水泥路面加鋪超薄罩面層間黏結性能

李 城 楊德勝

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司 重慶 400064)

0 引 言

我國早期建設的水泥混凝土路面已經進入養護階段,對水泥路面進行“白改黑”加鋪是提高路面服務質量的有效手段,常見的加鋪方法是對水泥路面病害進行處治后加鋪瀝青混凝土,厚度一般不小于10 cm[1].瀝青超薄罩面攤鋪厚度為15～20 mm,對路面標高影響小,超薄罩面耗費材料少,能夠節約大量原材料和養護成本.剛性路面和柔性路面加鋪超薄罩面的層間結合狀態具有顯著差異,由于瀝青混凝土在施工時無法嵌入水泥混凝土內部形成連續嵌固結構,導致加鋪層與原路面存在明顯的界限.剛性路面加鋪超薄罩面的層間黏結力主要來源于集料在水泥混凝土表面的錨固效果和黏結層的黏結作用,水泥路面的粗糙程度和黏結劑的黏結強度對養護效果有直接影響[2-5].

加鋪超薄罩面前需對水泥路面表面進行處理并灑布黏結層,當層間黏結效果良好時,加鋪層與水泥混凝土能夠形成連續黏合的結構;當層間黏結效果不佳時,層間易發生剪切破壞[6].針對水泥路面加鋪超薄罩面的層間黏結問題,文中就不同水泥路面預處理方法和層間黏結材料對黏結效果的影響進行試驗,測試黏結劑與水泥基面的黏結強度.制備瀝青-水泥混凝土組合結構試件,測試拉拔強度和剪切強度,推薦適合水泥路面超薄罩面養護的層間黏結方案.

1 試 驗

1.1 原材料

層間黏結劑選用SBS改性乳化瀝青、ES-2型改性乳化瀝青稀漿封層、SBS改性瀝青碎石封層、溶劑型黏結劑,其中溶劑型黏結劑是由橡膠、瀝青、樹脂和溶劑等材料混合制備而成的橋面防水黏結劑,材料技術指標見表1～3.

表1 改性乳化瀝青技術指標

表2 SBS改性瀝青技術指標

表3 溶劑型黏結劑技術指標

1.2 水泥基面預處理

室內成型水泥混凝土板,分別采用噴砂、拉毛和露石路面工藝,形成具有不同粗糙程度的水泥混凝土基面,見圖1.噴砂工藝是以壓縮空氣為動力,帶動磨料經充分混合后形成高速噴射束將磨料噴射到水泥混凝土表面,通過堅硬銳利的沙粒對表面的沖擊、切削和摩擦,以實現提高表面構造和摩擦阻力的目的[7].拉毛是在混凝土初凝前,在混凝土表面拉毛形成紋深度1.5～3 mm的紋理構造[8].露石技術是在制作試件時將水泥混凝土拌和、振搗成型,待表面水干燥后在表面噴灑露石劑,在下層混凝土終凝后用水刷洗表面,露出均勻分布的2 mm左右高度粗集料表面[9].圖1為水泥混凝土表面處理效果圖.

圖1 水泥混凝土表面處理效果

采用鋪砂法測試三種處理方式的混凝土表面構造深度見表4.

表4 水泥混凝土表面構造深度測試結果

1.3 制作黏結強度試件

在車轍模具內澆筑水泥混凝土試件,對水泥混凝土表面進行噴砂、拉毛和露石處理,在處理后的水泥混凝土表面分別涂布改性乳化瀝青、ES-2型改性乳化瀝青稀漿封層、SBS改性瀝青碎石封層、溶劑型黏結劑,各種黏結劑的用量見表5.

表5 防水黏結層材料及用量

分別制作黏結層-水泥基面拉拔試件、瀝青層-黏結層-水泥基面組合拉拔試件和剪切試件,見圖2.

圖2 拉拔試件和剪切試件

試件制作方法如下.

