水泥混凝土橋面瀝青鋪裝防水材料合理選擇研究

高 宏

（山西遠方路橋（集團）有限責任公司，山西 大同 037005）

0 引言

隨著我國國民經濟的迅猛發展，高速公路建設取得了世人矚目的成就，公路橋梁、涵洞等構造物所占比例越來越大。據統計，高速公路的平均橋梁占有率約3座/km。橋面鋪裝作為橋面系的防護層，可以防止車輪直接磨耗橋面板，保護橋梁主體免受雨水與其他有害物質的侵蝕，并起到荷載擴散的作用[1]。橋面鋪裝質量的好壞和使用耐久性將直接影響到汽車的行駛質量和橋梁使用耐久性。水泥混凝土橋面柔性鋪裝能較好地緩和行車荷載對橋面板的沖擊，易達到運營中平整舒適的要求，故在高等級公路橋面鋪裝中多被采用[2]。然而，柔性橋面鋪裝常由于層間黏性性能不足，在橋面板與防水黏結層之間或防水黏結層與瀝青鋪裝層之間黏結失效，導致結構整體性下降[3-6]。此外，現有橋面鋪裝結構常把防水層和黏結層當作一層設計，黏結性的破壞就導致鋪裝層抗滲透性下降，冒漿現象隨之出現[7-8]。目前，我國水泥混凝土橋面柔性鋪裝結構多直接套用瀝青路面設計中的上面層和中面層組合，但由于材料剛、柔差異較大，荷載作用下層間應力與普通瀝青路面相比將增加40%或者更大。這種經驗性的設計方法，導致橋面鋪裝偏于不安全，會造成較大的經濟損失[9]。

柔性鋪裝常用的防水黏結層包括涂膜類、卷材類、封層類、混合料類等。涂膜類防水黏結層（乳化瀝青）在少雨地區較為常見，但性能較差；卷材類防水黏結層對橋面的打毛工藝要求較高，成本較高；封層類防水黏結層應用較為廣泛，設備成熟；混合料類（瀝青砂、SMA-5等）防水性能較好，但成本較高[10-13]。本文針對常用的防水黏結層進行研究，通過室內試驗對比分析其黏結性能、防水性能，為水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構的防水黏結層設計奠定理論基礎。

1 試驗材料

1.1 瀝青涂膜類

試驗采用的涂膜類材料來自山西交科新材料有限公司研發的防水涂層，由高彈橡膠和瀝青制備而成，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的試驗方法測試涂膜瀝青的各項指標如表1所示。

試驗過程中，材料的用量為0.8 kg/m2。

1.2 卷材類

試驗采用的防水卷材為濟南某有限公司提供的路橋專用APA改性瀝青防水卷材，具有足夠的強度和耐溫變性能，采用人工布設方式進行施工。其技術指標如表2所示。

試驗時，防水卷材的厚度設計為3 mm。

1.3 封層類

試驗測試的封層類防水材料為橡膠瀝青碎石封層，橡膠瀝青的噴灑量為2.2 kg/m2，單粒徑 9.5～13.2 mm碎石的用量為9.5 kg/m2。

1.4 混合料類

參照SMA良好的高溫穩定性，富油夾層的封水性能，采用SMA-5作為防水黏結功能層。

表3 SMA-5配比

試驗時，SMA-5的厚度設計為1.5 cm。

2 評價方案

2.1 評價方法

分別對防水黏結層與水泥層和瀝青層的各性能進行測試，采用雙層車轍試模成型復合式車轍試件（水泥混凝土板+防水黏結層+瀝青層），進行60℃車轍試驗后，對試件進行相應的性能測試，對比分析不同防水黏結層的黏結性能、防水性能的下降情況。

2.2 試驗方法

2.2.1 黏結、抗剪性能

將不同的防水黏結材料分別布設到打毛的水泥板、瀝青混凝土層上，分別測試防水黏結材料與兩種材料的黏結性能和抗剪切性能。并對車轍試驗后的試件以輪跡為中心，鉆取直徑10 cm芯樣，測試其結構整體的黏結與抗剪性能。

2.2.2 滲水性能

成型的復合式車轍試件，利用環氧樹脂對試件的四周進行密封，在車轍試驗前后分別進行滲水試驗。評價不同類型防水材料的防水性能，并間接反映運營過程中其在上面層對防水層的破壞情況。

2.2.3 高溫穩定性

60℃車轍試驗后，計算復合式試件的動穩定度，對比評價防水黏結層對鋪裝結構高溫性能的影響，以及是否會發生泛油病害。

2.2.4 抗裂性能

采用多功能檢測車對4種防水黏結層橋面鋪裝試驗路進行測試，以運營2年后的瀝青面層開裂情況，評價其對瀝青層抗裂性能的影響。

3 試驗結果討論

為深入研究不同類型防水材料的性能，按照《公路水泥混凝土路面施工技術規范》（JTG F30—2003）設計路用C30混凝土，并成型試件，人工將水泥混凝土表面進行軟拉毛，養生28 d。增設防水黏結層，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）設計AC-13配合比，成型復合式試件，測試不同防水結構下的橋面鋪裝黏結、防水性能。

