周本濤，王笑風(fēng)，常迅夫，萬晨光

（1.河南宛龍高速公路有限公司，河南 平頂山 467000；2.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，河南 鄭州 450000；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

水泥混凝土橋面鋪裝主要由瀝青鋪裝層、防水粘結(jié)層和水泥混凝土調(diào)平層組成[1]。從現(xiàn)有多條高速瀝青路面的早期破壞調(diào)查表明，橋面面層早期損壞明顯高于路基路面，常見病害形式有推移、松散、泛白、唧漿、網(wǎng)裂等，究其原因在于混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層之間接觸狀態(tài)不佳[2-5]。層間結(jié)構(gòu)作為橋面鋪裝的重要組成部分，是橋面鋪裝的薄弱區(qū)域[6]。

混凝土橋調(diào)平層表面構(gòu)造作為層間結(jié)構(gòu)的組成，是層間結(jié)構(gòu)壽命的重要影響因素[7]。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提出水泥混凝土橋面板宜進(jìn)行銑刨或拋丸打毛處理，處理后的橋面板構(gòu)造深度宜為0.4～0.8 mm[8]。研究人員通過室內(nèi)銑刨、拉毛、刻槽等方式對混凝土板表面進(jìn)行處理，研究表面狀態(tài)對橋面鋪裝性能的影響[9]，但表面狀態(tài)效果隨機(jī)不可控，難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律性影響。

本文依據(jù)典型橋面鋪裝組合方式，通過對調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造的室內(nèi)量化模擬，研究不同表面構(gòu)造狀態(tài)對不同鋪裝層間組合方案抗剪穩(wěn)定性、抗拉拔強(qiáng)度、層間橫向滲水的影響規(guī)律，分析其對層間穩(wěn)定性的影響，為橋面鋪裝調(diào)平層量化處理提供一定依據(jù)。

1 復(fù)合試件組合方案

水泥混凝土橋面鋪裝層常用的組合方式為上面層采用最大公稱粒徑13 mm的AC-13、SMA-13或AK-13瀝青混合料，中面層多為AC-20瀝青混合料。常見的防水粘結(jié)層材料為瀝青同步碎石封層、水性環(huán)氧瀝青涂層、高黏乳化瀝青涂層和熱固性環(huán)氧瀝青等。

由于橋面鋪裝失效破壞主要發(fā)生在防水粘結(jié)層，即中面層瀝青混合料和混凝土橋面板調(diào)平層之間。因此，本文選擇中面層瀝青混合料和調(diào)平層水泥混凝土，2層之間撒布防水粘結(jié)層的組合形式。結(jié)合河南省常見橋面鋪裝形式，中面層為AC-20瀝青混合料，調(diào)平層為C40水泥混凝土，防水粘結(jié)層為SBS、橡膠瀝青同步碎石封層，高黏乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青，混凝土橋調(diào)平層構(gòu)造深度為0、0.4、0.8、1.2 mm，具體組合方案如表1所示。

表1 復(fù)合試件組合方案

2 試驗(yàn)

2.1 構(gòu)造深度測試方法

采用CJJ 139—2010《城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程》中提到混凝土整平層粗糙度，即構(gòu)造深度的測試方法。

2.1.1 構(gòu)造深度測試采用材料及儀器設(shè)備

粒徑0.2～0.5 mm的干燥石英砂；300 mm直尺；空腔容積為25 000～35 000 mm3容器。

2.1.2 構(gòu)造深度檢測步驟

（1）利用已知容積的容器裝滿干燥的石英砂，得到石英砂的體積V，mm3；

（2）將石英砂均勻攤鋪在實(shí)驗(yàn)部位呈圓形斑狀（基面混凝土凹坑填滿細(xì)砂為止）；

（3）用直尺測量攤鋪的最大直徑d，mm；

（4）按式（1）計(jì)算構(gòu)造深度Rt，mm。

2.2 試件制備

2.2.1 中面層

中面層采用AC-20 SBS改性瀝青混合料，油石比為5.0%，混合料合成級配如圖1所示。

2.2.2 調(diào)平層

調(diào)平層采用C40水泥混凝土，水泥為P·O42.5水泥，配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=1∶2.21∶2.71∶0.4，聚羧酸減水劑摻量為0.5%。

