趙作富

(廣州公路工程集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510075)

瀝青混凝土橋面的主要早期病害為車(chē)轍、剝落和裂縫，其中橋面防水黏結(jié)層鋪灑效果是決定剝落病害發(fā)生的主要原因，黏結(jié)力不足容易導(dǎo)致橋面鋪裝層發(fā)生水平方向相對(duì)位移導(dǎo)致剪切破壞，造成橋面瀝青層產(chǎn)生推移、擁包病害，進(jìn)而導(dǎo)致橋面出現(xiàn)松散、剝落現(xiàn)象。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)水泥混凝土橋面鋪裝層間縱向剪應(yīng)力及水平荷載對(duì)層間合成剪應(yīng)力影響較大，橋面板的表面紋理構(gòu)造決定防水黏結(jié)層的疲勞性能。室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示，低溫條件下瀝青結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)效果較優(yōu)，20 ℃時(shí)瀝青層間剪切強(qiáng)度大于60 ℃時(shí)強(qiáng)度，防水黏結(jié)層存在最佳使用量使其強(qiáng)度性能最高，增加瀝青混凝土鋪裝層厚度和模量有利于減小鋪裝結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力，進(jìn)而減少橋面剪切破壞。但已有研究主要停留在定性分析層面，很少進(jìn)行定量分析。本文通過(guò)試驗(yàn)分析水泥混凝土橋面濕潤(rùn)狀態(tài)和構(gòu)造深度對(duì)防水黏結(jié)層性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 主要材料

防水黏結(jié)層采用改性乳化瀝青+SBS改性熱瀝青，噴灑厚度為1.5 mm；瀝青層采用厚度5 cm的中粒式改性瀝青混合料；橋面整體化層采用厚度5 cm C40水泥混凝土。

1.2 試驗(yàn)方案

制作多組40 cm×40 cm×10 cm試件。試件為雙層結(jié)構(gòu)，上層為5 cm厚中粒式改性瀝青混合料模擬橋面瀝青結(jié)構(gòu)層，下層為5 cm厚C40水泥混凝土模擬橋面整體化層，兩結(jié)構(gòu)層之間噴涂改性乳化瀝青，厚度1.5 mm。通過(guò)車(chē)轍板試驗(yàn)成型試件，將試件切割為10 cm立方體試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

完成水泥混凝土試件制備后，在不同濕度條件下噴涂防水黏結(jié)層及瀝青結(jié)構(gòu)層，分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)，分析基面潮濕程度對(duì)防水黏結(jié)層抗拉和抗剪強(qiáng)度的影響。

水泥混凝土初凝后，用毛刷對(duì)其進(jìn)行拉毛處理，恒溫養(yǎng)護(hù)后，在不同溫度下分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)，分析基面粗糙度對(duì)防水黏結(jié)層抗拉和抗剪強(qiáng)度的影響。

在水泥混凝土不同表面硬度條件下加鋪防水黏結(jié)層及瀝青結(jié)構(gòu)層，分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn)，分析基面表面硬度對(duì)防水黏結(jié)層抗拉和抗剪強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面含水狀況對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)性能的影響

防水黏結(jié)層施工中，橋面應(yīng)保持干燥。橋面潮濕，含水量過(guò)大，可能導(dǎo)致乳化瀝青破乳后水分不能完全蒸發(fā)，在致密的混凝土基面與瀝青層之間留存水膜，瀝青與混凝土界面不能較好地浸潤(rùn)，使乳化瀝青的黏結(jié)力失效，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)力損失，瀝青層出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

目前常用的基面含水狀況測(cè)定方法有：1) 目測(cè)判斷有無(wú)明顯的潮濕區(qū)域，若有，則不能施工。2) 在基面上放置紙張，固定使之不會(huì)飛起，放置4～5 h 后，若紙張稍微變濕，則不能施工。3) 在邊長(zhǎng)為40 cm的正方形區(qū)域撒水泥粉，覆蓋紙張并固定，3～4 h后拆除紙張，若水泥粉固化或部分固化為較粗的粒子，則不能施工；若稍微變濕，但仍為粉末狀態(tài)，風(fēng)吹時(shí)即飛揚(yáng)，則可以施工。

根據(jù)上述方法，分別在潮濕、濕潤(rùn)和干燥條件下成型試件，室溫養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 表面含水狀況與防水黏結(jié)層層間黏結(jié)效果的關(guān)系

由表1可知：混凝土表面含水狀況對(duì)防水黏結(jié)層層間黏結(jié)效果有重要影響?；炷帘砻娉睗駮r(shí)，層間黏結(jié)強(qiáng)度較低；混凝土表面干燥時(shí)，層間黏結(jié)效果較好。在鋪設(shè)防水黏結(jié)層前應(yīng)判斷混凝土表面含水狀況，混凝土表面處于潮濕狀態(tài)時(shí)不能進(jìn)行鋪設(shè)。

2.2 基面構(gòu)造深度對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)性能的影響

2.2.1 基面構(gòu)造深度對(duì)防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)溫度為20 ℃和40 ℃時(shí)防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度與構(gòu)造深度的關(guān)系見(jiàn)表2、圖1。

