同步碎石封層橋面防水黏結層溫度敏感性研究

李志棟，黃曉明，陳廣秀，陳小雪

（1.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096;2.河南省高遠公路養護技術有限公司，河南新鄉 453000;3.遼寧省朝陽市統計局，遼寧朝陽 122000）

同步碎石封層橋面防水黏結層溫度敏感性研究

李志棟1，2，黃曉明1，陳廣秀3，陳小雪2

（1.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096;2.河南省高遠公路養護技術有限公司，河南新鄉 453000;3.遼寧省朝陽市統計局，遼寧朝陽 122000）

為使水泥混凝土橋面碎石封層防水黏結層在不同溫度下的黏結強度和抗剪強度有可比性，首先采用溫度模型對氣溫、橋面及防水黏結層溫度差異性進行對比;其次，對該防水黏結層強度最大化配比設計及其黏結、抗剪強度對不同溫度條件敏感性進行分析。研究表明:1.2 kg/m2SBS改性瀝青與8 kg/m27～9.5 mm碎石時防水黏結層強度最大;黏結層、橋面溫度分別平均高出氣溫10℃、17℃，層間強度對溫度極為敏感，同一氣溫對應的黏結層溫度以及橋面溫度下檢測的強度下降38%～80%，應采用防水黏結層溫度作為檢測溫度。最后，回歸防水黏結層黏結、直剪、扭轉剪切強度的理論模型，提出Ki強度修正系數，并通過建立P25強度修正模型將不同溫度下強度換算成25℃標準強度值。

水泥混凝土橋面;同步碎石封層;防水黏結層;黏結強度;抗剪強度;修正模型;溫度敏感性

截至2010年底，全國公路橋梁達65.81萬座、3 048.31萬m，其中，2 051座特大橋梁及49 489座大橋［1］中鋪筑瀝青鋪裝層的水泥混凝土橋梁占相當比例。但不論水泥混凝土橋梁，還是鋼橋梁，其橋面鋪裝往往都不能令人滿意，其中水損壞成為了早期損壞的通病，其原因除了因橋面水泥混凝土層施工質量不夠、橋面板平整度不好、水泥混凝土潮濕引起水汽鼓包以及融雪劑腐蝕等原因之外，最根本的是橋面板和鋪裝層之間的防水性和黏結性不夠。

因此，隨著SBS同步碎石封層防水黏結層越來越廣泛的應用，很有必要對其作用及檢測評價標準進行分析和探討，以便對設計、施工、檢測進行規范、統一。

1 橋面防水層黏結層應用現狀

1.1 防水黏結層及其強度標準

防水黏結層系指為了防止雨水、雪水以及其他用水滲入橋面并保證橋面與鋪裝層的整體性而在橋面與鋪裝層之間鋪筑的起到防水與黏結作用的材料層，其剖面圖如圖1。這個概念真正出現在《公路瀝青路面施工技術規范》［2］中，體現了黏結與防水作用并舉。

圖1 水泥混凝土橋面鋪裝層結構層組合（結構層+功能層）Fig.1 Structure composites of cement concrete bridges deck surfacing

我國在交通、建材行業方面制定了一系列標準，熱融瀝青碎石、瑪蹄脂、卷材、稀漿封層等不同種類防水黏結層的強度在檢測標準中提到如表1。

表1 相關標準的防水（黏結）層技術要求Tab.1 Technology request of waterproof（binder）course in the correlative specification

1.2 防水黏結層優劣性能對比

防水黏結層分為柔性防水黏結層和剛性防水黏結層，而常用于水泥混凝土橋面的柔性防水黏結層主要有聚合物改性瀝青、聚氨酯、聚合物水泥、瀝青砂、瑪蹄脂、稀漿封層、熱融瀝青碎石等柔性類，不同防水黏結層與不同類型下面層組合成的防水體系的使用效果［7］如表 2。

表2 不同橋面防水體系的抗剪、黏結能力對比Tab.2 Contrast on of the ability of shear resistance and binder of the different bridges deck’waterproof system

1.3 對比分析

對表1、表2所列標準進行分析可知:

1）交通、建材及城鎮建設3個行業標準對同樣或類似材料的定義、技術要求、試驗條件差異較大，比如，交通標準的卷材類抗剪強度是建材標準要求的17倍。尤其不同行業對同一強度檢測卻提出常溫、標準溫度50℃、60℃等不同氣溫條件。

