橋面鋪裝防水粘層滲水、積水分析與評價方法

劉夢梅, 韓 森, 楊 赫, 吳曉明, 牛冬瑜

(特殊地區公路工程教育部重點實驗室(長安大學)， 西安 710064)

混凝土橋面鋪裝的許多病害均與防水粘結層橫向抗滲水性能有關，諸如裂縫、擁包、推移、車轍和水損害等[1-4]. 當雨水通過路面缺陷或路邊緣等通道滲入到防水層，在層間橫向流動、集聚，加之行車荷載壓力，極易造成橋面局部“冒水”等病害[5-6]. 且水長期集聚在層間，對粘層的粘結性及耐久性均有不利影響，進而造成結構性破壞的隱患[7].

2000年，丹麥道路研究所(DRI)意識到水泥混凝土橋面防水層的重要性，提出了一系列橋面防水試驗規程和指標[8]. 美國、瑞士等國家也相繼在實際調查的基礎上，提出了較完善的室內粘層防水性能評價方法[9-11]. 然而，雖然中國橋面鋪裝組合結構的發展已相對成熟，但對橋面防水粘結層的研究更多集中在粘結層材料的開發，評價方法仍局限于拉拔、剪切等力學性能試驗，忽視了防水粘結層橫向抗滲水性能的重要性[12]. 因此，亟待對橋面鋪裝防水粘層滲水、積水機理、測試方法及評價指標進行系統研究. 本文引入數字圖像處理技術，獲取層間空隙分布特征，用于分析粘層滲水、積水問題，并通過室內橫向滲水試驗驗證了其合理性，為混凝土橋面鋪裝防水粘層提供了一種精度高，信息量大，操作簡單的滲水、積水現象分析方法.

1實 驗

1.1 原材料與試件制備

本文采用克練70#瀝青、SBS改性瀝青及SBS改性乳化瀝青為膠結料，其基本技術性質見表1. 試驗中，石料采用石灰巖，其表觀相對密度為2.612 g/cm3，壓碎值為50%，洛杉磯磨耗值為25.2%，吸水率為0.89%，針片狀石料數量占百分比為11.2%. 礦粉采用石灰巖礦粉.

表1 膠結料的技術性質

1.2 試件制備及試驗方案

如圖1所示，制備用于模擬橋面鋪裝的復合板試件. 水泥混凝土底層用于模擬橋面板，對其表面進行拉毛處理，平均構造深度為0.9 mm. AC-20混凝土上層用于模擬橋面鋪裝中面層，防水粘結層采用中國實際工程中常用的5種粘層：1)4.75同步碎石防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性瀝青，并在其表面撒布4 kg/m2的4.75 mm粒徑石灰巖集料，碎石覆蓋率約為70%. 2)9.5同步碎石防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性瀝青，且與4.75同步碎石一致，為保證碎石覆蓋率約為70%，9.5 mm粒徑石灰巖集料撒布量為6 kg/m2. 3)AC-5防水粘層. 選用克煉70#基質瀝青，集料與礦粉均使用石灰巖. 油石比為6.6%，級配見表2, 其攤鋪厚度為10 mm. 4)稀漿封層防水粘層. 選用SBS改性乳化瀝青，油石比為7.2%, 集料、礦粉的選擇和攤鋪厚度與AC-5混合料一致, 級配見表2. 5)改性乳化瀝青防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性乳化瀝青.

成型復合板養生7 d后，對其進行鉆芯. CT掃描試件為直徑100 mm的圓柱體，滲水試驗試件為橫截面140 mm×140 mm的長方體.

表2 AC-5和稀漿封層級配

Tab.2 Gradation of AC-5 and slurry seal

混合料類型不同篩孔石料的通過率/%9.5 mm4.75 mm2.36 mm1.18 mm0.6 mm0.3 mm0.15 mm0.075 mmAC-5100956545302012.57.5稀漿封層1009577.557.5402415.510

圖1 復合板試件示意圖

如圖2(a)所示，采用YXLON Y.CT Modula掃描儀對試件進行圖像采集，自上而下掃描,間距為0.1 mm，總量程為60 mm. 為研究防水粘層及其與上下層過渡區域的空隙分布狀態，選取深度為40～60 mm掃描段為本文分析對象，對其進行數字圖像分析. 掃描儀放大倍數可達200倍，精度為10 μm，滿足數字圖像處理技術要求.

