環(huán)氧瀝青橋面黏結(jié)防水層試驗(yàn)研究

張衛(wèi)華

（呂梁市交通運(yùn)輸局，山西 呂梁 033000）

1 概述

橋面鋪裝大多采用瀝青類材料，它與水泥混凝土橋面板或鋼橋面板之間需要通過(guò)防水黏結(jié)層進(jìn)行結(jié)合，而黏結(jié)材料的強(qiáng)度對(duì)橋面鋪裝的使用壽命有很大的影響。如果橋面鋪裝產(chǎn)生層間剝離現(xiàn)象，將導(dǎo)致橋面鋪裝工作狀態(tài)的迅速惡化，行車(chē)荷載作用下，鋪裝層便會(huì)產(chǎn)生推移病害，隨著降雨等水分的滲入，橋面鋪裝產(chǎn)生松散或坑槽，如養(yǎng)護(hù)維修不及時(shí)，還會(huì)波及橋面結(jié)構(gòu)的損壞以及鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致橋梁承載力下降、使用壽命縮短。大量的研究表明，瀝青類鋪裝層損壞的主要原因是黏結(jié)層材料的黏結(jié)強(qiáng)度不足和層間處治不當(dāng)所致。

橋面鋪裝常用防水層的材料有乳劑型黏結(jié)材料、熱熔性黏結(jié)材料和熱固性黏結(jié)材料（卷材類防水材料已很少使用）。

乳劑型黏結(jié)材料一般多指乳化瀝青和改性乳化瀝青。熱熔性黏結(jié)材料由瀝青摻加各種高分子聚合物（如SBS、PE 等）或橡膠材料組成，即聚合物（或橡膠）改性瀝青。這類材料具有一定的變形適應(yīng)能力，不足之處是在高溫時(shí)容易軟化，導(dǎo)致黏結(jié)力下降。目前，國(guó)內(nèi)有不少橋梁在通車(chē)后幾年內(nèi)橋面即出現(xiàn)了推移變形等病害。熱固性黏結(jié)材料主要指環(huán)氧瀝青。同前兩類材料相比，這種材料黏結(jié)能力高、適應(yīng)變形能力強(qiáng)，尤其是在高溫條件下不軟化、不變形，具有較高的力學(xué)性能，遠(yuǎn)高于橋面鋪裝層在夏季高溫條件下對(duì)材料的強(qiáng)度要求[1]。

2 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層材料的性能

評(píng)價(jià)黏結(jié)層性能最常用的指標(biāo)是剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，二者都是反映材料黏結(jié)力的主要力學(xué)指標(biāo)。

環(huán)氧瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度有兩個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一是材料自身的黏結(jié)強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)定它與鋼板之間的黏結(jié)力來(lái)評(píng)價(jià)；二是它在水泥混凝土和瀝青混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度，需要采用專門(mén)制作的黏結(jié)力試件來(lái)檢測(cè)評(píng)價(jià)。

2.1 抗剪切性能

用于鋼橋面防水黏結(jié)層的環(huán)氧瀝青，20℃的抗剪強(qiáng)度可達(dá)到5～8 MPa，用于水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層的黏結(jié)材料受力條件優(yōu)于鋼橋面，不必要采用太高抗剪切強(qiáng)度的黏結(jié)材料。黏結(jié)材料自身的黏結(jié)強(qiáng)度（以它與鋼板之間的黏結(jié)強(qiáng)度表示）只要不小于1.0 MPa 即可。本文重點(diǎn)研究用于水泥混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝之間的材料黏結(jié)強(qiáng)度及其特性。

車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)輪產(chǎn)生的摩阻力對(duì)鋪裝層和黏結(jié)層施加了水平推力，特別是載重汽車(chē)在較大縱坡的下坡路段行駛時(shí)，水平推力更大，最不利的情況是夏季高溫條件下的行車(chē)作用。有關(guān)研究認(rèn)為，最不利條件下的層間最大剪應(yīng)力可達(dá)到0.68 MPa。因此，黏結(jié)層的抗剪切強(qiáng)度不應(yīng)低于這個(gè)數(shù)值。

黏結(jié)層材料受剪性能的加載剪切試驗(yàn)原理如圖1 所示。當(dāng)對(duì)試件施加荷載P 時(shí)，試件受剪面上的剪切應(yīng)力τ =P/S，式中S 為試件受剪切截面積。將試件切割成一定尺寸，測(cè)試所施加的最大破壞荷載P。試驗(yàn)加載速度為50 mm/min。

圖1 橋面鋪裝界面受力狀態(tài)示意圖

該研究對(duì)環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料做了3 種溫度（20℃、35℃和60℃）條件下的黏結(jié)層剪切試驗(yàn)，材料為T(mén)PM-FN-H 型水泥橋面黏結(jié)層環(huán)氧瀝青，技術(shù)性能執(zhí)行DB14/T 1327—2016 地方標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所列。