這都將使得檢測強度沒有可比性，因為瀝青在不同溫度下呈現黏彈塑特性不同，其勁度模量是溫度和時間的函數［12］，其黏結強度與抗剪強度的大小將對溫度條件最為敏感。

2）同屬交通行業標準，但設計（橋涵、瀝青路面）、施工、驗收規范的技術要求相互矛盾。

3）從定義沿革看，防水黏結層經歷從無到有和由單純防水到防水、黏結二者兼顧的發展過程。

4）公路橋涵設計通用規范僅規定鋪裝層最小厚度，卻未提及防水黏結層設計及檢測標準。

5）SBS改性瀝青同步碎石封層是一種熱融型碎石封層，與其他防水層相比，具有施工方便、性能優越等特點，具有如下作用:

①足夠灑布量SBS改性瀝青密不透水，能夠防止水分下滲橋面板、腐蝕鋼筋、威脅主梁安全。

②SBS改性瀝青黏結性能良好，能夠使瀝青混凝土鋪裝層與橋面板成為一個受力整體，不在鋪裝層與橋面板之間出現滑動面。

③碎石封層一個由SBS改性瀝青和碎石共同構成的彈性膠狀板體，具有良好的協調變形能力。當橋面板在溫度變化或行車荷載作用下發生水平剪切變形和豎向位移時，防水黏結層可以吸收部分剪應力且減少相對位移，從而起到應力吸收作用。

2 不同條件防水黏結層溫度差異性

2.1 鋪裝層不同深度處溫度計算模型對比

橋面的溫度場是隨著環境溫度變化而變化的，高溫季節，橋面高出氣溫15～17℃（且高出路表5～7℃，所以在表3中對路面模型Ⅰ、路面模型Ⅱ計算的溫度進行+6℃修正），低溫季節，橋面最低溫度高出氣溫3～4℃［13］。因橋面底部、側面都與環境直接接觸，對升溫、降溫都很敏感，其最高溫度將高于路面最高溫度，其最低溫度低于路面最低溫度。但是。對于水泥混凝土橋面鋪裝層，其黏結強度、抗剪強度對夏季高溫最為敏感。

下面將分別采用式（1）、式（2）的瀝青路面不同深度溫度計算模型以及式（3）的橋面溫度計算模型對上海地區的橋面溫度進行計算對比，結果見表3，計算參數見表4。

表3 不同計算模型計算橋面頂面和90 mm鋪裝層底溫度Tab.3 Temperature of deck surfacing and 90 mm depth below the overlay by the different model

表4 上海市2010年7月1日14時橋面溫度計算參數Tab.4 Calculation parameter of bridge deck temperature at 14:00 on July 1st in 2010

1）簡化預估模型（Ⅰ）［14］:

式中:Th為瀝青路面h深度處的溫度，℃;Ta為當前氣溫，℃;Ta5為此前5 h平均氣溫，℃;h為距離路表深度，cm;Tm為地區修正系數，即歷年月平均氣溫，℃;b1～ b7為 回 歸 系 數:-0.425，1.239，-0.023，-1.357，0.172，-0.006，0.408。

2）日最高溫度預估模型（Ⅱ）［15］:

式中:TPmax為瀝青路面某一深度h處的日最高溫度，℃;Tamax為日最高氣溫，℃;h為距離路表深度，cm;Tm為地區修正系數，即歷年月平均氣溫，℃;m1～m7為回歸系數:3.040，0.994，-0.007，-1.676，0.201，-0.008，0.498。

3）橋面最高溫度模型（Ⅲ）［13］:

式中:Tqmax為水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層最高溫度，℃;Tamax為日最高氣溫，℃。

3個模型計算的橋面最高溫度為51.6℃，90 mm深度處最高溫度為44.8℃。另外，橋面模型Ⅲ計算的溫度和路面模型Ⅰ、路面模型Ⅱ計算的溫度很接近，并且不需要修正，所以模型Ⅲ更適合橋面溫度的計算，而路面模型Ⅰ、路面模型Ⅱ更適合橋面90 mm深度溫度計算。

2.2 檢測層間強度的溫度條件不合理性分析

如前所述，不同標準的黏結強度要求溫度最大相差30℃，抗剪強度最大相差40℃。當氣溫為35℃時（恰好為評定標準［9］中強度合格與否的分界氣溫），由不同模型計算得到的橋面最低溫度也有50.6℃，而防水黏結層處的最低溫度為43.7℃。橋面溫度至少高出氣溫15.6℃，高出防水黏結層處溫度6.9℃，而防水黏結層處溫度至少高出氣溫8.7℃。由此說明:

