水泥混凝土橋面復合防水粘結層的性能

張 鋒，李夢琪,2，王天宇,3，馮德成

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，哈爾濱 150090；遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110166；3. 中建國際投資(中國)有限公司，廣東 深圳 518971)

水泥混凝土橋的瀝青混凝土鋪裝層設計時，橋面板與鋪裝層之間的粘結極為重要. 由于瀝青鋪裝層和混凝土橋面板的模量相差大，當兩者形成復合結構受力時，層間會產生較大的剪應力，極易出現損傷，甚至脫離. 層間粘結的減弱，會使瀝青混合料面層承受較大剪應力，而最終誘發推移、擁包、脫層等病害[1]. 因此，對水泥混凝土橋面復合防水粘結層性能進行研究非常必要.

最初，發現在橋面鋪裝層施工后不久，防水層的防水能力就會顯著下降[2]. 文獻[3]對水泥混凝土橋面的防水粘結層的技術要求進行了明確的定義. 進而，文獻[4]采用廢舊橡膠粉改性瀝青、高分子聚合物改性瀝青等防水材料. 文獻[5]通過“雙組分環氧樹脂+鋁土巖集料”形成復合粘結層以起到防水的作用. 文獻[6]采用SBS聚合物改性乳化瀝青作為性能優良的防水粘結材料. 文獻[7]發現SBS改性瀝青作為同步碎石防水粘結層的結合料，其粘結性能優良，抗老化性能、不透水性能良好. 文獻[8]建議當下層采用澆筑式瀝青混凝土或者防水層采用瀝青系列防水材料時，粘結層宜使用瀝青橡膠系列溶劑. 文獻[9]建議應首選SBS改性瀝青和橡膠瀝青應作為混凝土橋的防水粘結層材料. 文獻[10]研制出一種新型的防水粘結層EAC，具有突出的高溫特性. 文獻[11]采用了橡膠墊防水卷材夾在兩層SBS改性瀝青之間的防水粘結層形式. 文獻[12]制備了ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂的復合試件，發現溫度對防水粘結層的抗剪性能影響很大.

針對防水粘結層的技術指標，文獻[13-15]給出了詳細的評價方法. 文獻[16]提出了評價防水材料路用性能的兩項關鍵指標，即粘結性能和抗剪性能. 文獻[17]設計了剪切-法向組合荷載的直剪試驗，來評價混凝土上加鋪瀝青層的界面粘結. 文獻[1]發現界面粗糙度會對混凝土橋面鋪裝層高溫性能有顯著的影響. 文獻[18]利層間剪切試驗，得到SBS改性瀝青、FYT-1型防水涂料和改性乳化瀝青單位面積的最佳用量，并通過拉拔試驗獲得不同防水層粘結強度的變化規律. 文獻[19]采用斜剪試驗，研究了不同級配和表面構造特征對橡膠瀝青防水粘結層的剪切性能的影響規律. 文獻[20]對ERS鋪裝體系的剪切性能進行研究，得到EBCL與鋼板以及SMA-13與RA-05之間的剪切規律.

綜上，對于防水粘結層材料的選擇和性能的評價逐漸完善，但很少有針對水泥混凝土、防水粘結層以及瀝青砂相結合的復合防水粘結層的研究. 因此，本文針對水泥混凝土橋面鋪裝的破壞形式，采用復合試件直接剪切試驗、拉拔試驗以及瀝青砂小梁低溫開裂和收縮試驗，對水泥混凝土橋面復合防水粘結層的剪切性能、粘結性能、低溫抗裂及收縮性能進行研究，以期為水泥混凝土橋面鋪裝設計提供技術支持.

1 試驗材料及試件制備

1.1 試驗材料

以黑龍江省北安—富裕高速公路的建華大橋為工程依托. 水泥混凝土橋采用C50抗滲抗凍聚丙烯纖維混凝土，并摻入質量分數為1.5%的減水劑. 根據施工現場所提供的混凝土配合比：水泥用量為490 kg、水為153 kg、10～20 mm碎石為1 084 kg、中砂為723 kg、減水劑為7.2 kg. 采用此配合比進行試拌，得到坍落度為135 mm.

復合防水粘結層下層采用哈爾濱市路同科技發展有限公司生產的SBS改性瀝青防水粘結層，上層采用AC-5瀝青砂應力吸收層. 對于AC-5瀝青砂，設計油石比為9%；3～6 mm的機制砂占31 %，0～3 mm的機制砂占62 %，礦粉占7 %.

