橡膠環氧瀝青碎石防水黏結層抗剪性能研究

錢振東　薛永超　孫健

摘要：為了研究鋼橋面鋪裝用橡膠環氧瀝青碎石（REAS）防水黏結層的抗剪性能，并分析其與橋面坡度及環境溫度頻繁變化的關系，進行不同剪切角度和不同凍融循環次數的斜剪試驗，通過剪切界面正應力與抗剪強度的線性擬合關系計算REAS防水黏結層的黏聚力及內摩擦角，并基于能量法理論對其剪切耗散能進行研究。結果表明：添加橡膠粉的環氧瀝青黏結料（EA）體系內形成了新的化學交聯和物理纏結，表現出更好的黏結性能、抗變形能力和低溫柔韌性；不同的剪切角度及凍融循環次數下，REAS防水黏結層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結層，表現出更好的抗剪性能。同時，REAS防水黏結層的抗剪強度隨著剪切角度的增加呈冪函數減小趨勢，隨凍融循環次數的增加呈拋物線型衰減，5次凍融循環后，REAS防水黏結層的剪切耗散能相對于未凍融循環的剪切耗散能減小了46.0%，說明凍融循環對REAS防水黏結層的抗剪性能影響顯著。

關鍵詞：橡膠環氧瀝青碎石；防水黏結層；抗剪強度；黏聚力；凍融循環；剪切耗散能

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A

防水黏結層具有防水、黏結和應力吸收的作用，在鋼橋面鋪裝體系中至關重要，其好壞直接影響到橋面鋪裝的使用周期以及橋梁結構的安全，因此各國均十分重視防水黏結層的設置。橡膠瀝青碎石封層作為一種常用的防水黏結層，被廣泛應用于橋面防水鋪裝等工程中，表現出良好的應力過渡和防水黏結性能。但是由于鋼橋面所處環境的嚴峻性，較大的橋面坡度設置以及環境溫度的頻繁變化，目前工程實踐中不斷出現由于防水黏結層剪切破壞而產生的鋼橋面鋪裝層脫離、推移等病害。

橡膠環氧瀝青碎石（REAS）防水黏結層是一種由環氧瀝青黏結料（EA）、橡膠粉及碎石構成的鋼橋面用防水黏結層。其中，EA是一種熱固性材料，具有優異的黏結性、熱穩定性、密水性及耐腐蝕性，但是，當溫度降到極低時，其固化內應力會急劇增大，直接導致其脆性變大、延展性變低、抗剪切性能下降；橡膠粉是一種優良的瀝青改性劑，能顯著改善瀝青的黏彈性、溫度敏感性、彈性恢復性能以及抗剪性能。目前對這種由熱固性瀝青構成的防水黏結層的研究較少，尤其是其抗剪性能與橋面坡度及環境溫度頻繁變化的關系。

本文通過斜剪試驗對比研究REAS防水黏結層與EA防水黏結層的抗剪性能，并分析REAS防水黏結層的抗剪性能與剪切角度及凍融循環次數的關系，為REAS防水黏結層在實際工程中的應用及養護提供參考。

1原材料及試驗試件制作

1.1原材料

試驗研究采用的EA為鋼橋面用國產環氧瀝青黏結料，橡膠粉采用天津產大貨車子午胎橡膠粉，所用玄武巖碎石的粒徑為2.36～4.75 mm。各項原材料主要性能的技術要求及試驗結果見表1。

將不同粒度及摻量的橡膠粉與EA混合，制成橡膠環氧瀝青黏結料（REA），對其進行旋轉黏度試驗和直接拉伸試驗，根據實驗結果并結合鋼橋面用防水黏結層的技術要求，確定橡膠粉的最佳粒度為0.180 mm（80目），最佳摻量為4%。以最佳粒度和摻量制作REA，表2為EA與REA的性能比較。

由表2可知，REA的化學交聯度遠大于EA，這主要是由于橡膠粉的摻入，對EA進行瀝青改性時，發生了化學反應，產生了新的化學交聯；同時，添加的橡膠粉形成了網絡結構，與EA形成了一定程度的物理纏結，對EA的增韌效果做出了貢獻。