1）標準規定室內檢測黏結強度和抗剪強度時采用環境溫度代替防水黏結層的溫度基本合理。但是，當現場檢測橋面層間強度時，由于傳導、對流、輻射等綜合作用，將導致防水黏結層溫度和氣溫相差較大，所以，檢測溫度的條件建議采用防水黏結層處的溫度。

2）因不同黏結料的黏彈特性是不同的，所以《驗收標準》［9］中規定的不同防水黏結材料均在35℃或常溫條件滿足同一標準是不合理的。

3）由于同一種瀝青類材料在不同溫度條件下黏彈特性是不同的，所以《驗收標準》［9］不能規定35℃以上均采用同一強度標準。

4）與室內溫度環境不同，現場檢測溫度條件是不可控的，所以為了使現場不同溫度條件下檢測的黏結、抗剪強度有可比性，需通過SBS改性瀝青同步碎石封層防水黏結層在不同溫度下的強度與常溫條件下的強度關系建立相應的強度修正模型。

3 碎石封層防水黏結層配比設計

對于SBS改性瀝青同步碎石防水黏結層，要想保證良好的防水和黏結性能，不但需要符合設計要求的黏結材料和碎石材料以及正確的施工工藝，更重要的是要有合理的瀝青、碎石（灑）撒布量。

通過成型100 mm厚水泥混凝土板+同步碎石封層防水黏結層+50 mm AC-16如圖2的試件，對其黏結強度和抗剪強度進行檢測，綜合確定最佳瀝青、碎石灑（撒）布量。

圖2 橋面鋪裝層橫剖面Fig.2 Transverse profiles of overlay on concrete bridge pavement

3.1 選擇原材料及成型強度檢測試件

3.1.1 原材料選擇

1）SBS 改性瀝青滿足《規范》［2］要求;

2）7 ～9.5 mm 玄武巖滿足《規范》［2］要求;

3）瀝青混凝土鋪裝層:AC-16;

4）水泥混凝土橋面板:C30。

3.1.2 成型拉拔試驗及剪切試驗試件

1）制備強度為C30、100 mm 厚、300 mm ×300 mm的水泥混凝土試件，標準條件下養生21 d備用，粗糙度為（0.5 ±0.1）mm。

2）制備煤油∶瀝青 =4∶6的透層油，并以0.2 kg/m2灑布于水泥混凝土板表面，室溫養生48 h。

3）灑（撒）布設計量的SBS改性瀝青以及碎石，成型拉拔、剪切試件，并常溫養生24 h。

4）加鋪50 mm厚的 AC-16。

3.2 最佳碎石灑布量確定

根據施工經驗，初步以1.2，1.4，1.6，1.8 kg/m2SBS瀝青以及7，8，9，10 kg/m2碎石成型32塊試件，分別進行拉拔試驗和剪切（直剪）試驗。

3.2.1 拉拔試驗

將試件在（20±2）℃環境中養生4 h后進行拉拔試驗，如圖3檢測黏結強度，計算模型見式（4）:

式中:σ為黏結強度，MPa;F為拉伸力，N;S為黏結面積，mm2。

圖3 拉拔試驗Fig.3 Pull-out test

圖4顯示，同一碎石灑布量，黏結強度起初隨瀝青增多而增加，增加到1.6 kg/m2時開始下降。對每一瀝青灑布量，黏結強度隨碎石增加而先增加后下降，但均在8 kg/m2處出現峰值 。

圖4 不同瀝青、碎石灑布量下防水黏結層黏結強度Fig.4 Bonding strength of waterproof binder course at the different spread quantities of asphalt and aggregate

3.2.2 剪切試驗

將試件在（20±2）℃環境養生4 h后進行剪切試驗，如圖5檢測抗剪強度，計算模型見式（5）:

式中:τ為沿水平剪切強度，MPa;F為沿水平向剪切頭施加荷載，N;S為剪切面積，混凝土柱體底面積，mm2。

圖5 剪切試驗Fig.5 Direct shear test

圖6曲線顯示，當瀝青增加1.6 kg/m2時，抗剪強度達到最大。對不同瀝青灑布量，抗剪強度的峰值均出現在8 kg/m2處。

圖6 不同瀝青、碎石灑布量下黏防水黏結層抗剪強度Fig.6 Shear resistance strength of waterproof binder course at the different spread quantities of asphalt and aggregate

假設平均粒徑為8 mm，每平方米撒滿碎石質量為1 ×0.008 m3×1.6 ×103kg/m3=12.8 kg，那么最佳撒布量為8.0 kg/m2時，碎石覆蓋率為8/12.8=62.5%，這與施工要求的60% ～70%基本吻合，所以確定碎石的最佳撒布量應為8 kg/m2。