表2 不同試驗(yàn)溫度下防水黏結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度

圖1 防水黏結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度與構(gòu)造深度的關(guān)系

瀝青層與混凝土基面間的剪切強(qiáng)度主要由材料間的機(jī)械咬合力和黏結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度組成。根據(jù)黏結(jié)作用的機(jī)械咬合理論，瀝青黏結(jié)劑在浸潤(rùn)混凝土基面的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生咬合力，混凝土基面的粗糙程度決定細(xì)微結(jié)構(gòu)間的機(jī)械嵌擠、咬合力大小。黏結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度由摩爾-庫(kù)倫理論決定。由圖1可知：1) 隨基面構(gòu)造深度增大，剪切強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢(shì)，構(gòu)造深度為0.9 mm時(shí)剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值。粗糙程度決定機(jī)械咬合力大小，機(jī)械咬合力增加導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增加；同時(shí)構(gòu)造深度增加導(dǎo)致浸潤(rùn)面積增大，黏聚力增大，結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度增加。混凝土基面構(gòu)造深度達(dá)到0.9 mm時(shí)，機(jī)械咬合力達(dá)到最大值，黏聚力也因?yàn)椴牧献陨淼目辜魪?qiáng)度局限而不再增加，繼續(xù)增加橋面粗糙程度對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度影響不大。2) 試件溫度由20 ℃升高至40 ℃時(shí)，剪切強(qiáng)度折減至原來(lái)的1/5左右。這主要是由天然瀝青高溫穩(wěn)定性低的特性所致。高溫導(dǎo)致瀝青分子活躍，材料黏聚力降低，抗剪強(qiáng)度降低。高溫條件下，外力導(dǎo)致黏結(jié)材料內(nèi)部先發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度不足。

2.2.2 基面構(gòu)造深度對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)力的影響

通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究水泥混凝土基面構(gòu)造深度對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)力的影響，拉拔速度為10 mm/min，試驗(yàn)溫度分別為20 ℃和40 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖2。

表3 不同試驗(yàn)溫度下防水黏結(jié)層層間黏結(jié)強(qiáng)度

圖2 防水黏結(jié)層層間黏結(jié)強(qiáng)度與構(gòu)造深度的關(guān)系

根據(jù)吸附理論，黏結(jié)劑與固體表面接觸浸潤(rùn)的過(guò)程中界面分子間距縮小，分子間產(chǎn)生范德華力和氫鍵。黏結(jié)力主要來(lái)源于分子間力，即黏結(jié)層瀝青與水泥混凝土基面的潤(rùn)濕程度是影響?zhàn)そY(jié)效果的主要因素。由圖2可知：水泥混凝土基層表面構(gòu)造深度與防水黏結(jié)層的黏結(jié)性能相關(guān)性較大。隨基面構(gòu)造深度增大，黏結(jié)強(qiáng)度呈拋物線變化，在基面構(gòu)造深度為0.9 mm時(shí)達(dá)到峰值；黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值后，隨構(gòu)造深度增加，黏結(jié)強(qiáng)度不增反降。水泥混凝土基面構(gòu)造深度增加，層間接觸面積增大，結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度增大；黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值后，繼續(xù)增構(gòu)造深度，基面微型溝槽過(guò)于細(xì)密，深度大，改性瀝青鋪灑時(shí)，微型溝槽底部難以被浸潤(rùn)，存在氣體空腔殘留，因而浸潤(rùn)面積難以進(jìn)一步增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)黏結(jié)力達(dá)到極大值后不能進(jìn)一步增大。

綜上，防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著基面構(gòu)造深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且不同溫度下的變化趨勢(shì)相同。構(gòu)造深度為0.9 mm時(shí)，抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)極大值。為保證施工效果，施工時(shí)，拉毛后構(gòu)造深度應(yīng)控制在0.9 mm左右。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)結(jié)果與分析

依托廣州白云機(jī)場(chǎng)第二高速公路瀝青混凝土橋面鋪裝工程進(jìn)行原位試驗(yàn)。試驗(yàn)方案：中面層攤鋪后，在橋面進(jìn)行鉆芯取樣，深度為達(dá)到水泥混凝土基面，鉆孔直徑10 cm，芯樣周?chē)c瀝青中面層脫離不取出(見(jiàn)圖3)，芯樣底面與橋面基層相連，將拉拔頭固定在芯樣頂面，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)。瀝青攤鋪前再采用鋪砂法檢測(cè)橋面構(gòu)造深度，并在防撞欄上作標(biāo)記，瀝青攤鋪后在標(biāo)記處進(jìn)行原位拉拔試驗(yàn)，記錄各點(diǎn)構(gòu)造深度、拉拔抗力和拉拔破壞界面位置。

圖3 原位試驗(yàn)鉆芯

圖4 拉拔試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.3.1 首次試驗(yàn)結(jié)果與分析

首次試驗(yàn)在午后氣溫較高(橋面溫度為60 ℃)時(shí)進(jìn)行，各里程樁號(hào)標(biāo)記點(diǎn)處的構(gòu)造深度及拉拔力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、圖5。