1.2 試件制備

1.2.1 復合試件

為探究水泥混凝土橋與瀝青砂應力吸收上層之間的層間剪切與粘結性能，本文采用由AC-5瀝青砂、防水粘結層和水泥混凝土三部組成的復合試件進行試驗.

據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[21]要求，采用振動密實成型法制備300 mm×300 mm×50 mm的混凝土試件，脫模后標準養生28 d使其達到強度. 利用施工拋丸機對其表面進行鑿毛、清洗及干燥. 隨后分兩層撒布防水粘結層，每次撒布后需經4 h左右自然晾曬風干. 進而，對灑布好防水粘結層的混凝土板進行取芯，芯樣直徑為100 mm、高為5 cm的圓柱試件. 清洗干燥后，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[22]，采用旋轉壓實成型高度為5 cm的AC-5瀝青砂應力吸收層. 具體來講，將AC-5瀝青砂置于已灑布好防水粘結層的混凝土芯樣表面，采用直徑為100 mm的模具，壓實角為1.25°，壓力為600 kPa，旋轉速度為30 r/min的成型條件對試件進行100次旋轉壓實成型，最終形成水泥混凝土-防水粘結層-瀝青砂結構的復合試件，其成型過程如圖1所示.

圖1 復合試件的成型過程

1.2.2 低溫小梁試件

為探究瀝青砂應力吸收層自身的低溫特性，制備了瀝青砂小梁試件來進行低溫開裂與收縮試驗. 根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[22]，采用輪碾法制作瀝青砂車轍板，具體壓實溫度為150 ℃，成型1 d后進行脫模. 隨后將脫模好的瀝青砂車轍板切割為試驗指定規格大小，瀝青混凝土低溫開裂試驗小梁尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，低溫收縮試驗小梁尺寸為200 mm×20 mm×20 mm. 低溫小梁試件成型如圖2所示.

圖2 小梁試件的成型過程

2 試驗方法及結果分析

2.1 直接剪切試驗

2.1.1 試驗方法

為研究防水粘結層的用量對水泥混凝土下層與應力吸收上層之間剪切性能的影響，采用室內成型的復合剪切試件進行直接剪切試驗. 試驗采用TYJ-500微機控制電液伺服巖石剪切流變試驗系統，如圖3所示.

圖3 TYJ-500微機控制電液伺服巖石剪切流變試驗系統

Fig.3 TYJ-500 microcomputer controlled electro-hydraulic servo rock shear rheological test system

試驗時將制作好的復合試件按照混凝土層在下，瀝青砂層在上的順序放置于鐵質模具內，調整試件位置使粘結層正好位于剪切平面，隨后安置好相應位移傳感器. 啟動儀器后，首先對復合試件施加0.2 MPa的豎向荷載；之后啟動剪切通道，記錄所受剪切力隨位移變化曲線. 試驗中，控制剪切速率為10 mm/min，溫度為25 ℃，防水粘結層用量分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg/m2，每種防水粘結層用量條件下平行試件均為3個. 最終以試件破壞作為試驗終止條件.

2.1.2 試驗結果及分析

圖4為防水粘結層用量為0.8 kg/m2時位移與剪切力的關系曲線. 可見，在剪切試驗進行前期，剪切力隨著位移的增加緩慢增加，這時試件層間產生微小塑性變形，試件材料自身具有承擔這部分變形的能力；當位移達到2.5～3.0 mm之間時，層間產生錯動破壞，此時防水粘結層與瀝青層的碎石開始產生強度，強度隨位移的增加而快速增加，直至達到一個峰值，粘結層達到屈服極限，剪切力急劇下降，這時粘結層界面完全破壞；界面破壞后層間隨位移的變化產生滑移，微小剪切力由軸向加載產生的摩擦力提供.

圖4 位移與剪切力的典型關系曲線

Fig.4 Typical relationship between displacement and shear force

圖5為剪切試件的界面破壞時的代表形態. 可見粘結層用量適中時，剪切面能夠辨認出剪切破壞的細石料，表現出較為良好的性能；粘結層用量較小時，由于粘結層厚度較薄，會使剪切面上移，因此剪切面多為瀝青混凝土層；而粘結層用量較大時，剪切破壞面主要為SBS改性瀝青防水粘結層，這是由于瀝青是粘彈性材料，硬度較小，因此剪切強度較低.

圖5 剪切試件界面的破壞形態

根據直剪試驗測試結果，層間剪切強度為

(1)

式中：τ為剪切強度，kPa；F為最大剪切力，kN；S為剪切面積，m2.

