環(huán)境因素對橋面鋪裝防水黏結(jié)層黏結(jié)性能影響特征研究*

唐 雷 陳李峰 高培偉 陳 鵬 宋建桓

(1.中交第三公路工程局有限公司 北京 101300; 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 210000；3.南京航空航天大學(xué)民院學(xué)院 南京 210016)

橋面鋪裝鋪設(shè)在橋面板上，直接承受外部環(huán)境中行車荷載、雨雪侵蝕、溫度劇烈變化等復(fù)雜環(huán)境因素的影響，容易出現(xiàn)各種病害，造成極大的安全隱患。相關(guān)研究表明，大量水泥混凝土橋梁出現(xiàn)早期病害，影響正常使用的原因就是鋪裝層損壞，導(dǎo)致水分進(jìn)入主梁混凝土，引起鋼筋的銹蝕造成。而設(shè)置防水黏結(jié)層不僅可以防止水分等有害物直接進(jìn)入橋面板，還承擔(dān)有效連接橋面板和鋪裝層，增強(qiáng)二者黏結(jié)作用，是承上啟下的關(guān)鍵。更為重要的是鋪裝層在車輛豎向垂直荷載和水平剪切荷載的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，防水層的存在可以增強(qiáng)層間抵抗剪切變形的能力，減小由于層間應(yīng)力過大引起的各種病害。

目前，防水層材料市場中，樹脂類材料[1-3]具有高性能、施工方便等優(yōu)點，極具應(yīng)用前景[4]。根據(jù)實際工程中鋪裝結(jié)構(gòu)和界面黏結(jié)材料應(yīng)用的特點，選取常用的改性乳化瀝青(RH)、日本進(jìn)口的二階環(huán)氧黏結(jié)材料(HRB)和新研發(fā)的界面增強(qiáng)黏結(jié)劑(GY)3種典型黏結(jié)層材料，通過對防水黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行試驗，探討不同環(huán)境下黏結(jié)性能，對研究橋面鋪裝結(jié)構(gòu)、減少結(jié)構(gòu)病害發(fā)生，有重要現(xiàn)實意義。

1 試驗試件制備與方法

1) 防水黏結(jié)層黏結(jié)強(qiáng)度拉拔試驗。為了評價黏結(jié)材料自身黏結(jié)強(qiáng)度，預(yù)先制作300 mm×300 mm×50 mm的水泥混凝土板，在板上分別涂抹3種不同防水黏結(jié)層材料，利用輪碾機(jī)成型50 mm厚瀝青混合料鋪裝層，利用鉆芯機(jī)取出高度100 mm、直徑100 mm的圓形試塊，采用拉離法附著力檢測儀進(jìn)行防水黏結(jié)層結(jié)構(gòu)的拉拔試驗[5-6]。

防水黏結(jié)層黏結(jié)強(qiáng)度拉拔試驗示意見圖1，抗拉強(qiáng)度計算方法如式(1)。

圖1 黏結(jié)層黏結(jié)強(qiáng)度試驗

(1)

式中：σ附為拉拔強(qiáng)度，MPa；P為拉脫時破壞荷載，N；S為拉頭與黏結(jié)材料接觸面積，mm2。

2) 防水黏結(jié)層剪切強(qiáng)度試驗。對切割成型試件進(jìn)行斜剪試驗，示意見圖2。將試件放入夾具中，保證防水黏結(jié)層正好處于受剪切的平面上，避免其他層被剪切影響實驗結(jié)果，試驗在MTS試驗機(jī)進(jìn)行，試驗溫度為25 ℃，加載速度為50 mm/min。

圖2 黏結(jié)層斜剪試驗

當(dāng)對試件施加作用力F時，試件所受剪切強(qiáng)度，計算方法見式(2)。

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；F為作用荷載，N；α為試件傾角，30°；S為試件受剪截面積，mm2。

2 不同環(huán)境因素對黏結(jié)層界面黏結(jié)性能的影響

溫度是影響?zhàn)そY(jié)層性能的主要原因之一，在高溫時軟化，穩(wěn)定性變差，低溫時變脆，易發(fā)生開裂等，雨雪侵蝕荷載反復(fù)作用等也會造成材料加速產(chǎn)生疲勞老化，影響防水材料的物理特性。

水分的滲入是造成橋面鋪裝破壞的另一個主要原因。尤其在寒冷地區(qū)，水分的凍融循環(huán)更會造成安全隱患。此外，鹽水等有害物質(zhì)的侵蝕也會造成黏結(jié)層破壞，從而導(dǎo)致橋面板的破壞。

2.1 環(huán)境溫度對層間黏結(jié)性能的影響

采用3種黏結(jié)材料的最佳用量制備試件，在溫度為0，25，40，70 ℃的條件下養(yǎng)護(hù)30 min后，迅速開展拉拔和剪切試驗，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對層間結(jié)合性能的影響