REA的拉伸強度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結強度相對于EA分別提升了11.6%，30.4%及6.6%，表現出更好的黏結性能、抗變形能力和低溫柔韌性；黏度從0到1 Pa·s的時間略微減小，在實際工程中應相應地減小REA的施工容留時間。

對不同撒布量的REA以及碎石構成的橡膠環氧瀝青碎石防水黏結層進行與鋼板之間的拉拔試驗，根據拉拔強度值確定REA及碎石的最佳撒布量分別是0.7 L/m²與3.0 kg/m²。

1.2斜剪試驗試件制作

首先將使用環氧富鋅漆進行防腐涂裝處理后的鋼橋面板加工成尺寸為50 mm×50 mm×14 mm的試塊若干個，將環氧瀝青混合料車轍板試件加工成尺寸為50 mm×50 mm×26 mm的試塊若干個；接著在鋼橋面板試塊上撒布配制好的REA，然后在REA上均勻地撒布碎石并壓實；最后將車轍板試塊壓在由REA和碎石構成的REAS防水黏結層上，并在120℃的烘箱內固化6 h，制得REAS斜剪試件，如圖1所示。其中，環氧瀝青混合料車轍板所用的混合料由鋼橋面用2910型國產環氧瀝青結合料與密級配玄武巖集料以6.5%的油石比拌合而成，該混合料強度較高，可以保證在后面的斜剪試驗中不會出現車轍板試塊被破壞的情況；REAS防水黏結層的REA撒布量和碎石撒布量分別是0.7 L/m²與3.0 kg/m²。同時，制作由鋼橋面板試塊、EA及環氧瀝青混合料車轍板試塊構成的EA斜剪試件，與REAS斜剪試件進行對比研究。

2變剪切角斜剪試驗及結果分析

2.1斜剪試驗原理

斜剪試驗可以模擬不同正壓力條件下的剪切工況，與橋面實際受力狀況較為接近，因此本文選擇通過斜剪試驗進行REAS防水黏結層界面抗剪性能測試，斜剪試驗裝置及其試驗原理如圖2所示。

試件發生剪切破壞時的荷載為P，REAS防水黏結層的剪切界面正應力和抗剪強度分別按式（1）和式（2）計算。

（1）

（2）式中：σ為剪切界面正應力；τ為抗剪強度；P為剪切破壞荷載；A為受剪面積；a為剪切角度，即剪切面與水平面的夾角。

2.2變剪切角試驗及分析

防水黏結層的抗剪強度與剪切角度密切相關，因此，文本選擇多個剪切角度進行斜剪試驗。文獻中的計算結果表明橋面鋪裝材料參數變化時，剪切角度一般在25°～30°之間，考慮橋面會存在一定坡度，剪切角度可能在25°～65°之間變化。因此，本文選取15°，30°，45°，60°及75°作為斜剪試驗的剪切角度。為盡量模擬汽車快速行駛時的橋面受力狀況，本文斜剪試驗速率設為50 mm/min，試驗溫度設為23℃，REAS斜剪試件的試驗結果如圖3所示。

通過圖3可以看出，隨著剪切角度的增大，力位移曲線越平緩，峰值荷載越小，表明越容易發生破壞；而且當剪切角度越小時，剪切角度的變化對峰值荷載影響越大。按照式（1）和式（2）計算不同剪切角度下的抗剪強度和正應力，REAS斜剪試件及EA斜剪試件的計算結果見表3。

由表3可以看出，相對于EA防水黏結層，REAS防水黏結層的抗剪強度及剪切位移均有所提高，且提高的幅度隨著剪切角度的增大而增大，表明REAS防水黏結層的抗剪性能優于EA防水黏結層，尤其在剪切角度較大時。根據表3中不同剪切角度時，REAS防水黏結層的抗剪強度與剪切角度及剪切界面正應力的關系，作圖4所示的關系曲線圖。

由圖4（a）可以看出，隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結層的抗剪強度呈冪函數減小的趨勢，剪切角度由15°增至30°過程中，REAS防水黏結層的抗剪強度減小了65.1%，剪切角度繼續增大，抗剪強度趨于穩定。因此，在坡度較大橋段更容易發生橋面鋪裝的剪切破壞。

