基于復(fù)合梁彎曲疲勞試驗的水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層材料優(yōu)選

■康文娟

(武夷新區(qū)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，南平 350703)

0 前言

橋面防水粘結(jié)層性能直接影響橋面鋪裝層行車安全性、舒適性，這是因為橋面板和鋪裝層的材料性質(zhì)差異較大，層間處理不當(dāng)時在車輛荷載反復(fù)作用下，將會引起推移擁包、鋪裝層開裂等病害，大大縮短鋪裝層的使用壽命[1]。所以，合理選擇橋面防水粘結(jié)層材料、優(yōu)化設(shè)計粘結(jié)層灑布量對于保證橋面鋪裝和橋梁耐久性至關(guān)重要。當(dāng)前國內(nèi)外針對橋面鋪面防水粘結(jié)材料開展了大量研究工作：如文獻(xiàn)[2]基于MTS試驗系統(tǒng)直剪試驗夾具，對ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂復(fù)合試件抗剪切性能進(jìn)行評價。文獻(xiàn)[3]將高彈性改性瀝青應(yīng)用到防水粘結(jié)層并提出防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層的設(shè)計方法，以解決高海拔山區(qū)橋面防水粘結(jié)層低溫粘結(jié)強度與抗剪切強度不足的問題。文獻(xiàn)[4]以SBS改性瀝青防水粘結(jié)層材料為例，引入灰度值指標(biāo)研究了橋面粗糙度指標(biāo)與拉拔強度和剪切強度之間的關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[5]通過斜剪試驗、拉拔試驗比選了六種常用防水粘結(jié)層材料的力學(xué)性能，確定了最佳防水粘結(jié)層材料，并研究了灑布量與抗剪強度、拉拔強度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]指出鋪裝層、防水層不僅要承受拉區(qū)的彎拉變形，同時也要承受荷載、溫度在裂縫處產(chǎn)生反復(fù)的溫度及荷載應(yīng)力，因此應(yīng)控制梁體在裂縫反復(fù)開合情況下防水薄膜適應(yīng)疲勞拉伸變形的能力。文獻(xiàn)[7]分析了瀝青混凝土鋪裝層和防水層的模量、厚度等參數(shù)變化對鋪裝層結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力的影響，探討了瀝青混凝土和防水層鋪裝結(jié)構(gòu)內(nèi)荷載彎曲應(yīng)力的變化規(guī)律。

綜上所述，目前關(guān)于防水粘結(jié)層材料的研究和應(yīng)用聚焦于其抗剪性能、粘結(jié)性能的評價與優(yōu)化，而關(guān)于防水粘結(jié)層對整體鋪裝材料抗疲勞性能的影響雖然逐漸得到重視，但相關(guān)的試驗研究仍較為少見。為此，本文以水泥混凝土橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為研究對象，室內(nèi)制備雙層車轍板模擬橋面鋪裝形式，基于復(fù)合梁疲勞試驗系統(tǒng)評價水泥橋面防水粘結(jié)層對鋪裝結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的影響，為橋面防水粘結(jié)層進(jìn)一步研究與應(yīng)用奠定了試驗基礎(chǔ)。

1 試驗方法

1.1 測試方法

在車輛荷載作用下，瀝青鋪裝層內(nèi)的應(yīng)力變化與小梁彎曲受力相符合，因此決定采用小梁彎曲疲勞試驗，所用試件自上而下包括鋪裝下層、防水層和水泥混凝土板。

結(jié)合我國橋面體系最大概率的服役溫度范圍，本文復(fù)合梁疲勞試驗溫度設(shè)定為15℃、25℃和35℃。有研究證明當(dāng)加載頻率為10HZ，相當(dāng)于行車速度為60km/h，所以，本文疲勞試驗采用正弦波，加載的頻率采用10HZ、15HZ和20HZ。目前關(guān)于疲勞試驗按加載模式可分為應(yīng)力控制模式與應(yīng)變控制模式[8]，具體采用何種方式并無統(tǒng)一規(guī)定，本文考慮到試驗時間、操作簡便性采用應(yīng)力控制模式；依據(jù)應(yīng)力等效原則換算，復(fù)合梁中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力應(yīng)與實橋鋪裝層中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力相稱，同時考慮到荷載水平的選擇既要能較好反映鋪裝層的抗疲勞性能又不至于使試驗時間過長，本文采用7KN作為加載力進(jìn)行復(fù)合梁疲勞試驗[9]。試驗結(jié)果可得到疲勞壽命指標(biāo)來橫向比較各試件的抗疲勞性能優(yōu)劣。