2.2.3 構(gòu)造深度室內(nèi)量化模擬步驟

（1）在30 cm×30 cm的車轍板模具中傾入融化的石蠟，待自然冷卻硬化后脫模，如圖2（a）所示；用鋼刷在蠟板表面拉毛處理，并用節(jié)2.1所述方法，測試其構(gòu)造深度。通過不斷拉毛、測試、修正，使蠟板表面構(gòu)造深度滿足方案要求，如圖2（b）所示；將已知構(gòu)造深度的蠟板重新放入車轍板模具待用，如圖2（c）所示。

（2）調(diào)制環(huán)氧樹脂澆注入車轍板模具中，如圖3（a）所示；待完全固化后脫模，得到與蠟板表面構(gòu)造相反的環(huán)氧樹脂板，如圖3（b）、（c）所示。

（3）將已知構(gòu)造深度的環(huán)氧樹脂板置入車轍板模具中，如圖4（a）所示；并加入攪拌的水泥混凝土，養(yǎng)護(hù)7 d后脫模，即可得到與蠟板表面構(gòu)造相同的水泥混凝土板，如圖4（b）、（c）所示，混凝土養(yǎng)生30 d備用。

通過上述步驟，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度的量化模擬，得到特定構(gòu)造深度的混凝土板。

2.2.4 鋪裝層復(fù)合試件制備

如圖5（a）所示，按表1方案在混凝土板表面涂布防水粘結(jié)層材料。其中同步碎石封層碎石覆蓋率為70%左右，混凝土板滿覆蓋碎石質(zhì)量為650 g，滿足相應(yīng)覆蓋率碎石質(zhì)量為450 g。將上述混凝土底板放入車轍板模具，并攤鋪AC-20 SBS瀝青混合料，經(jīng)輪碾儀壓實(shí)即可成型鋪裝層復(fù)合試件，如圖5（b）所示。為避免鉆芯取樣過程中對復(fù)合試件粘結(jié)層產(chǎn)生擾動，影響粘結(jié)強(qiáng)度，采用切割方式將復(fù)合板制成粘結(jié)層截面為80 mm×80 mm的試件待用，進(jìn)行后續(xù)剪切強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度測試，如圖5（c）所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面構(gòu)造與鋪砂量的關(guān)系

當(dāng)水泥混凝土板表面構(gòu)造深度為0時，可以認(rèn)為其表面為理想平面，石英砂無法填充表面構(gòu)造凹槽，從而導(dǎo)致攤鋪面積趨近于無窮大。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)構(gòu)造深度，構(gòu)造凹槽體積可以視為填充的石英砂體積V，通過測試攤鋪面積S，即可計(jì)算得到整體凹槽的平均深度，即表面構(gòu)造深度Rt。

對混凝土試件進(jìn)行表面構(gòu)造處理，通過鋪砂法測試其表面構(gòu)造深度，取特定石英砂松堆體積V為25 000 mm3，混凝土試件構(gòu)造深度Rt與攤鋪直徑d的對應(yīng)關(guān)系如表2、圖6所示。

表2 表面構(gòu)造深度與攤鋪面積

由圖6可見，隨著構(gòu)造深度的增加，相同體積石英砂可攤鋪面積減小，且兩者呈反比例函數(shù)關(guān)系。通過擬合結(jié)果，構(gòu)造深度與攤鋪面積的乘積常數(shù)為24 944，與石英砂實(shí)際體積25 000 mm3近似相同，表明鋪砂法測構(gòu)造深度具有一定可行性。

3.2 表面構(gòu)造對剪切性能的影響

相關(guān)研究表明[10-11]，橋面調(diào)平層表面構(gòu)造使橋板與瀝青混合料層具有良好的嵌擠作用，表面構(gòu)造紋理提供的層間摩阻力是影響橋面鋪裝抗剪穩(wěn)定性的重要因素。行車制動剎車及加減速過程會對橋面鋪裝產(chǎn)生剪切應(yīng)力，若抗剪穩(wěn)定性不足，則會沿行車方向產(chǎn)生推移、裂縫等病害。因此工程實(shí)際中，常對橋面鋪裝調(diào)平層進(jìn)行銑刨、拉毛、刻槽處理，增大構(gòu)造深度，清除橋板表面的浮漿、軟弱部位。此外，為施工方便，對橋面銑刨、拉毛處理常沿行車方向進(jìn)行，如圖7所示。

可以預(yù)見的是，不同橋面構(gòu)造方向與行車方向產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是不盡相同的。為研究調(diào)平層不同構(gòu)造深度及荷載剪切作用方向?qū)娱g抗剪性能的影響，對方案中4種復(fù)合試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速率10 mm/min，試驗(yàn)溫度20℃，各橋面鋪裝復(fù)合試件的抗剪強(qiáng)度與荷載作用方向的關(guān)系如圖8～圖10所示。