剪切角度不同時，由圖4（b）得到REAS防水黏結層剪切界正應力和抗剪強度的線性擬合方程r=0.239 4+0.225a，引入土力學經典剪應力方程如式（3）所示：

（3）式中：σ為剪切界面正應力；c為黏聚力；τ為抗剪強度；φ為內摩擦角。

REAS防水黏結層中，REA提供黏聚力，粗糙的碎石界面提供內摩擦角，通過式（3）以及剪切界面正應力和抗剪強度的線性擬合方程可以計算出REAS防水黏結層的黏聚力為0.24 MPa，內摩擦角為12.7°。

3凍融循環斜剪試驗及結果分析

3.1凍融循環斜剪試驗

鋼橋面鋪裝結構完全處于自然環境中，經受高溫浸水和冰凍作用，對防水黏結層的性能要求更高。為評價凍融循環作用對REAS防水黏結層及EA防水黏結層抗剪強度的影響，本文設計不同凍融循環次數下的斜剪試驗，凍融循環周期為“一15℃低溫8 h+60℃水浴16 h”，剪切角度為15°，剪切速率為50 mm/min，試驗溫度為23℃，試驗結果見表4。

由表4可以看出，不同凍融循環次數下，REAS防水黏結層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結層。5次凍融循環作用后，相對于EA防水黏結層，REAS防水黏結層的抗剪強度及剪切位移分別提高了97.8%及90.9%。

為了更加直觀地評價凍融循環作用對REAS防水黏結層抗剪強度的影響程度，本文引入凍融循環抗剪強度比，即試件經n次凍融循環后抗剪強度與為未經凍融循環抗剪強度的百分比，如圖5所示。

由圖5可知，隨著凍融循環次數的增加，REAS防水黏結層的抗剪強度呈拋物線型衰減，經過3次凍融循環作用后，抗剪強度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩定；5次凍融循環作用后，抗剪強度比降至63.1%，性能下降顯著。同時，剪切界面出現明顯的水損壞，粒徑偏大的碎石基本脫落，瀝青層多處發生剝落，表明多次凍融循環將加速黏結界面的破壞，凍融循環作用對REAS防水黏結層的抗剪性能影響顯著。

3.2能量法理論分析

為深入了解REAS防水黏結層的剪切破壞過程，剖析剪切破壞機理，引入剪切耗散能指標，具體表示斜剪設備由加載至試件發生剪切破壞需要損耗的能量，按式（4）計算。

（4）式中：W_τ為剪切耗散能；F為加載力；l為豎向位移；l_τ為剪切破壞時的位移。對不同凍融循環次數的REAS斜剪試件的力位移曲線進行積分，得到剪切耗散能，如圖6所示。

從圖6可知，隨著凍融循環次數的增加，REAS防水黏結層的剪切耗散能呈減小趨勢，且減小的速度越來越快，與凍融循環抗剪強度比的變化規律基本一致。5次凍融循環后剪切耗散能較未凍融減小了46.0%，可見凍融循環將顯著影響REAS防水黏結層的抗剪性能。

4結論

1）摻入橡膠粉后的環氧瀝青黏結料體系內形成了新的化學交聯和物理纏結，拉伸強度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結強度分別提升了11.6%，30.4%及6.6%，表現出更好的黏結性能、抗變形能力和低溫柔韌性。

2）不同的剪切角度及凍融循環次數下，REAS防水黏結層的抗剪強度及剪切位移均大于EA防水黏結層，表現出更好的抗剪性能。

3）隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結層的抗剪強度呈冪函數減小的趨勢；不同剪切角度時，REAS防水黏結層的剪切界面正應力和抗剪強度呈線性變化，通過其擬合方程得到REAS防水黏結層的黏聚力為0.24 MPa，內摩擦角為12.7°。

4）隨著凍融循環次數的增加，REAS防水黏結層的抗剪強度呈拋物線型衰減；經過3次凍融循環作用后，REAS防水黏結層的凍融循環抗剪強度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩定，5次凍融循環作用后，凍融循環抗剪強度比降至63.1%，抗剪強度下降顯著；剪切耗散能隨凍融循環次數變化的規律與抗剪強度基本一致，表明多次凍融循環將加速鋪裝界面的破壞，凍融循環作用對REAS防水黏結層的抗剪性能影響顯著。