1.2 原材料

鋪裝下層瀝青混合料AC-20型礦料級配設(shè)計如圖1所示，膠結(jié)料為SK70號瀝青，瀝青用量按馬歇爾法設(shè)計為4.7%。

防水粘結(jié)層類型包括橡膠瀝青同步碎石封層、SBS改性瀝青同步碎石封層和SBS改性乳化瀝青，另外還設(shè)置一組無粘層油試件作為對比組。粘結(jié)層材料SBS改性瀝青、橡膠瀝青和SBS改性乳化瀝青技術(shù)性能分別如表1～2所示。

表1 SBS改性瀝青、橡膠瀝青技術(shù)性能

表2 SBS改性乳化瀝青技術(shù)性能

圖1 AC-20型礦料合成級配曲線圖

水泥板材料采用硅酸鹽水泥、石灰?guī)r粗骨料、機制砂等，各項材料性質(zhì)均能夠滿足使用要求。

1.3 試件制備

為了使小梁疲勞試件與實際橋面鋪裝層的使用狀況接近，復(fù)合梁試件的成型過程同施工現(xiàn)場工序相同。

(1)成型與實際橋面板相同的標(biāo)號C55水泥混凝土板(試件尺寸為30cm30cm5cm)，將成型好的水泥混凝土板放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室28d。

(2)將已達(dá)養(yǎng)生齡期的混凝土板表面充分清洗干凈，并根據(jù)防水粘結(jié)層類型按不同工序在其上設(shè)置防水粘結(jié)層。SBS改性瀝青、橡膠瀝青碎石防水粘結(jié)層是先在水泥板上涂抹SBS改性瀝青、橡膠瀝青，然后在其上面灑布碎石。碎石灑布量的多少會直接影響碎石對瀝青層的覆蓋率；如果碎石灑布過多，則會出現(xiàn)碎石層重疊現(xiàn)象；如果石料灑布過少，則會出現(xiàn)使瀝青膜局部沒有覆蓋現(xiàn)象，壓路機碾壓時就會出現(xiàn)嚴(yán)重的粘輪現(xiàn)象；所以本文選擇粒徑為9.5～13.2mm的單粒徑碎石，以85%的碎石覆蓋率確定碎石撒布量為15kg/m2。SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層則只是涂抹粘結(jié)劑，而不撒布碎石。

(3)將拌和好的AC-20瀝青混合料按計算用量倒入30cm×30cm×10cm的試模內(nèi)，采用輪碾法成型雙層車轍板。

(4)成型好的雙層車轍板放置兩天后，將其切割成高10cm、寬10cm、長為30cm的足厚尺寸的小梁。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同粘結(jié)層材料類型及灑布量對應(yīng)復(fù)合梁承載次數(shù)比較

在25℃、10HZ試驗條件下不同類型橋面防水粘結(jié)層材料對應(yīng)復(fù)合梁疲勞作用次數(shù)隨其灑布量變化如圖2～圖4所示。

圖2 橡膠瀝青防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件承載次數(shù)隨灑布量變化曲線

圖3 SBS改性瀝青防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件承載次數(shù)隨灑布量變化曲線

圖4 SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件承載次數(shù)隨灑布量變化曲線

從圖2～圖4中可以看出，在設(shè)定灑布量范圍內(nèi)，橡膠瀝青、SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件的承載次數(shù)曲線均隨灑布量的增加而表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且粘結(jié)劑在不同灑布量下承載次數(shù)有明顯差距，這一方面說明防水粘結(jié)層粘結(jié)劑灑布量顯著影響橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能；另一方面也說明了復(fù)合梁疲勞試驗可用于優(yōu)化選擇橋面防水粘結(jié)層粘結(jié)劑的灑布量。試驗結(jié)果表現(xiàn)出以上規(guī)律，是因為防水粘結(jié)層粘結(jié)劑灑布量較少時難以完全裹覆層間的碎石，相當(dāng)于認(rèn)為制造了夾層，當(dāng)灑布量過高時，多余的瀝青反而形成潤滑層。SBS改性乳化瀝青粘結(jié)層雖未使用碎石，但其用量較少時對水泥板和鋪裝下層的粘結(jié)效果有限，用量較多是同樣會在層間形成潤滑層從而削弱試件整體性。根據(jù)曲線的趨勢可以看出橡膠瀝青、SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層粘結(jié)劑的優(yōu)選灑布量分別為2.1、1.8、1.0kg/m2。

圖5 各粘結(jié)層材料優(yōu)選灑布量下復(fù)合梁承載次數(shù)比較(25℃、10Hz)