圖6為防水粘結層用量與層間剪切強度關系曲線. 可見，當防水粘結層用量為0.4 kg/m2時剪切強度最低，防水粘結層用量為0.6 kg/m2時剪切強度最高. 而且，隨著用量的增加，層間剪切強度呈現先增大后減小的趨勢. 這是由于當防水粘結層用量較少時，沒有足夠的粘結強度抵抗外力的作用；隨著用量的增多，防水粘結層將在水泥混凝土板與瀝青鋪裝層間形成滑移層，層間剪切強度逐漸降低，說明粘結層存在最佳用量. 此外，當剪切強度從最小值增大到最大值時，其數值由0.89 MPa增加至3.45 MPa，增大幅度為2.88倍，說明防水粘結層的用量對剪切強度影響之大.

圖6 防水粘結層用量與層間剪切強度關系

Fig.6 Relationship between shear strength and the amount of waterproof cohesive layer

2.2 拉拔試驗

2.2.1 試驗方法

與抗剪性能相同，防水粘結層的抗拉強度同樣是粘結層粘結強度的重要評價指標. 合理的粘結層用量能夠將接觸面的細石料裹覆并均勻分散，在受到拉力作用時互相嵌擠粘結，從而獲得較高的強度. 為測定粘結層的抗拉強度，本文采用電子式拉力試驗機對復合試件進行整體拉拔試驗.

為了使復合試件能夠與試驗機安裝連接，本文制作了150 mm×150 mm×10 mm規格鋼板. 試驗時，使用環氧AB膠將模具鋼板粘結至復合試件表面，施加適當壓力靜置24 h以上等待膠面提供強度，試件連接如圖7所示.

圖7 拉拔試驗中的試件安裝

啟動試驗機，待拉力數值保持不變時停止試驗，記錄最終最大拉力數據. 試驗中，控制軸向拉拔速率為10 mm/min，溫度為25 ℃，防水粘結層用量分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg/m2，每種防水粘結層用量條件下平行試件均為3個. 拉拔強度為

(2)

式中：p為拉拔強度，kPa；F為拉力，kN；S為受拉面積，m2.

2.2.2 試驗結果及分析

復合試件拉拔試驗結果如圖8所示. 可見，隨著防水粘結層用量的增多拉拔強度的變化趨勢與層間剪切強度的變化趨勢相似，呈先增加后減小的趨勢. 當防水粘結層用量為0.8 kg/m2時，拉拔強度達到最高，為0.21 MPa，當防水粘結層用量為1.4 kg/m2時，拉拔強度達到最低. 當防水粘結層用量從0.8 kg/m2增加至1.4 kg/m2的過程中，拉拔強度的減小幅度為65.2%. 值的注意的是，試件的破壞位置基本發生在界面上方的AC-5瀝青砂中，這主要是由于防水粘結層界面自身的強度大于AC-5瀝青砂的緣故.

圖8 防水粘結層用量與拉拔強度關系

Fig.8 Relationship between pull-out strength and the amount of waterproof cohesive layer

2.3 低溫開裂試驗

2.3.1 試驗方法

對瀝青砂應力吸收層鋪裝材料進行低溫小梁彎曲試驗，來評價其低溫抗裂性能. 本試驗采用IPC生產的萬能材料試驗機UTM-250進行控溫和數據采集，以實現數據應力和應變的同步獲取. 試驗時，AC-5在經過拌合、碾壓、切割等工序后，形成250 mm×30 mm×35 mm的試件. 并將試件分別放在-20、-15、-10、-5 ℃的保溫箱內保溫4 h以上后，試驗機以50 mm/min的加載速率在跨中位置施加集中荷載，直至試件破壞. 每種試驗條件下平行試件均為3個，共計12個試件.

試驗結束后，試件破壞時的抗彎拉強度、破壞時梁底最大彎拉應變及破壞時的彎曲勁度模量分別為

(3)

(4)

(5)

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度，MPa；εB為試件破壞時的最大彎拉應變；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量，MPa；b跨中斷面試件的寬度，mm；h為跨中斷面試件的高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，kN；d為試件破壞時的跨中撓度，mm.

2.3.2 結果及分析

圖9、10分別為溫度與最大拉應變和彎曲進度模量的關系曲線. 可見，梁底最大彎拉應變隨溫度的降低逐漸減小，而彎曲勁度模量則逐漸變大，產生此規律的主要原因為隨著溫度降低，瀝青混合料的硬度和脆性變大，破壞時的跨中撓度變小，導致梁底最大彎拉應變降低，彎曲勁度模量增大. 當溫度從0 ℃降低到-25 ℃的過程中，梁底最大彎拉應變從0.001 958減小至0.001 539，減小幅度為21.4%，彎曲勁度模量從213.2 MPa增大到466.5 MPa，增大了1.19倍，說明溫度對彎曲勁度模量的影響大于其對梁底最大彎拉應變的影響.