由圖3可見，溫度對黏結(jié)強(qiáng)度的影響非常巨大，拉拔和抗剪強(qiáng)度均隨溫度升高先升高再降低，在室溫條件下性能表現(xiàn)最佳，高溫下拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度下降非常快。RH在高溫狀態(tài)下黏結(jié)效果較差；HRB在高溫時拉拔和抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)較差；GY高溫下性能表現(xiàn)較好，但剪切強(qiáng)度未能達(dá)到指標(biāo)要求。

2.2 凍融對層間黏結(jié)性能的影響

將成型好的試件放入恒溫冰箱中，在-18 ℃凍24 h，然后取出在25 ℃恒溫水中解凍16 h，再進(jìn)行剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖4。

圖4 凍融對層間結(jié)合性能的影響

由圖4可見，3種黏結(jié)材料的黏結(jié)強(qiáng)度受凍融影響，強(qiáng)度下降幅度較大。凍融前后的剪切強(qiáng)度比變化不大，說明凍融對GY影響最小，但最終強(qiáng)度均未達(dá)到剪切強(qiáng)度指標(biāo)要求；凍融對HRB拉拔性能影響最小，但凍融后強(qiáng)度均未達(dá)到剪切強(qiáng)度的指標(biāo)要求，總體來說，GY抗凍性能最優(yōu)，HRB次之，RH最差。

2.3 老化對層間黏結(jié)性能的影響

采用薄膜老化試驗箱，進(jìn)行老化試驗，老化后測定25 ℃拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，對比試驗結(jié)果見圖5。由圖5可見，老化對3種材料的黏結(jié)性能影響較小，強(qiáng)度下降幅度較小。對于拉拔強(qiáng)度來說，比較GY、HRB和RH老化前后拉拔強(qiáng)度比，GY為92.6%，HRB為86.2%，RH為76.4%，說明老化對GY影響較小，其中GY和HRB老化后強(qiáng)度仍能滿足拉拔強(qiáng)度要求。對于剪切強(qiáng)度來說比較3種材料老化前后的剪切強(qiáng)度比，GY為90%，HRB為86.2%，RH為60%，得出的規(guī)律相似，GY抗老化性能最優(yōu)，HRB次之，RH較差。

圖5 老化對層間結(jié)合性能的影響

2.4 水損害對層間黏結(jié)性能的影響

通過浸水試驗的拉拔試驗來比較不同防水黏結(jié)材料的耐水性能，按照表1中的要求分別制備試件，浸水時間對層間黏結(jié)強(qiáng)度影響，見圖6。

表1 浸水試驗試件涂抹量 kg/m2

圖6 浸水時間對層間黏結(jié)強(qiáng)度影響

由圖6可見，3種黏結(jié)材料的拉拔強(qiáng)度均隨浸水時間增加而減小。對比3種材料不同涂抹量強(qiáng)度曲線變化，HRB下降幅度最大，GY和RH的強(qiáng)度曲線下降較平緩，說明后2種材料耐水性能表現(xiàn)較好，在最佳涂抹量下，3種材料最終強(qiáng)度大小為：GY>HRB>RH，但均小于拉拔指標(biāo)，說明黏結(jié)材料已破壞。

2.5 腐蝕對層間黏結(jié)性能的影響

通過NaCl的腐蝕試驗比較分析不同防水黏結(jié)材料的耐腐蝕性能，結(jié)果見圖7。由圖7可見，3種黏結(jié)材料的拉拔強(qiáng)度均隨NaCl腐蝕天數(shù)的增加而減小。3種材料不同涂抹量的強(qiáng)度曲線變化，HRB的下降幅度最大，說明HRB受NaCl腐蝕影響最大，GY和RH的強(qiáng)度曲線下降較平緩，說明其耐NaCl腐蝕性能較好。在最佳涂抹量下，3種材料最終強(qiáng)度大小為HRB > GY >RH。

圖7 腐蝕時間對層間黏結(jié)強(qiáng)度影響

3 結(jié)論

1) 在高溫條件下，乳化瀝青黏結(jié)效果較差，在70 ℃時，乳化瀝青黏結(jié)材料拉拔強(qiáng)度僅有0.4 MPa，抗剪強(qiáng)度為0.6 MPa，3種材料高溫下拉拔和剪切強(qiáng)度下降非常快。

2) 在凍融條件下，比較凍融前后的強(qiáng)度比，得出GY抗凍性能最優(yōu)，HRB次之，RH最差；在老化條件下，比較3種材料老化前后強(qiáng)度比，得出GY抗老化性能最優(yōu)，HRB次之，RH較差。

3) 在水損害條件下，綜合對比浸水試驗和潮濕基面耐水試驗，3種材料的耐水性能均表現(xiàn)良好，其中潮濕基面對拉拔強(qiáng)度的影響比浸水的短期影響更大，比較其強(qiáng)度下降幅度及最終強(qiáng)度大小，得出3種材料的耐水性能GY表現(xiàn)最優(yōu)，HRB次之，RH較差；在腐蝕條件下，3種界面黏結(jié)材料耐腐蝕性能均表現(xiàn)良好，比較其強(qiáng)度下降幅度及最終強(qiáng)度大小，得出3種材料的耐腐蝕性能GY表現(xiàn)最優(yōu)，HRB次之，RH較差。