表4 瀝青中面層60 ℃結(jié)構(gòu)芯樣拉拔抗力

圖5 瀝青中面層60 ℃黏結(jié)力

從表4、圖5可以看出：層間拉拔力與構(gòu)造深度呈正相關(guān)關(guān)系，構(gòu)造深度增加，拉拔力增大；拉拔力變化曲線與構(gòu)造深度變化曲線的形態(tài)重合，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。芯樣拉拔破壞界面分別位于黏結(jié)層與水泥混凝土基面交界面處和瀝青層內(nèi)(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖6 破壞面位于水泥混凝土基面交界面處

圖7 破壞面位于瀝青層內(nèi)

構(gòu)造深度為0.88 mm時(shí)，層間黏結(jié)強(qiáng)度最大，為0.044 MPa，芯樣斷裂發(fā)生在瀝青層內(nèi)；構(gòu)造深度大于1.2 mm或小于0.7 mm時(shí)，芯樣斷裂位置位于水泥混凝土基面交界面處。對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)(40 ℃)和原位試驗(yàn)(60 ℃)的黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)據(jù)，原位試驗(yàn)黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)力值損失較嚴(yán)重，證明溫度對(duì)防水黏結(jié)層影響較大，橋面防水黏結(jié)層施工工藝控制較重要。

2.3.2 第二次試驗(yàn)結(jié)果與分析

第二次試驗(yàn)在上午氣溫較低時(shí)進(jìn)行，路面溫度為15 ℃，各里程樁號(hào)標(biāo)記點(diǎn)處構(gòu)造深度及拉拔力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5、圖8。

表5 瀝青中面層15 ℃結(jié)構(gòu)芯樣拉拔抗力

圖8 瀝青中面層15 ℃黏結(jié)力

由表5、圖8可知：拉拔力變化曲線與構(gòu)造深度變化曲線的變化形態(tài)基本重合。層間拉拔強(qiáng)度應(yīng)力值與室內(nèi)試驗(yàn)黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)力值基本相當(dāng)。芯樣斷裂位置全部位于防水黏結(jié)層與水泥混凝土基面交界面處，證明低溫條件下瀝青防水黏結(jié)層與瀝青結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)力大于其與水泥混凝土基面的黏結(jié)強(qiáng)度，層間破壞易發(fā)生在防水黏結(jié)層與水泥混凝土基面之間。

2.4 基面表面硬度對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)性能的影響

已有研究表明，混凝土7 d內(nèi)的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，其中低配筋率混凝土1 d內(nèi)的強(qiáng)度即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的96%，3 d強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的98%，7 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)有限。為分析基面表面硬度對(duì)防水黏結(jié)層黏結(jié)性能的影響，成型試件，根據(jù)回彈值在不同表面硬度狀況下加鋪瀝青結(jié)構(gòu)層，分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

由圖9、圖10可知：防水黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨著回彈值的增加呈線性增長(zhǎng)，但回彈值≥30 MPa時(shí)拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯下降。水泥混凝土基面強(qiáng)度在30 MPa以下時(shí)，拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著回彈值的增加而顯著增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)樗嗷炷帘砻嫖赐耆纬梢欢ǖ闹旅芙Y(jié)構(gòu)，立即加鋪上部瀝青結(jié)構(gòu)層，混凝土表面微小空隙較多，加鋪會(huì)造成空隙擴(kuò)大形成較多微小裂縫，降低拉拔強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；水泥混凝土基面強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上時(shí)，混凝土表面形成致密結(jié)構(gòu)，加鋪上部瀝青結(jié)構(gòu)層對(duì)表面的影響較小，對(duì)拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的影響較小。綜上，上部瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層攤鋪前應(yīng)確保水泥混凝土基面強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上。

圖9 表面硬度與拉拔強(qiáng)度的關(guān)系

圖10 表面硬度和45°斜剪強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1) 混凝土表面含水狀況對(duì)防水黏結(jié)層層間黏結(jié)效果有重要影響，混凝土表面潮濕時(shí)層間黏結(jié)強(qiáng)度較低，混凝土表面干燥時(shí)層間黏結(jié)效果較好。在鋪設(shè)防水黏結(jié)層前應(yīng)判別混凝土表面含水狀況，混凝土表面處于潮濕狀態(tài)時(shí)不能進(jìn)行鋪設(shè)。

(2) 橋面防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著基面構(gòu)造深度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，且20 ℃和40 ℃條件下的變化趨勢(shì)相同，構(gòu)造深度為0.9 mm時(shí)抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值。為保證施工效果，施工過(guò)程中拉毛后構(gòu)造深度應(yīng)控制在0.9 mm左右。

(3) 水泥混凝土基面強(qiáng)度小于30 MPa時(shí)，防水黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著回彈值的增加而顯著增長(zhǎng)；基面強(qiáng)度大于30 MPa時(shí)，防水黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速率下降。瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層攤鋪前應(yīng)確保水泥混凝土基面強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上。