進(jìn)一步比較各防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件粘結(jié)劑在最優(yōu)灑布量下的承載次數(shù)可知：設(shè)置有防水粘結(jié)層的試驗組抗疲勞性能均好于未設(shè)置粘結(jié)層的參考組；其中橡膠瀝青的抗疲勞性能最優(yōu)，SBS改性瀝青略差于橡膠瀝青而顯著好于SBS改性乳化瀝青。這主要是由于橡膠瀝青和SBS改性瀝青作為粘結(jié)層時有更好的粘結(jié)效果，不容易使層間出現(xiàn)滑移、脫離現(xiàn)象，使復(fù)合梁成為良好的受力整體，提高其疲勞壽命。另外橡膠瀝青和SBS改性瀝青防水粘結(jié)層都灑布了碎石，形成了一個應(yīng)力吸收層，分散了鋪裝層受力，延緩了裂縫產(chǎn)生速率。SBS改性瀝青與SBS改性乳化瀝青的自身性能雖然差別不大，但是由于粘結(jié)溫度不同，而造成粘結(jié)強度形成過程有較大差異。而參考組鋪裝層間無粘結(jié)劑，試驗進(jìn)行到一定次數(shù)，鋪裝層就與水泥混凝土梁脫離，使整個復(fù)合梁的疲勞壽命明顯減小，說明不設(shè)粘結(jié)層的橋面鋪裝層容易脫離，疲勞壽命減小。另外不同防水粘結(jié)層在復(fù)合梁彎曲疲勞試驗中表現(xiàn)出承載次數(shù)顯著差異同樣說明了復(fù)合梁彎曲疲勞試驗優(yōu)選防水粘結(jié)層的合理性。

2.2 不同試驗溫度、加載頻率下復(fù)合梁承載次數(shù)比較

由于瀝青屬于熱敏性材料，橋面防水粘結(jié)層服役過程中其性能表現(xiàn)受溫度影響，所以為研究橋面鋪裝結(jié)構(gòu)隨溫度變化規(guī)律，在最優(yōu)灑布量下對三種防水粘結(jié)層材料進(jìn)行15、25、35℃復(fù)合梁彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著溫度升高，試件的承載次數(shù)顯著降低。如橡膠瀝青粘結(jié)層的溫度由15℃升高至35℃后，其承載次數(shù)下降了21%，其他兩種試件同樣表現(xiàn)了隨溫度升高而承載次數(shù)降低的趨勢。這是因為瀝青屬于粘彈性材料，當(dāng)溫度升高時瀝青混合料強度迅速降低，抵抗荷載型裂縫發(fā)展的能力下降，同時溫度升高后結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能下降，對結(jié)構(gòu)整體受力不利。另外在較高溫度下(35℃)，相比另外兩種材料橡膠瀝青仍然保有較高的承載次數(shù)，這可能是由于其較高粘度所決定的，所以對于高溫嚴(yán)峻地區(qū)建議采用橡膠瀝青作為防水粘結(jié)層的材料。

圖6 復(fù)合梁試件承載次數(shù)隨溫度變化(10HZ)

車輛荷載作用于橋面鋪裝時，由于車速不同在鋪裝結(jié)構(gòu)層單次產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力作用時間會有所不同，為此本文以各防水粘結(jié)層粘結(jié)劑優(yōu)選用量為例，在25℃下進(jìn)行不同加載頻率(10、15、25HZ)的復(fù)合梁試件彎曲疲勞試驗，以模擬鋪裝結(jié)構(gòu)層抗疲勞性能受車載速率影響的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，試件測得的疲勞壽命均表現(xiàn)出隨著加載頻率提高而增加的趨勢。加載頻率越高意味著在單位時間內(nèi)對試件的作用次數(shù)越多，荷載每次作用時間越短，對試件的單次損傷也就越小，所以相比于低頻加載，高頻加載時試件達(dá)到相同的疲勞程度需要更多的加載次數(shù)(疲勞壽命)，這與現(xiàn)場車輛速度越高對橋面疲勞損傷越小是一致的。

圖7 復(fù)合梁試件承載次數(shù)隨加載頻率變化

3 結(jié)論

在不同溫度、加載頻率條件下通過復(fù)合梁彎曲疲勞試驗評價了水泥混凝土橋面常用防水粘結(jié)層鋪裝結(jié)構(gòu)——橡膠瀝青、SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層復(fù)合梁試件的抗疲勞性能，得出以下結(jié)論：

(1)防水粘結(jié)層類型不同時，試件抗疲勞性能有明顯差異，其中橡膠瀝青性能最優(yōu)，SBS改性乳化瀝青最差。

(2)隨著灑布量增加，各粘結(jié)層材料復(fù)合梁試件承載次數(shù)均表現(xiàn)為先升后降趨勢，橡膠瀝青、SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青防水粘結(jié)層粘結(jié)劑的優(yōu)選灑布量分別為 2.1、1.8、1.0kg/m2。

(3)試驗溫度升高、加載頻率降低，均會造成復(fù)合梁試件承載次數(shù)顯著降低，表明橋面鋪裝服役溫度和車載作用速度均會顯著影響橋面鋪裝疲勞性能。

(4)防水粘結(jié)層類型、灑布量，溫度、加載頻率等因素對復(fù)合梁彎曲疲勞試驗結(jié)果均有顯著的區(qū)分性，可用作水泥混凝土橋面防水層材料優(yōu)選的試驗方法。