切試驗，以抗剪強度最大為判據以確定最佳用量；（2）在最佳橡膠瀝青用量前提下，確定碎石撒布類型（碎石用量和粒徑大小）對層間抗剪強度的影響；（3）確定水泥混凝土橋面板表面狀況及粗糙程度對層間抗剪強度的影響；（4）固定其他試驗參數，僅改變試驗溫度進行剪切試驗，以確定橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪強度隨溫度的變化規律．

橡膠瀝青在不同情況下的剪變特性進行分析并歸類見圖1．圖1a）在位移較小時就出現明顯的峰值，此時取峰值極限剪應力為材料抗剪強度；圖1b）未出現明顯的峰值，但曲線a，b 2段間的斜率差別較大，此時取斜率變化處c點的剪應力為材料抗剪強度；圖1c）峰值出現在位移較大處，或整個變形過程中始終沒有出現峰值，且未出現斜率變化較大的點，此時按照前兩種情況確定位移最大值U0作為抗剪強度對應的位移值，U0對于的剪應力作為抗剪強度．

圖1 橡膠瀝青防水粘結層不同情況下的剪變特性

2 試驗準備

為真實模擬橡膠瀝青作為水泥混凝土橋面防水粘結層的層間抗剪性能，按施工實際狀況在室內成型混凝土試件［8－9］，即首先在特制試模內（100 mm×100mm×50mm）澆注水泥混凝土，分層插搗均勻，然后通過機械振動臺振密成型，養生7d后拆模，28d后用于剪切試驗．再將表面經過預處理的水泥混凝土試件裝入試模內，按規定要求施作防水粘結層，隨后在上面成型5cm厚的瀝青混凝土，冷卻后脫模備用．用于測試其層間抗剪性能的試驗裝置如圖2，該裝置使試件的受力面與加載方向成30°，剪切面尺寸為100mm×100mm．

圖2 加載剪切試驗裝置示意圖

3 試驗數據分析

3.1 橡膠瀝青合適用量

防水粘結層抗剪能力的充分發揮應建立在合適的厚度基礎上，本節主要確定橡膠瀝青作為橋面防水粘結層的最佳用量（即最佳噴涂厚度）．具體試驗條件為：溫度60℃；剪切速率10mm／min；表面未撒碎石．為盡可能減少混凝土表面狀況的差異對試驗結果的影響，在其表面涂一層環氧樹脂，并在未固化前撒粒徑為0．3～0．6mm的細砂．試驗過程中，橡膠瀝青噴涂溫度為185～190℃，其用量選用1．2，1．5，1．8，2．1，2．5kg／m2．不同橡膠瀝青用量下的層間抗剪強度試驗數據見圖3．

圖3 層間抗剪強度最大值與橡膠瀝青用量的關系曲線

由圖3所示，當用量在1．8kg／m2附近時，層間抗剪強度出現峰值，峰值左側增加較緩，而峰值右側下降較快；當用量超過2．1kg／m2，層間抗剪強度明顯降低，防水粘結層此時可能成為滑動層；而當用量達到2．5kg／m2時，從層間破壞特征來看，防水粘結層與水泥混凝土試件及瀝青混凝土之間并未發生明顯的剪切破壞，而主要是由于防水粘結層自身出現自由滑動而導致破壞．

根據上述試驗結果，考慮混凝土橋面板粗糙程度的變異性和防水粘結層的傳統施工工藝，確定橡膠瀝青作為防水粘結層材料時，其合適灑布量范圍應為1．6～2．0kg／m2，灑布溫度為190～200℃．在實際施工中，灑布量應視橋面粗糙狀況以及撒布碎石情況決定，粗糙程度較大或撒布碎石粒徑較小時取低值，反之則取高值．

3.2 碎石撒布工藝

為防止在施工過程中出現運輸車輛及攤鋪機的粘輪現象而影響防水粘結層的施工質量，需要在噴灑完熱瀝青之后，撒布適量的干燥且潔凈的碎石，然后再用膠粉壓路機輕碾1～2遍，而且，撒布適量的碎石也能夠有效增加層間摩擦效果．本節主要確定碎石撒布用量及其粒徑對其層間抗剪強度的影響．具體試驗條件為：溫度60℃；剪切速率10mm／min；撒布碎石粒徑為2．36～4．75mm和4．75～9．5mm，撒布量為滿鋪面積的70%左右，即10kg／m2左右（每塊試件上撒布碎石60～80g）；橡膠瀝青噴涂溫度為185～190℃，碎石撒布溫度為室溫．防水粘結層在不同撒布工藝下的抗剪強度數據見表1．

