鋼橋面 STC 鋪裝結(jié)構(gòu)防水粘結(jié)方案優(yōu)化研究

潘正中，孫克強(qiáng)，吳雪柳，王 民

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州 510623； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

大量工程案例表明，傳統(tǒng)鋼橋面存在正交異性鋼橋面板易疲勞開裂、鋼橋面瀝青鋪裝易損壞等問題[1-3]。為解決上述問題，提出STC鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系(即鋼板+STC主鋪裝+瀝青磨耗層鋪裝)，此體系能夠顯著提高橋面剛度，降低正交異性鋼橋面板應(yīng)力，最終減少鋼橋面疲勞開裂，延長橋面鋪裝壽命[4-7]。上述體系中,STC層與瀝青磨耗層分屬剛?cè)嵝凿佈b，兩者模量差異及層間剪應(yīng)力大，易使瀝青鋪裝層產(chǎn)生車轍、推移等病害，因此2層間需要設(shè)置結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、防水能力強(qiáng)、粘結(jié)及抗剪能力強(qiáng)、抗高溫變形及抗柔性變形能力強(qiáng)的防水粘結(jié)層。防水粘結(jié)層的優(yōu)劣直接影響到橋面鋪裝體系的使用壽命，因此對STC鋪裝結(jié)構(gòu)體系防水粘結(jié)層開展試驗(yàn)研究具有較高現(xiàn)實(shí)意義[8-12]。本文以運(yùn)用STC鋪裝結(jié)構(gòu)體系的廣東省潮汕環(huán)線高速公路榕江特大橋工程為依托，選擇現(xiàn)階段典型的6種防水粘結(jié)材料進(jìn)行STC鋪裝層與瀝青混凝土層層間組合結(jié)構(gòu)剪切及粘結(jié)性能室內(nèi)試驗(yàn)，對比各種材料的性能優(yōu)劣勢并進(jìn)行分析，推選出環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑作為防水粘結(jié)層材料，推選改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石方案作為STC鋪裝結(jié)構(gòu)用備選防水粘結(jié)劑，供該橋橋面鋪裝的設(shè)計(jì)和施工參考。

1 榕江特大橋 STC 原設(shè)計(jì)鋪裝結(jié)構(gòu)

榕江特大橋位于廣東省高速公路潮汕環(huán)線高速公路段，采用跨徑為(60+140+400+140+60)m的雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，主梁為全鋼箱梁結(jié)構(gòu)。橋面鋪裝設(shè)計(jì)采用STC+防水粘結(jié)層+SMA-13的新型鋪裝結(jié)構(gòu)形式，STC 與 SMA-13 之間采用防水粘結(jié)層，大橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 榕江特大橋 STC 鋪裝結(jié)構(gòu)

2 防水粘結(jié)層原材料

優(yōu)選6類典型防水粘結(jié)層材料及組合方案，其組成、用量及基本性能分別如表1、表2所示。

表1 防水粘結(jié)層材料

3 防水粘結(jié)層性能對比

3.1 材料粘結(jié)強(qiáng)度

根據(jù)JTC 975—2005《道橋用防水涂料》規(guī)范要求，采用不同溫度下室內(nèi)拉拔試驗(yàn)進(jìn)行各類防水粘結(jié)層材料與STC混凝土界面間粘結(jié)性能評價(jià)。試驗(yàn)步驟如下：1) 運(yùn)用車轍模具成型30 cm×30 cm×5 cm的STC混凝土試塊，如圖2(a)所示；2) 養(yǎng)生完成后除去STC試件表面浮漿及雜物，并對試件進(jìn)行噴砂處理得到粗糙表面，如圖2(b)所示；3) 在處理后的STC界面上按照表1材料及其用量進(jìn)行防水粘結(jié)層涂布，并粘結(jié)試驗(yàn)用拉拔頭，如圖2(c)所示；4) 進(jìn)行拉拔粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖2(d)所示，試驗(yàn)加載速度為10 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖3所示。