由圖8可見，在調(diào)平層構(gòu)造深度為0的情況下，水性環(huán)氧瀝青的抗剪強(qiáng)度最大為1.33 MPa，其他3種防水粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度相似，排除構(gòu)造深度的影響，水性環(huán)氧瀝青的層間粘結(jié)力最強(qiáng)。隨著構(gòu)造深度增大，幾種防水粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度均有提高趨勢。構(gòu)造深度為0的情況下，抗剪強(qiáng)度由粘結(jié)層材料自身內(nèi)聚強(qiáng)度提供，隨著構(gòu)造深度增大，瀝青混合料層與混凝土面板的嵌鎖作用逐漸增強(qiáng)。高黏乳化瀝青在構(gòu)造深度為1.2 mm時抗剪強(qiáng)度有所降低，在較深的構(gòu)造深度下，粘結(jié)層材料用量不足以充分填充表面構(gòu)造，導(dǎo)致其對層間粘結(jié)力不足，如圖9所示。

由圖10可見，在剪切位移方向與構(gòu)造方向垂直情況下，隨著構(gòu)造深度增大，幾種粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)先提高后降低的趨勢。隨著構(gòu)造深度增大，表面構(gòu)造提供的層間摩阻作用增強(qiáng)；繼續(xù)增大表面構(gòu)造深度，由于波形構(gòu)造梳齒過薄，混凝土抗剪強(qiáng)度降低，在剪切荷載作用時，自身發(fā)生破壞導(dǎo)致摩阻和嵌鎖效果降低。因此，橋面板表面構(gòu)造深度不宜過大。

此外，相同構(gòu)造深度及粘結(jié)層材料下，垂直加載方向的抗剪強(qiáng)度高于平行方向下的抗剪強(qiáng)度。如圖11所示，層間抗剪切發(fā)生位移的過程中，垂直加載方向?qū)Ρ砻鏄?gòu)造的摩阻現(xiàn)象更明顯，相應(yīng)的抗剪切強(qiáng)度也更高。據(jù)此，工程實(shí)際中可適當(dāng)進(jìn)行橋面板橫向銑刨，使構(gòu)造方向與行車方向垂直，增強(qiáng)層間抗剪穩(wěn)定性，減少推移、裂縫等病害。

3.3 構(gòu)造深度對拉拔性能的影響

與常規(guī)路面結(jié)構(gòu)相比，車輛荷載作用下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與橋梁主梁結(jié)構(gòu)的振動明顯強(qiáng)烈。為保證橋梁上部結(jié)構(gòu)的良好協(xié)同變形能力，使一剛一柔2種結(jié)構(gòu)層形成整體受力，要求防水粘結(jié)層具有良好的粘結(jié)性能[12]。實(shí)際施工過程中，由于銑刨、拉毛、拋丸等工藝的不同，橋面構(gòu)造深度不同對同一防水粘結(jié)材料也將產(chǎn)生不同的粘結(jié)效果。對不同表面構(gòu)造深度的拉拔試件進(jìn)行測試，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可見，不同構(gòu)造深度對防水粘結(jié)材料的拉拔強(qiáng)度大致產(chǎn)生2種不同的變化規(guī)律。對于熱熔型橡膠瀝青和SBS瀝青，灑布量固定情況下，隨著構(gòu)造深度的增加，拉拔強(qiáng)度呈先提高后降低趨勢。拉拔強(qiáng)度由材料抗拉強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度提供，表面構(gòu)造深度為0時，SBS瀝青相較于橡膠瀝青內(nèi)聚力更大，粘韌性更強(qiáng)，因此表現(xiàn)出更高的拉拔強(qiáng)度。隨著構(gòu)造深度增大，粘結(jié)材料填充基層表面構(gòu)造，與基層粘結(jié)面積增大，且受到非垂直方向作用力，因此拉拔強(qiáng)度出現(xiàn)提高趨勢。構(gòu)造深度繼續(xù)增大，粘結(jié)材料集中于基層構(gòu)造凹槽內(nèi)，構(gòu)造凸起處反而減少，使整體粘結(jié)強(qiáng)度降低，拉拔強(qiáng)度降低。橡膠瀝青在較大的構(gòu)造深度下拉拔強(qiáng)度高于SBS瀝青，主要是由于相同質(zhì)量灑布量下，橡膠瀝青具有更大的體積，因此能夠填充較大構(gòu)造深度的基層。