3.3 最佳瀝青灑布量確定

以8 kg/m2為最佳碎石灑布量，分別選取0.6，0.9，1.3，1.7，2 kg/m2瀝青灑布量成型試件并進行相關試驗，確定最佳瀝青撒布量。

3.3.1 黏結強度與瀝青灑布量關系

采用與圖3相同的拉拔試驗對黏結強度進行檢測。

由圖7可知，黏結強度曲線峰值對應的瀝青灑布量為 1.449 7 kg/m2。

圖7 不同瀝青灑布量對應的防水黏結層黏結強度Fig.7 Bonding strength of waterproof binder course at the different spread quantities of asphalt

3.3.2 抗剪強度與瀝青灑布量關系

1）直剪試驗:采用與圖5相同的直剪試驗對剪切強度進行檢測。

圖8表明，直剪強度曲線峰值對應瀝青灑布量為 1.252 7 kg/m2。

圖8 不同瀝青灑布量對應的防水黏結層直剪抗剪強度Fig.8 Direct shear resistance strength of Waterproof binder course At the different spread quantities of asphalt

2）扭轉剪切試驗:將試件在（20±2）℃環境中養生后進行如圖9所示扭轉剪切試驗，通過檢測扭轉產生扭距大小衡量其抗扭轉剪切能力大小。

圖10顯示，扭轉剪切強度曲線峰值對應瀝青灑布量為 1.194 4 kg/m2。

3）斜剪試驗:對于有縱坡的水泥混凝土橋梁，汽車在橋面剎車制動、突然加速時，其輪胎都將對路面的接觸處產生較大的剪切作用，產生較大的剪應力，當剪應力超過橋面鋪裝層層間抗剪強度時就將發生剪切破壞。

檢測汽車制動力時要求汽車制動力總和與整車重量的比例在空載時要求大于60%，在滿載時要求大于 50%［16］，所以 α 角必須小于 30°～36.8°，所以試驗中確定為30°，如圖11。

圖11 斜剪試驗Fig.11 Inclined shear test

當對試件施加荷載F時，剪切面積為S，坡度為α時，試件受剪應力如式（6）:

式中:τ為沿斜面剪切強度，MPa;F為荷載沿斜面的分力，即F·sinα，N;α 為斜面夾角，（°）;S 為剪切面積，mm2。

由圖12可知，斜剪強度曲線峰值對應的瀝青灑布量為 1.243 7 kg/m2。

3.3.3 最佳瀝青用量確定

圖13表明，對同一瀝青量，黏結強度與抗剪強度大小是不同的，但所有強度曲線峰值都出現在1.2 kg/m2左右，所以，綜合確定最佳瀝青灑布量為1.2 kg/m2。

圖12 不同瀝青灑布量對應的防水黏結層斜剪強度Fig.12 Inclined shear strength of w aterproof binder course at the different spread quantities of asphalt

因此，同步碎石封層防水黏結層的最佳瀝青、碎石灑（撒）布量分別為 1.2，8.0 kg/m2，覆蓋率為62.5%，并以此最優配比試驗進行強度的溫度敏感性分析。

圖13 不同瀝青灑布量對應的不同強度曲線Fig.13 Different strength curve of waterproof bindercourse at the different spread quantities of asphalt

4 防水黏結層強度溫度敏感性分析

4.1 防水黏結層層間強度實驗檢測

以最優配比成型試件，分別進行 20，25，30，40，50，60℃的強度試驗，試驗結果如表5。

表5 六個不同溫度下橋面防水黏結層的強度Tab.5 Measured strength values of waterproof binder course under the six different temperature of sample surfacing

由表5可知，在常溫25℃情況下剪切、黏結強度分別為 0.47，0.41 MPa，但隨著溫度升高，強度急劇下降，而60℃時強度不到0.1 MPa。因此，同步碎石防水黏結層的溫度敏感性很強，隨著溫度的升高，抗剪切、黏結能力均顯著降低，再次證明《驗收標準》［9］中要求的氣溫高于35℃時均采用同一強度標準是不合理的。