從表3可以看出，相同溫度條件下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑與STC混凝土面板的粘結(jié)強(qiáng)度最大，在25 ℃時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到3.86 MPa；其余所有方案25 ℃粘結(jié)強(qiáng)度均超過0.5 MPa，方案5粘結(jié)強(qiáng)度為0.84 MPa；各類防水粘結(jié)劑與STC混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度由大到小依次為：環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑>改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石>改性乳化瀝青+SBS改性瀝青+撒布碎石>高粘改性瀝青+撒布碎石>SBS改性瀝青+撒布碎石>改性乳化瀝青；同一類型的防水粘結(jié)層與STC混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度均隨著溫度的升高呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢，究其原因是高溫致使組分中的瀝青融化，大幅降低了防水粘結(jié)層與水泥混凝土界面的粘結(jié)效果。10 ℃時(shí)方案5粘結(jié)強(qiáng)度超過1 MPa；40 ℃時(shí)方案3～方案6粘結(jié)強(qiáng)度仍能達(dá)到0.5 MPa，說明上述方案自身粘結(jié)強(qiáng)度高。

3.2 組合結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)及剪切強(qiáng)度

3.2.1 組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度

組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度大，能夠有效保證STC混凝土與瀝青混合料間形成整體結(jié)構(gòu)而不脫落，從而確保組合結(jié)構(gòu)的長期耐久性及抗疲勞特性。采用組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行最佳防水粘結(jié)層方案優(yōu)選。按照規(guī)范要求制作STC混凝土車轍試件并打毛噴砂處理，按表1涂布量進(jìn)行防水粘結(jié)劑涂刷，完成后加鋪瀝青混合料，養(yǎng)生結(jié)束后對上述試塊進(jìn)行切割，得到橫截面為10 cm×10 cm的組合結(jié)構(gòu)試件，在試件上粘結(jié)拉拔頭，在試驗(yàn)溫度10 ℃、25 ℃及40 ℃條件下，以10 mm/min的試驗(yàn)速率測定組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度。組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)示意如圖4所示，不同方案試驗(yàn)后破壞情況如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表2 防水粘結(jié)層基本性能檢測結(jié)果

表3 防水粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表4 組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 防水粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 防水粘結(jié)劑組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)

從圖3及表4可知，不同溫度下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的拉拔強(qiáng)度均最高，可將STC混凝土界面破壞，其他方案粘結(jié)強(qiáng)度在10 ℃及25 ℃條件下均達(dá)到0.5 MPa，破壞面為防水粘結(jié)層界面，方案5在25 ℃時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到0.85 MPa；40 ℃條件下，除環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到0.82 MPa，其余均在0.5 MPa以下。

綜上分析，各防水粘結(jié)層的組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度均隨著溫度的升高而降低。組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑最大，改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石方案次之。

3.2.2 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度

各類型的防水粘結(jié)層與STC混凝土及瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)間的綜合抗剪能力，根據(jù)規(guī)范要求采用室內(nèi)組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度表征。試驗(yàn)時(shí)，在預(yù)制好的STC混凝土面板上涂布相應(yīng)用量的防水粘結(jié)層，依次再加鋪瀝青混合料，對最終試件進(jìn)行切割得到橫切面為10 cm×10 cm的立方體組合結(jié)構(gòu)試件，將組合結(jié)構(gòu)試件在10 ℃、25 ℃及40 ℃條件下，烘箱保溫4 h以上后，測定組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度，試件與加載方向夾角取45°，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖6 組合結(jié)構(gòu)試件剪切

從表5可知，所有溫度條件下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的組合結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度均較其他方案高。25 ℃時(shí)，各類型防水粘結(jié)層組合結(jié)構(gòu)抗剪切強(qiáng)度均能達(dá)到0.5 MPa以上，且除環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑外，方案4及方案5剪切強(qiáng)度相對較大，方案5剪切強(qiáng)度達(dá)到0.89 MPa。SBS改性瀝青+撒碎石防水粘結(jié)劑方案在溫度較低時(shí)具有較好的粘結(jié)性能，但溫度超過25 ℃后，其層間抗剪切性能急劇下降。

綜上分析，各類型防水粘結(jié)劑的組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低，其中環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的強(qiáng)度最大，方案5次之，方案4較方案5略小。因此，優(yōu)先推薦使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑作為本次防水粘結(jié)劑；另外考慮環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的造價(jià)較常規(guī)防水粘結(jié)層材料高2～3倍，本文還推薦方案5作為本次防水粘結(jié)材料的備選方案。