表1 防水粘結層在不同撒布工藝下的抗剪強度試驗數據（60℃）

由表1試驗數據可以看出：

1）在試驗范圍內，粒徑為2．36～4．75mm的碎石能夠有效提高層間抗剪強度，而粒徑為4．75～9．5mm的碎石卻使其有所降低．究其原因，主要是因為相比于防水粘結層的噴灑厚度（1．5～2．5mm），碎石粒徑過大會導致其不能完全被橡膠瀝青所覆蓋，從而增加了相對滑動的可能性，使其成為滑動層．而且，當碎石粒徑過大時，瀝青混凝土鋪裝層將更多地與碎石嵌擠在一起，并沒有真正跟防水粘結層結合為一體，從而降低了層間抗剪強度．

2）隨著橡膠瀝青用量的增加，層間抗剪強度均有所提高，但超過一定用量時會使抗剪強度有所降低．這主要是因為隨著瀝青用量的增加，碎石被瀝青裹覆的程度越來越好，一定程度上減小了其相對滑動的可能性，但當瀝青用量更大時，過多的自由瀝青也會增加其滑動性，從而降低碎石間的嵌擠性；另外，隨著碎石粒徑的減小，瀝青混凝土鋪裝層能夠更充分地與防水粘結層結為整體，從而有效地提高層間結合性能．

由此可見，碎石必須與橡膠瀝青穩定地構成整體從而再將水泥混凝土橋面板和瀝青混凝土鋪裝層粘結起來，才能夠真正提高層間抗剪性能．加強碎石與橡膠瀝青間的粘結，應該能夠有效提高其整體的層間抗剪性能．為此，將粒徑為2．36～4．75mm的碎石在160～165℃下預熱后再進行撒布，在同樣條件下進行上述試驗，可以看出，撒布預熱處理后的碎石，能夠明顯增加層間抗剪強度，試驗數據見表2．

表2 防水粘結層在撒布預熱處理后碎石下的層間抗剪強度試驗數據（60℃）

因此，為充分發揮和提高層間抗剪效果，建議在施工中使用粒徑為2．36～4．75mm的潔凈碎石，灑布量控制為10kg／m2左右（即滿鋪面積的60%～80%），并適當提高橡膠瀝青的噴灑溫度（190～200℃）和用量（1．8～2．2kg／m2）．如果有條件的話，建議將撒布碎石進行預熱處理．

3.3 混凝土表面狀況預處理

為提高層間抗剪效果，使橋面板和混凝土鋪裝層通過防水粘結層真正結合為整體，需要對橋面板進行拉毛預處理．而根據國內外相關研究［10］，層間抗剪強度與橋面板粗糙程度并非是完全的線性增長關系，當橋面板粗糙到某一特定值時，層間抗剪強度反而會有下降趨勢，不同的防水層材料對這一特定值有不同的限定．

本節以層間抗剪強度最大為判據，對混凝土橋面板的最佳處理狀況進行量化分析．試驗條件為：溫度為25℃；剪切速率10mm／min；橡膠瀝青噴灑量為1．8kg／m2；不撒布碎石；將橋面板處理成不同粗糙面來考察其對層間抗剪性能的影響．其中，光滑面是指用人工磨制，原狀是指成型后不做任何處理，粗糙面是通過表面噴砂處理（噴砂施工情況見圖4）來模擬拉毛后的實際效果．混凝土表面粗糙程度用擺式摩擦儀測定的抗滑值（BPN）來表示．

圖4 橋面噴砂機及對室內混凝土試件進行表面處理

隨機選取表面處理情況分別為光滑、原狀和粗糙狀況的試件進行試驗，從宏觀方面初步研究表面狀況對層間剪切強度的影響情況，試驗數據見表3．

表3 防水粘結層在不同界面狀況的層間抗剪強度試驗數據（25℃）

由表3試驗數據可以看出：對于不同的混凝土表面狀況，層間抗剪強度有一定差別，具體表現為：原狀表面的層間抗剪強度最小，其次為經打磨處理的光滑表面，抗剪強度最大的為經過噴砂處理的粗糙表面．其原因可能是：（1）原狀混凝土表面有粘結力較小的浮漿或受到污染或有未清潔干凈的塵土等，減小了抵抗水平剪力的有效面積，更容易被剪切破壞；（2）新鮮的光滑表面避免了原狀表面的上述現象，與橡膠瀝青的粘結力較大，層間抗剪強度有所增大；（3）混凝土表面具有一定的粗糙程度，有利于增加層間摩擦力，從而提高抗剪強度．由此初步看出，水泥混凝土橋面板表面進行噴砂處理對于提高層間抗剪強度的重要性．