3.1 黏附性能

在室溫下，采用拉拔儀對不同類型防水層與水泥板和瀝青層以及車轍試驗后的結構層進行黏附性測試，試驗結果如表4所示。

從表4可以看出，不同的防水材料與瀝青混合料的黏附優于與水泥混凝土板的黏附及抗剪性能，而富油混合料與水泥混凝土板和瀝青混合料的黏附性相差不大。同時，在經過車轍試驗后，增設卷材與封層材料做防水材料的橋面結構整體黏附性則小于其自身材料與上下結構層的黏附性。這表明，在荷載的重復揉搓作用下橋面鋪裝結構中的防水黏結層發生了結構變化，導致其與上下結構層的接觸面積發生變化，或者材料性能失效。瀝青膜相對較薄，60℃環境下已經軟化，沒有固定的形狀，在荷載的重復作用下，使其進一步滲入上下結構層的紋理中，宏觀顯示黏附性更強。而卷材，主要依靠自身結構發揮黏結作用，在施工過程中主要是表面軟化，與上下結構層產生黏結力，但結合部位與其內部結構相比，強度明顯較低，在荷載作用下結構層界面部位易發生破壞。對于富油瀝青混合料而言，其骨架結構能夠保證其在荷載作用下不發生較大的變形，且較大的瀝青用量在荷載作用下瀝青常向兩側移動，瀝青比例的增加可在一定程度上修復界面已經存在的微小破壞，宏觀顯示受荷載影響不明顯。

3.2 抗剪性能

在室溫下，采用直剪切儀對不同類型防水層與水泥板和瀝青層以及車轍試驗后的結構層進行剪切測試，試驗結果如表5所示。

表5 不同防水層抗剪性能 MPa

通過表5可以看出，瀝青膜、富油混合料與瀝青界面的抗剪強度大于其與水泥混凝板界面處的抗剪強度，而防水卷材和封層材料與水泥板界面處的抗剪性能更強。對比表4和表5可以發現，不同防水黏結層的抗剪強度與黏附性呈現不同的規律。相比而言，荷載作用下各種防水黏結層的抗剪強度降低相對較少。結合切割的試件剖面，瀝青與封層材料在荷載作用下，抗剪性能下降較為明顯，這是由于荷載的重復作用使得兩種材料中較薄的瀝青被硌破，或者擠到界面之外，承載剪應力的介質變少而引起。相比較而言，卷材和富油瀝青混合料的結構較為穩定，故抗剪強度下降不明顯。在實體工程中，防水黏結層由于荷載的均勻作用而發生破壞的極少，依據于上述規律，在急剎車、轉彎、長大縱坡等地方，層間剪切破壞更為嚴重，瀝青膜、封層材料的抗剪強度將更大程度地降低，發生破壞的概率更大。

3.3 防水性能

對環氧樹脂密封的試件進行滲水試驗，評價不同防水黏結材料的防水性能，測試結果如表6所示。

表6 不同防水層防水性能 mL/min

從表6可以看出，車轍試驗后只有瀝青膜和封層做防水層時，滲水系數有明顯的變化。由此可見，卷材和富油混合料具有足夠的防水性能，而瀝青膜和封層材料及其容易由于荷載的作用而造成防水性能失效。分析其原因，瀝青膜較薄，在上面層施工時就極易發生軟化流淌，其性能難以保證；而封層材料由于行車的搓移，撒布的單粒徑碎石增加了其結構穩定性以及抗變形能力，但容易發生硌破，進而防水性能下降。此外，不同的瀝青層對防水黏結層的要求、影響也不盡相同，在設計過程中可根據工程所處地域的降雨環境，以及橋面鋪裝結構瀝青混合料的類型選取防水黏結層類型。

3.4 高溫穩定性

對設置不同類型防水黏結層的復合試件進行高溫穩定性試驗，采用綜合動穩定度評價防水黏結層對鋪裝層路用性能的影響，測試結果如表7所示。

表7 不同結構車轍試驗

從表7可以明顯看出，防水卷材和封層材料對瀝青層的高溫穩定性有負面影響，且封層做防水層時，有一定的泛油現象。原因在于：防水卷材具有一定的厚度，在高溫環境下模量降低，受荷載的重復作用而產生了明顯的塑性變形，而封層材料在荷載的作用下，集料之間的搓揉導致瀝青的上移，進而易產生泛油現象。瀝青膜相對更薄，對上面層瀝青混合料幾乎不產生任何作用。而富油混合料SMA-5雖然具有較高的瀝青含量，然而其骨架性好，雖在荷載的揉搓作用下有一定的上浮，但不足以對上面層瀝青混合料的高溫穩定性產生影響。

3.5 抗裂性能

依據多功能檢測車收集的路面裂縫數量，將裂縫較窄的裂縫以0.5位系數進行換算，最終以橫向裂縫間距和縱向裂縫貫穿度為指標進行對比分析，結果如表8所示。

表8 不同結構抗裂性能

從表8可以看出，設置不同防水黏結層的柔性橋面鋪裝裂縫相對較少，縱向裂縫幾乎為零。相比較而言，瀝青膜作為防水層時裂縫產生較多，對瀝青混合料結構層的裂縫病害沒有延緩作用。防水卷材、封層材料以及富油混合料都可以較好地提高瀝青混合料的抗裂性能，延長瀝青層使用壽命。同時，現場調研發現，除富油混合料作防水層外，其他3種材料做防水層時，在泄水孔、伸縮縫處均有一定的冒“白漿”現象。

4 結論

本文通過室內測試測試了4種代表性防水黏結材料的黏結、抗剪、防水性能，對比分析了對橋面鋪裝結構層高溫穩定性的影響，并評價了荷載作用后黏結、抗剪、防水性的變化規律。并現場調查了不同防水黏結層對瀝青鋪裝層開裂性能的影響。主要結論如下：

a）防水黏結材料與瀝青混合料的黏附性優于與水泥混凝土的黏附性，荷載作用對防水黏結層的黏附性有明顯的影響，而對抗剪強度沒有明顯的影響。

b）荷載作用對防水卷材和富油瀝青混合料的防水性能沒有明顯的影響。

c）防水卷材和封層材料對瀝青層的高溫穩定性有一定的負面影響。

d）防水卷材、封層材料以及富油混合料都可以較好地提高瀝青混合料的抗裂性能。