對于水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青，隨構(gòu)造深度增大，拉拔強(qiáng)度呈降低趨勢。在構(gòu)造深度為0時，水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青拉拔強(qiáng)度高于熱熔瀝青，主要是由于水性環(huán)氧瀝青和高黏乳化瀝青常溫下為液態(tài)，與熱熔瀝青相比，具有極好的流動性和滲透性，能夠滲入基層表面開孔和連通孔中，經(jīng)固化或破乳后，在粘結(jié)表面形成類似于鉚釘?shù)男Ч?。同時，水性環(huán)氧瀝青固化后內(nèi)部形成交聯(lián)的熱固性聚合物，因此拉拔強(qiáng)度高于高黏乳化瀝青。由于二者灑布量較小且存在非固含量，隨著構(gòu)造深度增大，流動狀態(tài)的粘結(jié)材料集中堆積在表面構(gòu)造凹槽及縫隙內(nèi)，在層間無法形成連續(xù)的薄膜，上下基面粘結(jié)面積及效果不佳，導(dǎo)致拉拔強(qiáng)度持續(xù)降低。

3.4 構(gòu)造深度對層間滲水的影響

在橋面鋪裝服役過程中，調(diào)平層與瀝青層層間滲水產(chǎn)生的動水沖刷是導(dǎo)致橋面鋪裝出現(xiàn)松散、泛白等早期病害的主要原因[13]，如圖13所示。如果防水粘結(jié)層無法將瀝青層與橋面板緊密粘結(jié)，產(chǎn)生太多層間滲水通道，必然使層間穩(wěn)定性失效。

本文通過層間滲水設(shè)備[14]，層間橫向滲水原理圖如圖14所示，對不同構(gòu)造深度下的復(fù)合試件進(jìn)行層間滲水測試，結(jié)果如圖15所示。

由圖15可見，隨著調(diào)平層表面構(gòu)造深度增大，層間橫向滲水系數(shù)呈增大趨勢，層間橫向滲水通道變多。橡膠瀝青和SBS瀝青灑布量較多，且受到熱瀝青混合料碾壓后會熔融流動，充分粘結(jié)瀝青層與調(diào)平層，封閉層間連通空隙，在一定構(gòu)造深度下基本不存在層間滲水。但隨著構(gòu)造深度增加，防水粘結(jié)材料在確定的灑布量情況下，層間開始出現(xiàn)滲水。水性環(huán)氧瀝青與高黏乳化瀝青的層間橫向滲水系數(shù)較大，較少的灑布量導(dǎo)致橋面鋪裝兩層結(jié)構(gòu)未充分粘結(jié)，存在較多空隙。上述現(xiàn)象與構(gòu)造深度對層間拉拔強(qiáng)度的影響規(guī)律相一致。

4 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)混凝土表面構(gòu)造量化模擬，制備相應(yīng)試件組合方案，并通過鋪砂法驗(yàn)證了該方法的可行性。通過構(gòu)造深度量化模擬，可模擬各種構(gòu)造狀態(tài)下橋面調(diào)平層表面構(gòu)造深度，研究其對層間抗剪強(qiáng)度、層間抗拉拔強(qiáng)度、層間橫向滲水性能的影響。

（2）調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度增大對增強(qiáng)層間抗剪性能具有積極的影響。當(dāng)剪切方向與表面構(gòu)造方向平行時，隨著構(gòu)造深度增大，剪切強(qiáng)度基本呈提高趨勢。當(dāng)剪切方向與表面構(gòu)造方向垂直時，隨構(gòu)造深度增大，剪切強(qiáng)度先提高后降低，主要是由于過大的構(gòu)造深度導(dǎo)致混凝土表面強(qiáng)度降低，不利于層間穩(wěn)定性。

（3）調(diào)平層混凝土表面構(gòu)造深度對不同防水粘結(jié)材料的層間拉拔特性有不同的影響。對于灑布量較多的熱熔型瀝青粘結(jié)材料，表面構(gòu)造深度增大，層間拉拔強(qiáng)度先提高后降低。對于灑布量較少的涂膜類粘結(jié)材料，構(gòu)造深度增大反而不利于其抗拉拔強(qiáng)度。

（4）層間滲水導(dǎo)致的動水沖刷作用對層間穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重影響橋面鋪裝整體特性。層間滲水試驗(yàn)表明，防水粘結(jié)材料灑布量一定的情況下，調(diào)平層表面構(gòu)造深度越小，層間滲水越少。