在此基礎上，進一步量化分析橋面板表面粗糙程度對層間抗剪強度的影響規律，試驗數據見表4，相關性回歸曲線見圖5．

表4 不同粗糙程度混凝土試件下的層間抗剪強度試驗數據（25℃）

圖5 防水粘結層層間抗剪強度與橋面板表面粗糙程度之間回歸關系曲線

由防水粘結層層間直剪試驗得出結論，層間抗剪強度隨垂直應力的增大而近似線性增大，適用于摩爾強度理論，即當τ≤c＋σtgφ時，層間不會發生剪切破壞．而橋面鋪裝層層間接觸面上的材料近似為顆粒性材料，其層間抗剪強度主要來自于防水粘結層與瀝青面層和水泥混凝土橋面板之間的粘聚力c，以及防水粘結層與面層和橋面拌之間滑動摩擦所引起的摩阻力σtgφ．

由圖5曲線可以看出：隨著混凝土表面粗糙程度的增大，層間抗剪強度先上升后下降．混凝土表面相對比較光滑時，層間摩阻力較低；隨著粗糙程度的增加，摩阻力增大，剪切強度逐漸提高；但隨著粗糙程度的進一步增大，表面紋理加深，構造深度增大，部分防水材料可能聚集在混凝土表面紋理中，而無法形成均勻的防水層，反而使得粘結力下降，導致剪切強度降低．

同時，圖3曲線也說明：混凝土橋面板過于光滑或過于粗糙都不利于防水粘結層層間抗剪強度的發揮，當其抗滑擺值在45～55之間時，層間抗剪強度出現最大值．因此，在橋面預處理時，應注意表面粗糙程度，將其嚴格控制在合理的范圍內．對試驗數據進行量化分析，得出橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪強度與橋面板抗滑值間的關系式為

3.4 環境溫度影響

夏季高溫季節，防水粘結層和瀝青混凝土鋪裝層的模量降低，與水泥混凝土橋面板相差很大，使得粘結強度降低，在行車荷載等剪切作用下，極易形成推移、擁包等病害［10］．因此，非常有必要控制防水粘結層在高溫下的抗剪強度值．本節主要確定環境溫度對其層間抗剪性能的影響，剪切速率為10mm／min；橡膠瀝青噴灑量為1．8kg／m2；不撒布碎石，層間抗剪強度與環境溫度的關系曲線見圖6．

圖6 防水粘結層層間抗剪強度與環境溫度間的回歸關系曲線

由圖6試驗數據可以看出：橡膠瀝青防水粘結層在60℃時的抗剪強度分別相當于15℃和25℃時的1／4和1／3，說明層間抗剪強度隨溫度變化較大，尤其在高溫下的抗剪強度明顯降低．而這剛好與橋面主要集中在夏季高溫時發生推移、擁包等病害的情況相吻合．由層間抗剪強度計算公式τ＝c＋σtgφ分析原因，在夏季高溫季節，橡膠瀝青粘度降低，抗流動能力減小，直接導致與水泥混凝土橋面板之間的粘結力c下降，從而使得橋面在夏季高溫時容易出現推移、擁包等病害．本節試驗直接反映了高溫環境對層間結合穩定性的破壞作用，因此，必須嚴格控制防水粘結層材料在高溫狀態下的抗剪能力．對試驗數據進行量化分析，得出橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪強度與環境溫度間的關系式為

4 結 論

文中基于室內剪切試驗對橡膠瀝青防水粘結層的層間抗剪性能進行系統的分析和研究，確定影響其層間結合穩定性的各種因素及規律，得出以下主要結論：

1）為提高橡膠瀝青防水粘結層的層間抗剪效果，建議撒布粒徑為2．36～4．75mm的潔凈碎石，灑布量控制為10kg／m2左右，并適當增加橡膠瀝青的噴灑溫度（190～200℃）和用量（1．8～2．2kg／m2）．如果有條件的話，建議將撒布碎石進行預熱處理．

2）為充分發揮橡膠瀝青防水粘結層的層間抗剪效果，應將水泥混凝土橋面板的表面粗糙程度控制在合理的范圍內，橋面板過于光滑或過于粗糙都不利于橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪強度的發揮，當其抗滑擺值在45～55之間時，其層間抗剪強度出現最大值．

3）環境溫度是影響橡膠瀝青防水粘結層層間抗剪性能的關鍵因素，必須嚴格控制橡膠瀝青在高溫狀態下的抗剪和粘結性能．

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