表5 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 影響粘結(jié)性能的因素

方案5改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石方案作為防水粘結(jié)層的備選方案，在設(shè)計(jì)上國內(nèi)目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范及配合比設(shè)計(jì)方法可供參考，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整的配合比易產(chǎn)生粘結(jié)性不足，致使路面使用時(shí)產(chǎn)生擁包、推移等病害；另外，此類防水粘結(jié)層施工時(shí)，瀝青灑布與碎石撒布未能完全同步，易產(chǎn)生瀝青溫度降低、粘度增大等問題，從而影響后續(xù)碎石撒布并產(chǎn)生碎石被裹附面積小、瀝青與碎石粘結(jié)強(qiáng)度低等問題。因此，調(diào)配瀝青灑布量及碎石撒布量、優(yōu)選適配碎石粒徑等設(shè)計(jì)工藝對防水粘結(jié)層粘結(jié)性能影響至關(guān)重要，下面通過組合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)，探究上述因素影響效果，以求得到最佳配比。

4.1 瀝青灑布量影響

采用9.5 mm～13.2 mm的石灰?guī)r碎石8 kg/m2，瀝青用量分別采用1.1 kg/m2、1.3 kg/m2、1.5 kg/m2、1.7 kg/m2，成型組合結(jié)構(gòu)剪切試件并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 瀝青灑布量影響

從圖7可知，隨著瀝青灑布量的增加，組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，而當(dāng)瀝青灑布量在1.5 kg/m2時(shí)，組合結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，因此，推薦瀝青用量為1.5 kg/m2。

4.2 碎石粒徑影響

相同質(zhì)量下，集料粒徑不同易引起集料整體比表面積及撒布覆蓋率不同，致使瀝青與集料裹附程度及粘結(jié)效果出現(xiàn)差別，從而影響整體組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)劑剪切性能。選取高粘改性瀝青1.5 kg/m2，采用2.36 mm～4.75 mm、4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm等3種粒徑的碎石70%覆蓋率進(jìn)行撒布，采用成型組合結(jié)構(gòu)剪切試件進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證集料粒徑對防水粘結(jié)層組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 碎石粒徑影響

圖8表明，組合結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度隨著碎石粒徑的增大出現(xiàn)小幅的先增后減的變化，選取粒徑4.75 mm～9.5 mm時(shí)，組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度達(dá)到最大，本文優(yōu)選4.75 mm～9.5 mm粒徑碎石，供本次防水粘結(jié)層使用。

4.3 碎石撒布量影響

采用瀝青用量1.5 kg/m2，粒徑4.75 mm～9.5 mm的石灰?guī)r碎石分別采用0 kg/m2、4 kg/m2、8 kg/m2、11 kg/m2，成型組合結(jié)構(gòu)剪切試件并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 碎石撒布量影響

從圖9可見，隨著碎石撒布量的增加，組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度先增大后減小，在撒布量為8 kg/m2條件下，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大。

綜上所述，選擇高粘改性瀝青灑布量為1.5 kg/m2，采用石灰?guī)r碎石4.75 mm～9.5 mm且按8.0 kg/m2撒布，能夠得到較大的組合結(jié)構(gòu)界面抗剪切強(qiáng)度。

5 結(jié)論

本文針對 STC 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中典型的6種防水粘結(jié)層進(jìn)行了各項(xiàng)主要性能的對比分析，得出以下結(jié)論：

1) 同一類型的防水粘結(jié)層與STC混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度隨著溫度的升高呈不同程度的降低趨勢；相同溫度下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度最大，各類防水粘結(jié)劑與STC混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度由大到小依次為：環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑(方案6)>改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石(方案5)>改性乳化瀝青+SBS改性瀝青+撒布碎石(方案4)>高粘改性瀝青+撒布碎石(方案3)>SBS改性瀝青+撒布碎石(方案2)>改性乳化瀝青(方案1)。10 ℃時(shí)方案5粘結(jié)強(qiáng)度超過1 MPa；40 ℃時(shí)，方案3～方案6粘結(jié)強(qiáng)度均大于0.5 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)良。

2) 各類型防水粘結(jié)劑組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低，其中環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的強(qiáng)度最大，方案5強(qiáng)度次之，25 ℃時(shí)其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)0.85 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)0.89 MPa。優(yōu)選環(huán)氧防水粘結(jié)劑作為本次防水粘結(jié)層使用，方案5改性乳化瀝青+高粘改性瀝青+撒布碎石可作為防水粘結(jié)劑備選材料。

3) 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度均隨著瀝青用量、碎石粒徑及碎石撒布量的增大呈先增大后減小的趨勢。試驗(yàn)證明，選擇高粘改性瀝青灑布量為1.5 kg/m2，采用石灰?guī)r碎石4.75 mm～9.5 mm且按8.0 kg/m2撒布，能夠得到較大的組合結(jié)構(gòu)界面抗剪切強(qiáng)度。