試件制作方法：在50 mm 厚的C30 水泥混凝土板上涂刷1.0 kg/m2黏結(jié)材料后，加鋪50 mm 厚SBS改性瀝青混合料，120℃烘箱中經(jīng)過(guò)6 h 固化后，切割成90 mm×90 mm 的試件（厚度為100 mm）。鋼板與鋼板的面積是100 mm×100 mm。

表1 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層剪切試驗(yàn)結(jié)果

從表1 可以看出，鋼板與鋼板之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層，無(wú)論是20℃或35℃的抗剪強(qiáng)度均大于1.0 MPa，60℃的抗剪強(qiáng)度也接近1.0 MPa，破壞面位于黏結(jié)層。瀝青混凝土與C30 混凝土之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層，20℃條件下抗剪強(qiáng)度大于1.0 MPa，破壞面位于黏結(jié)層；35℃條件下，抗剪強(qiáng)度為0.76 MPa，剪切破壞發(fā)生在瀝青混凝土界面，這就意味著環(huán)氧瀝青的黏結(jié)力大于被黏結(jié)對(duì)象（瀝青混凝土）的強(qiáng)度；60℃條件下的強(qiáng)度為0.32 MPa，瀝青混凝土已經(jīng)破壞。從表1 中可以看出，環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度不同溫度下均高于改性瀝青。

2.2 抗拉拔性能

水泥混凝土和瀝青混凝土鋪裝層之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層抗拉拔試驗(yàn)，試件制作方法和剪切試驗(yàn)相同，不同的是采用了圓柱形拉拔試件。即：固化成型后采用100 mm 直徑的鉆心機(jī)鉆取圓柱形試件，在規(guī)定溫度下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 黏結(jié)層拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果[1]

由表2 中的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，組合1 中，在20℃和35℃溫度下環(huán)氧瀝青的黏結(jié)力均大于1.0 MPa，60℃溫度下的黏結(jié)強(qiáng)度也接近1.0 MPa，改性瀝青黏結(jié)料20℃的拉拔強(qiáng)度為0.66 MPa，均大于力學(xué)計(jì)算得出的層間豎向最大拉應(yīng)力0.633 MPa。而改性瀝青黏結(jié)料在大于35℃溫度下的拉拔強(qiáng)度卻低于層間豎向最大拉應(yīng)力。

組合2 中，在20℃溫度下的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度為0.94 MPa，改性瀝青黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度為0.65 MPa，也能滿足最大拉應(yīng)力要求。但35℃以上時(shí)拉拔強(qiáng)度則較小，其破壞面位置在瀝青混合料界面。實(shí)際上，在這一溫度條件下檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是瀝青混合料中結(jié)合料的強(qiáng)度，而非黏結(jié)層的黏結(jié)力（聚合物改性瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：20℃時(shí) 1.29 MPa，25℃時(shí) 0.51 MPa，35℃時(shí) 0.26 MPa；C30～C50 混凝土的抗拉強(qiáng)度為1.7～2.4 MPa）。在60℃情況下試件已經(jīng)破壞，不能完成拉拔試驗(yàn)。

從組合1 的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，環(huán)氧瀝青黏結(jié)料在各種溫度條件下的黏結(jié)強(qiáng)度均大于或接近于1.0 MPa，而聚合物改性瀝青的黏結(jié)力都遠(yuǎn)小于前者。事實(shí)上，環(huán)氧瀝青混凝土試件在常溫下的抗拉強(qiáng)度大于1.5 MPa[1]，且隨溫度的改變，強(qiáng)度變化較小。說(shuō)明環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料在用于防水黏結(jié)層時(shí)，黏結(jié)力優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 應(yīng)用實(shí)例

2011 年8 月，太原機(jī)場(chǎng)快速路高架橋二標(biāo)段采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層28 000 m2。2012 年9 月，太舊高速公路武宿立交橋橋面大修工程采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層24 000 m2。使用效果良好，至今橋面無(wú)任何病害。尤其是武宿立交橋，在重載交通條件下使用6 年，保持了良好的使用效果。2013 年在重慶“涪- 豐- 石”高速公路采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層170 000 m2，通車(chē)5 年來(lái)橋面結(jié)構(gòu)未發(fā)生早期損壞現(xiàn)象，使用狀況良好。2014 年在京港澳高速公路石家莊繞城段改擴(kuò)建工程中，用于滹沱河大橋等4 座橋梁的橋面防水黏結(jié)層，到目前已運(yùn)營(yíng)4 年多，使用狀況完好。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層是一種很好的橋面功能層，有利于瀝青混凝土橋面鋪裝和水泥混凝土鋪裝層之間的充分結(jié)合，確保橋面鋪裝層與下承層形成共同受力體，延長(zhǎng)橋面鋪裝層的使用壽命。同時(shí)，還有利于提高橋面鋪裝層的防水性能，既保護(hù)橋面鋪裝自身不受水的破壞，也對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起到很好的保護(hù)作用，延長(zhǎng)橋梁主體結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高了橋梁服務(wù)水平，減少了橋面及橋梁結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。