1) 黏結層與水泥基面拉拔試驗用以測試不同黏結層與水泥基面的拉拔強度,制作時將水泥板切割成100 mm×100 mm方形試件,在上層涂布黏結層;待黏結層破乳或養生形成強度后,將環氧樹脂均勻涂抹在拉拔頭底板并快速黏附在試件表面,并在常溫條件下養生固化.

2) 組合結構試件是在水泥混凝土板上涂布黏結層,然后加鋪2 cm厚的瀝青混合料形成組合車轍試件.加鋪層級配采用EMC-10,瀝青為SBS改性瀝青,油石比為5.5%,混合料級配見表6.

表6 EMC-10加鋪層級配

制作組合結構拉拔試件時,將組合車轍試件切割成100 mm×100 mm方形試件,然后使用鉆芯機鉆取直徑為50 mm的環形切口,鉆芯深度至水泥基面內1～2 mm.將環氧樹脂均勻涂抹在拉拔頭底板并快速黏附在試件表面,黏附時要注意拉拔頭與接口邊緣對齊,不能將環氧樹脂擠壓進環形切口內,在常溫條件下養生固化.制作組合結構剪切試件時,將組合車轍試件切割成150 mm×150 mm試件,用記號筆標記加鋪層成型碾壓方向作為剪切加載方向.

2 試驗結果與討論

2.1 黏結劑用量的影響

為確定各黏結劑在水泥混凝土表面的最佳用量,在推薦的用量范圍內設置表7的五種水平的黏結劑用量進行拉拔試驗,試驗溫度為25℃,拉拔試驗結果見圖3.

表7 四種黏結劑的用量水平

圖3 黏結劑用量對黏結強度的影響

由圖3可知:黏結劑的拉拔強度均隨黏結劑涂布量的增加呈先增大后減小的趨勢,黏結劑存在最佳用量.改性乳化瀝青、稀漿封層、溶劑型黏結劑和SBS瀝青碎石封層分別在用量為0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2時的拉拔強度達到最大值.

2.2 不同基面處治方法測試結果

分別在噴砂、拉毛、露石和原狀的四種水泥混凝土表面涂布改性乳化瀝青,采用萬能試驗機測試拉拔強度和剪切強度,拉拔試驗采用半徑為25 mm的拉拔頭,拉伸速率為(10±2) mm/min,試驗溫度為25℃;剪切試驗采用組合結構試件,試件截面為150 mm×150 mm,加載速率為(50±5) mm/min,試驗溫度為25℃,試驗結果見表8.

表8 不同處治基面的黏結強度 單位:MPa

由表8可知:經過不同工藝的表面處理后,層間的黏結強度都有所提高,黏結強度提高幅度在9.7%～32.3%,證明了基面的處理工藝對層間黏結的作用.采用噴砂工藝處理基面后的黏結強度提高了32.3%,明顯高于其他處理工藝提高的幅度,說明噴砂工藝對于提高層間黏結強度的效果最佳.從剪切試驗的結果看,基面的處理工藝對層間剪切強度的影響大于對黏結強度的影響.采用基面處理工藝后,剪切強度均大幅提高,拉毛處理使剪切強度提高了31.8%,采用噴砂工藝的提高幅度達到了68.2%,效果最佳.

2.3 不同黏結材料測試結果

采用上文所述的四種層間黏結材料和噴砂處理的水泥板制作拉拔試件和組合結構拉拔、剪切試件,測試黏結層與水泥混凝土表面的黏結強度,見表9.