除此之外，利用HS-ST型粘層滲水儀[13]，對5種典型復合板試件進行粘層橫向滲水試驗，旨在直觀評價不同橋面鋪裝粘層防水性能，并建立層間滲水與空隙分布特征的相關關系. 如圖2(b)所示，HS-ST型粘層滲水儀主要由量筒、水壓傳感器和滲水模擬箱組成，量筒的量程為500 mL. 粘層滲水儀是在常規路面滲水儀的基礎上改進而來，將層間滲水模擬箱與常規路面滲水儀通過膠管連接，且對模擬箱與膠管的連接面四周進行蠟封處理，以保證水是從層間滲出[14]. 試驗中，為分析不同水壓力對層間滲水的影響，分別設置了40、70 cm的水頭高度，并記錄試驗持續5 min后各粘層的滲水量.

(a) CT掃描儀 (b) 粘層滲水儀

2 防水粘層數字圖像處理分析

2.1 防水粘層數字圖像采集及處理原理

數字圖像處理技術具有突出的直觀表現能力，能夠準確、客觀地反映橋面鋪裝防水粘層的空隙分布特征. 數字圖像通常指用有限數組來表示的圖像. 將圖像連續空間離散化，產生有限個離散點，每個離散點代表一個像素，即圖像處理的最小單元. 通過對圖像進行數字化，可將一張圖片轉化為M×N的數字矩陣，數字圖像矩陣為

(1)

式中f(x,y)為任意坐標(x,y)點處的亮度值或灰度值.

本文利用CT掃描儀對試件進行圖像采集，且為了研究防水粘層及其與上下層過渡區域的空隙分布狀態，選取深度為40～60 mm掃描段為本文研究對象，對其進行數字圖像分析. CT掃描基本原理：X射線由射線源發出，經過準直儀準直后穿透物質，由于不同材質對射線的吸收程度有所差異，穿過物體時X射線發生不同程度的衰減. 故CT可通過X射線穿過非均質物質的衰減規律，來區分掃描對象內部的不同物質，X射線衰減公式為

(2)

式中：Iout為X射線射出強度，Iin為X射線射入強度，μ為物體的X射線衰減系數，L為X射線穿過物體距離.

衰減后的X射線經由探測系統接收并轉化為電子信號，輸入計算機中排列成若干個基本單元數字矩陣，稱為“體素”. 然后通過模擬轉換器對體素矩陣進行處理，讀取體素中的灰度值，并將灰度值以矩陣形式排列成微小單位，稱為“像素”，進而得到CT圖像.

數字圖像處理首先采用中值濾波法對圖像進行去噪處理，相對完整保留了圖像細節分布特征. 基于X射線穿透物質強度衰減原理可知，CT圖像顏色越淺代表密度越大，反之顏色越深即密度越小. 因此，圖像中顏色最深的部分代表空隙，灰度圖像如圖3所示. 為后續準確獲取粘層空隙分布指標，需識取圖像中的空隙. 本文采用最大類間方差法(OTSU)進行分割處理，提取空隙目標區域，空隙二值圖像如圖4所示.

圖3 CT掃描灰度圖

圖4 空隙二值圖

本實驗借助MATLAB軟件對圖像進行基于體數據的三維重建，即直接將檢測物質的體元素，按設定的顏色和透明度，在不同的平面上顯示出來. 在處理過程中沒有對有效數據進行刪減，保留了物體更多的細節，能準確、詳細地表示物體的結構特征.

2.2 防水粘層數字圖像指標獲取

橋面鋪裝粘層的滲水性定義為不同水壓荷載作用下水流在介質中的流通能力，其受諸多因素影響，包括瀝青含量、集料性質、集料級配及水流路徑等. 而這些因素主要是通過改變空隙分布特性來影響粘層的滲透性. 故本文采用數字圖像處理技術獲取空隙相關體積指標(空隙率、空隙等效直徑、空隙數量)，并用于評價橋面鋪裝防水粘層抗滲水能力.

2.2.1 空隙率

空隙率用于評價粘層層間空隙分布總狀態. 在數字圖像中，分辨率代表垂直或水平方向上每英寸的像素點數量，計算公式為

(3)

式中R為分辨率，P為像素點.

通過MATLAB對粘層CT圖像進行分析，獲取每張圖像所有空隙對應的總像素點數，計算數字圖像的空隙率n的公式為

(4)

式中Pi為數字圖像中空隙對應的總像素點數，r為被掃描試件的實際半徑，本文為50 mm.