圖9 溫度與最大彎拉應變關系

Fig.9 Relationship between temperature and maximum bending strain

圖10 溫度與彎曲勁度模量關系

Fig.10 Relationship between temperature and flexural stiffness modulus

2.4 低溫收縮試驗

2.4.1 試驗方法

瀝青混凝土的低溫線收縮系數對橋面鋪裝層的溫度應力影響很大，是計算溫度應力的重要參數. 收縮系數是一個復雜的物理參數，不僅與混凝土配合比組成及瀝青性質有關，還與所處溫度條件及其變化速率有關. 本文采用哈爾濱工業大學交通學院自主開發的試驗設備[23]進行瀝青混合料低溫收縮線系數測定，如圖11所示.

圖11 低溫收縮線系數的測定設備

Fig.11 Measuring equipment of low temperature shrinkage linear coefficient

試驗時，AC-5在經過拌合、碾壓、切割等工序后，形成200 mm×20 mm×20 mm的試件. 之后在試件表面噴灑黑色油漆，待風干后噴灑白色油漆，最后涂抹數字散斑. 散斑涂抹應當覆蓋試件表面，盡量雜亂且分布均勻. 隨后將試件放進控溫箱內，按照10 ℃/h的降溫速率進行控溫，溫度達到指定溫度后恒溫保持30 min以上. 進而儀器將對試驗中的試件進行拍照觀測. 最終對機器拍攝的照片進行數據處理，得出試驗結果. 試驗過程如圖12所示. 試驗溫度分別采用-30、-20、-10、-5、5、10 ℃，每種試驗條件下平行試件均為3個，共計21個試件.

(a) 試件表面處理 (b) 觀測試件

Fig.12 Low temperature shrinkage coefficient test

據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[22]規定，降溫區間平均收縮應變及平均收縮系數分別為

(6)

(7)

式中：εe為平均收縮應變；Le為指定溫度下試件收縮后的長度，mm；L0為10 ℃時試件的原始長度，mm；C為瀝青混合料的平均線收縮系數；ΔT為溫度區間，℃.

2.4.2 結果及分析

圖13為試驗測試時間與平均收縮應變的關系的典型曲線. 根據式(7)計算不同溫度區間的收縮變化系數見表1. 可見，各溫度區間內收縮變化系數隨溫度的降低呈現先增長后下降的趨勢. 收縮變化系數在-20～-30 ℃之間時達到最小，為0.276×10-4℃，在-5～-10 ℃之間時收縮變化系數最大，為0.398×10-4℃，收縮變化系數增大了44.2%. 同時說明，在-5～-10 ℃之間時瀝青混合料低溫變形最為劇烈.

圖13 時間與平均收縮應變的典型關系曲線

Fig.13 Typical relationship between time and mean shrinkage strain

表1 不同溫度下的收縮變化系數

Tab.1 Coefficient of shrinkage variation in different temperature ranges

溫度/℃ΔT/℃中值溫度/℃C/10-4℃-110～557.50.3505～052.50.346 0～-55-2.50.382 -5～-105-7.50.398-10～-2010-150.368-20～-3010-250.276

3 結 論

1) 隨著防水粘結層用量從0.4 kg/m2增加到1.4 kg/m2的過程中，層間剪切強度呈現先增大后減小的趨勢；當防水粘結層用量為0.6 kg/m2時，抗剪強度最高，且為3.45 MPa. 剪切強度的最大值為最小值0.89 MPa的3.9倍.

2) 當防水粘結層用量從0.4 kg/m2增加到1.4 kg/m2的過程中，拉拔強度同樣呈先增大后減小的趨勢. 當防水粘結層用量為0.8 kg/m2時，拉拔強度達到最高，為0.21 MPa. 當防水粘結層用量從0.8 kg/m2增加至1.4 kg/m2的過程中，拉拔強度的減小幅度為65.2%.

3) 小梁底最大彎拉應變隨溫度的降低逐漸減小，而彎曲勁度模量則不斷增大，當溫度從0 ℃降低到-25 ℃的過程中，梁底最大彎拉應變減小幅度為21.4%，彎曲勁度模量增大了1.19 倍. 而且，溫度在-5～ -10 ℃之間時瀝青混合料低溫變形最為劇烈.