表9 不同黏結劑的黏結強度 單位:MPa

由表9可知:不同試驗條件下四種材料的拉拔強度與剪切強度具有一致的大小關系,均表現為溶劑型黏結劑>SBS瀝青碎石封層>改性乳化瀝青稀漿封層>改性乳化瀝青,改性乳化瀝青與改性乳化瀝青稀漿封層的黏結強度差異較小.溶劑型黏結劑和SBS瀝青碎石封層的黏結強度均優于改性乳化瀝青,以組合試件為例,溶劑型黏結劑和SBS瀝青碎石封層的拉拔強度是改性乳化瀝青的2.9和1.7倍,剪切強度為4.3和2.5倍,溶劑型黏結劑具有最佳的黏結效果.此外,不同材料的剪切強度相對于拉拔強度表現出更加顯著的差異性,組合結構剪切試驗適合用于材料對黏結性能影響的差異性評價.

2.4 組合鋪裝結構黏結破壞影響因素分析

相關研究表明,距路表2～10 cm屬于高剪應力區,對超薄罩面而言,由于攤鋪厚度薄,外界氣候條件對層間黏結劑的影響增大.針對水泥路面加鋪超薄罩面的組合路面結構,設計了凍融循環、60 ℃浸水和車轍加載三種破壞條件,按照式(1)計算試件的殘留剪切強度比RSSR(residual shear strength ratio).

(1)

式中:RRSSR為試件的殘留剪切強度比,%;τ1為組合結構試件25℃條件下的剪切強度,MPa;τ2為試件經過養生破壞后的剪切強度,MPa.試驗條件如下所述:

1) 凍融循環和60℃浸水養生參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0729—2000和T0709—2011的試驗方法,將切割好的組合試件按照《規程》中的方法進行養生,測試剪切強度.

2) 車轍加載破壞試驗參照《規程》中T0719—2011的試驗方法,將組合車轍試件在60℃條件下進行車轍試驗,模擬路面的加載情況,待試件冷卻后將車轍加載區域切割成剪切試件并測試剪切強度.試驗結果見表10.

表10 組合結構試件黏結破壞后的剪切強度

由剪切試驗結果可知,凍融循環、浸水和車轍碾壓對組合路面結構的層間黏結強度均有不利影響,車轍碾壓后試件的RRSSR最小,水泥基面未處理時改性乳化瀝青與溶劑型黏結劑的RRSSR降低至71.7%和75.8%,噴砂后為80.8%和81.5%.采用噴砂工藝對水泥混凝土表面進行處理能夠提高組合結構試件的剪切強度,經過養生和破壞后,噴砂試件的RRSSR大于未進行表面處理的試件,噴砂處理提高了水泥混凝土表面的粗糙度,有利于層間黏結的耐久性.溶劑型黏結劑的剪切強度明顯大于改性乳化瀝青,養生破壞條件對殘留剪切強度比的影響存在差異,60℃浸水養生后改性乳化瀝青的RRSSR大于溶劑型黏結劑,凍融循環和車轍加載后溶劑型黏結劑的RRSSR較大.

3 結 論

1) 改性乳化瀝青、稀漿封層、溶劑型黏結劑和SBS瀝青碎石封層與水泥混凝土的拉拔強度均隨涂布量的增加呈先增大后減小的趨勢,分別在用量為0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2時的拉拔強度達到最大值.

2) 對水泥混凝土進行噴砂、拉毛和露石處理能夠提高層間黏結強度,噴砂工藝能夠顯著提升水泥混凝土表面的粗糙程度,對黏結強度的提升效果最好.

3) 拉拔與剪切試驗結果表明,在相同試驗條件下四種材料的層間黏結性能排序為溶劑型黏結劑>SBS瀝青碎石封層>改性乳化瀝青稀漿封層>改性乳化瀝青,溶劑型黏結劑適合用于水泥混凝土路面的黏結層.

4) 組合結構試件經過凍融循環、浸水和車轍碾壓后層間黏結強度明顯降低,對水泥混凝土進行噴砂處理能夠提高瀝青-水泥組合結構試件的殘留剪切強度比.溶劑型黏結劑經過養生破壞試驗后黏結強度仍達到1 MPa以上,適用與重載和大縱坡等高剪切條件下的罩面加鋪.