2.2.2 空隙數量

空隙數量即每張粘層CT圖像中含有的空隙總數量，能夠從數量級角度量化層間空隙分布狀況，研究不同粘層材料滲水、積水與粘層空隙數量的關系. 利用MATLAB軟件對防水粘層切面圖像進行處理，標記空隙并統計空隙數量. 具體過程如圖5所示，通過上述對圖像進行二值化處理后，混合料和空隙的像素值分別為0和1，二者輪廓界線清晰明了. 隨后，基于數字圖像連通分量的概念，采用圖5(a)所示的8鄰域數組結構標記法，使像素值相同的鄰域形成連通區域. 例如若(x,y)與(x+1,y+1)的像素值P、q相等，則這兩個像素連通. 每一個連通區域記為標識塊，即一個空隙. 最后如圖5(b)所示，遍歷圖像中所有標記塊，并對其進行數量統計.

(a) 8鄰域數組結構標記法 (b) 連通區域標記及統計

2.2.3 空隙等效直徑

由于層間空隙結構、形狀各異，無規則，為了直觀分析粘層空隙總體分布狀況，將N個實際空隙等效成N個等直徑圓，且粘層空隙的總面積不變，其原理如圖6所示. 空隙等效直徑可用于評價粘層空隙的總體分布面積，即粘層積水的儲存空間狀況，且材料的滲水性能受空隙等效直徑大小及分布的影響較大. 空隙等效直徑的計算公式為

(5)

式中：D為空隙等效直徑，mm；Si為CT圖像中單個空隙的面積，mm2；N為空隙的總數量.

圖6 空隙等效直徑原理

2.3 防水粘層數字圖像分析

2.3.1 二維數字圖像分析

圖7為5種典型防水粘結層試件自上而下在0～60 mm之間的試件內部空隙率分布狀況. 其中，0～20 mm為AC-20表面區域，20～40 mm為AC-20中部區域，40～60 mm涵蓋所有粘層區域及粘層與上下板件的過渡區域.

由圖7可知，5種類型防水層復合板的空隙率變化規律相似，即AC-20表面空隙率沿高度方向迅速降低；AC-20中部空隙率小且趨于穩定；而40～60 mm區間空隙率突增，出現小峰值；空隙率越大，發生層間滲水的概率越高. 究其原因，復合板制備過程中，0～20 mm混合料表面裸露，且粗集料較多，集料間存在大量空隙，表面紋理豐富；20～40 mm細集料與膠結料填充粗集料間的空隙，混合料內部相互嵌擠密實且分布較均勻，所以空隙率小、穩定. 在40～60 mm之間，由于粘層上下界面分別與不同材質板件粘結，為復合試件的薄弱面，加之粘層自身存在空隙，所以粘層的空隙率增大.

圖7 不同粘層空隙率

對圖7中粘層及其過渡區域進一步分析發現，相較于其他3種粘層，同步碎石封層的空隙率峰值相對較高，說明同步碎石粘層空隙分布豐富，易發生滲水病害. 且4.75同步碎石防水層空隙率突增范圍約為4.5 mm，而9.5同步碎石防水層約為9 mm，二者變化的高度區間均與其撒布碎石的粒徑大小相近. 從而可知，同步碎石防水層層間空隙率的變化范圍與集料粒徑選擇緊密相關.

圖8為粘層及其過渡區域空隙數量沿高度變化的分布狀況. 可知AC-5空隙數量最多，高達521個，稀漿封層次之335個，而4.75同步碎石、9.5同步碎石和改性乳化瀝青空隙數量相對較少且相近. 因為AC-5與稀漿封層級配偏細，相同面積條件下，集料數量相對較多，導致集料間微空隙相應增加；且小粒徑集料的比表面積相應增大，混合料中膠結料不足以填充集料間的微空隙. 而稀漿封層除級配因素外，其為保證良好的施工性能，按規范要求在拌合過程中添加了少量的水，并且乳化瀝青自身破乳也含有一定比例的水，養生過程中水分蒸發，導致稀漿封層內部殘留大量微空隙. 因此，AC-5與稀漿封層粘層空隙數量豐富，存在層間滲水的隱患.

由圖9可知，4.75同步碎石和9.5同步碎石防水層的空隙等效直徑沿高度方向先增大后減小，其中，4.75同步碎石空隙等效直徑的變化范圍為0.75～2.68 mm，9.5同步碎石空隙等效直徑的變化范圍為1.15～2.63 mm. AC-5、稀漿封層和SBS改性乳化瀝青的空隙等效直徑較小，沒有明顯的峰值.

圖8 不同粘層空隙數量

圖9 不同粘層空隙等效直徑

綜合圖7～9分析發現，同步碎石空隙數量相對較少，而空隙率與空隙等效直徑相對較大，說明同步碎石防水層中的空隙尺寸較大. 這一現象不利于粘層防水，且為層間水提供了充足的儲水空間，易造成層間積水等隱患. AC-5與稀漿封層空隙數量大，但空隙率與空隙等效直徑相對較小，說明其內部空隙分布密且小，這不利于粘層防水和力學性能. 但微空隙的毛細作用，能阻礙層間水的滲流，一定程度上延緩了層間滲水現象.

2.3.2 三維數字圖像分析

本文建立了粘層的空隙率分布特征三維重構模型，結果如圖10所示，藍色(深色)部分為粘層空隙結構. 由圖10中可清晰看出，同步碎石封層的空隙相對較大且集中，空隙連通程度較高；AC-5和稀漿封層的空隙小而密，分布均勻，空隙連通相對較少；而乳化瀝青封層空隙分布離散不均勻，連通空隙最少. 這與二維數字圖像分析結果相一致. 由此可以預測同步碎石抗滲水能力最弱，且空隙體積較大，易于層間水的集聚流動，造成層間積水；AC-5與稀漿封層的防水能力介于同步碎石與SBS改性乳化瀝青之間，其內部微空隙可以通過毛細作用延緩層間滲水，但已有研究發現其空隙率越大，混合料對應的力學性能越差[15-17]，故AC-5與稀漿封層的大量微空隙對層間力學性能有不利影響. 而SBS改性乳化瀝青大部分空隙不連通，可以有效抑制層間滲水.

圖10 不同粘層空隙三維結構圖

Fig.10 Three-dimensional structure diagram of pores in different interlayers

3 室內橋面防水粘層橫向滲水試驗分析

為驗證數字圖像粘層空隙分布特征與實際粘層滲水、積水相關關系，本文設置了室內粘層滲水試驗. 試驗中，分別選取40、70 cm兩種水頭高度，試驗結果見表3.其中70 cm水頭高度粘層滲水量y與相應的空隙分布特征(孔隙率x1、空隙等效直徑x2、空隙數量x3)的相關關系見表4.

表3 不同類型粘層的滲水量

表4 防水粘層滲水量與空隙分布特征的關系

Tab.4 Relationship between water seepage and pore distribution in waterproof interlayers

由表3可知：5種典型混凝土橋面鋪裝防水粘層的滲水試驗結果與數字圖像分析結論一致. 除改性乳化瀝青防水層和40 cm水頭高度的稀漿封層外，其余粘層均發生滲水現象. 同步碎石滲水量最大，AC-5滲水量次之，而稀漿封層在70 cm水頭高度條件下才發生滲水，因為水在稀漿封層的微空隙中不易流動，需要足夠的滲水壓力. SBS改性乳化瀝青防水層未出現滲水現象，說明SBS改性乳化瀝青防水層具有優異的防水性能.

由表4可知：橋面鋪裝防水粘層的空隙率、空隙等效直徑與粘層滲水量有較好的正相關關系，相關系數R2分別為0.81、0.83，隨著空隙率和空隙等效直徑的增大，層間的滲水量增加. 而空隙數量指標與層間滲水的相關關系較差. 由于粘層滲水受層間空隙的大小、形狀、分布均勻性、空隙連通度、數量等因素綜合的影響，所以不能單獨采用空隙數量指標來評價層間的抗滲水能力，但空隙數量可作為層間防水性能的輔助指標，如解釋空隙率較大的稀漿封層40 cm水頭高度條件下不發生滲水現象時，則需要輔加空隙數量指標，論證稀漿封層內部為大量均勻分布的微孔隙，所以水不易滲透.

4 結 論

1)利用數字圖像處理技術量化了橋面鋪裝防水粘層的空隙分布狀態，提出空隙率、空隙數量、空隙等效直徑3項評價指標，為橋面鋪裝粘結層的選擇與施工質量提供防水性能控制指標.

2)5種典型粘層中，同步碎石空隙分布豐富，空隙尺寸大，易于滲水、積水；AC-5和稀漿封層空隙分布密而小，延緩了滲水現象，抗滲水能力優于同步碎石；SBS改性乳化瀝青粘層的空隙率最小，防水能力好. 同時，通過空隙三維重構模型還發現，同步碎石封層空隙連通程度較高；AC-5和稀漿封層的微孔隙分布均勻，空隙連通較少；SBS乳化瀝青空隙分散且不均勻，連通最少.

3)粘層滲水試驗結果驗證了數字圖像分析方法的可靠性：同步碎石的滲水量最大，AC-5與稀漿封層次之，SBS改性乳化瀝青粘層幾乎不滲水. 且隨水壓力增大，滲水量增加.