4.2 防水黏結層層間強度的回歸計算

4.2.1 強度值回歸模型

采用表5中間隔10℃的實測數據進行回歸，得到如式（7）～式（9）不同試件表面溫度下的黏結、直剪、扭轉剪切強度回歸計算模型。

1）黏結強度-黏結層溫度回歸模型

式中:x為黏結層溫度，℃;y為黏結強度，MPa。

2）直剪強度-黏結層溫度回歸模型

式中:x為黏結層溫度，℃;y為直剪強度，MPa。

3）扭轉剪切強度-黏結層溫度回歸模型

式中:x為黏結層溫度，℃;y為扭轉剪切強度，N·m。

4.2.2 由強度回歸模型計算5℃間隔的強度值

由式（7）～式（9）模型計算不同溫度下的強度值，結果見表6。

表6 不同溫度下防水黏結層強度的計算值Tab.6 Calculation strength value of Waterproof binder course under the six different temperature of sample surfacing

4.3 回歸計算模型驗證

為了驗證回歸模型的合理性，在室內進行了15，35，45，55 ℃的橋面防水層層間強度試驗，并將試驗檢測結果與回歸模型計算結果在表 7進行對比。

表7 不同溫度下強度實測值與理論值的比較Tab.7 Contrast on measured and theoretical strength value of waterproof binder course under the different temperature of sample surfacing

由表7可知，除55℃扭轉剪切強度差較大，其余強度值偏差均小于5%，因此可知該回歸計算公式是合理的。如果氣溫為35℃時，橋面溫度近55℃，防水黏結層處溫度為45℃，橋面和黏結層處的黏結強度分別下降38%、80%，直剪強度分別降低52%、66%，扭轉剪切強度分別降低71%、69%。

5 建立強度修正系數表及修正模型

5.1 強度修正系數

將試件表面25℃下層間強度作為標準強度，通過強度修正系數，將其它任意現場溫度下的強度值均可修正為標準強度值，修正系數計算如式（10）～式（12），計算結果見表8。

表8 不同溫度的強度修正系數KTab.8 Modified coefficients Kof the strength under the different temperature of sample surfacing

式中:Ki為不同強度修正系數，i=1時為黏結強度系數，i=2時為直剪強度系數，i=3時為扭轉剪切強度系數;分母為25℃下的不同強度標準值，MPa;分子為不同檢測溫度下的強度計算值，MPa。

5.2 強度修正模型

由此可建立強度修正模型，即可通過如式（13）所示模型將任意防水粘結層溫度下的層間強度修正為25℃下的標準強度值，使得設計、施工的檢測有真正的可比性。

式中:P25為換算成常溫25℃條件下的標準強度值，MPa;PT為防水黏結層溫度為T℃時實測的層間強度，MPa;Ki為不同強度的溫度修正值系數，當T℃在2個溫度之間時，系數采用內插法計算值。

6 結論

1）水泥混凝土橋面橋面溫度比氣溫高15～17℃，防水黏結層處溫度比氣溫高8～10℃，不應該采用氣溫作強度檢測溫度條件，而采用防水黏結層處溫度比較合理。

2）同步碎石封層防水黏結層最優配比為SBS改性瀝青最佳灑布量為1.2 kg/m2，7～9.5 mm碎石最佳撒布量為8 kg/m2;其黏結強度、直剪強度、扭轉剪切強度與瀝青灑布量及碎石灑布量均滿足y=-ax2+bx-c關系。

3）建立了由不同溫度計算黏結強度、直剪強度、扭轉剪切強度的回歸計算模型，且R2均大于0.94。

4）提出了不同溫度條件下檢測強度值與25℃時標準強度值的修正系數Ki，并建立了20～60℃范圍內的強度修正系數表。

5）建立了將不同溫度條件下的檢測強度修正為25℃條件下的強度修正模型，使得在不同溫度下檢測的強度值都有可比性。

（References）:

［1］ 交通運輸部綜合規劃司.2010年公路水路交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.（2011-04-28）［2011-05-10］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201104/t20110428_937558.html.

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On Modified Temperature Model for Synchronous Chip Seal Waterproof Binder Course on the Concrete Bridge

LI Zhi-dong1，2，HUANG Xiao-ming1，CHEN Guang-xiu3，CHEN Xiao-xue2
（1.Transportation College，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China;
2.Henan Gaoyuan Maintenance Technology of Highway Co.，Ltd.，Xin xiang 453000，Henan，China;
3.Statistc Bureau of Chaoyang City Liaoning Province，Chaoyang 122000，Liaoning，China）

To make bonding and shear resistance strength of synchronous chip seal waterproof binder course under different temperature comparable，the difference of air temperature，deck and waterproof binder course temperature，the design of waterproof binder course and the sensitivity of the strength to the different temperature was studied.It showed that the strength was maximal when asphalt and chip is 1.2 kg/m2and 8 kg/m2;the strength between courses was sensitive to the temperature and the detected strength under the binder temperature and deck temperature corresponding to the same reduced by 38%to 80%，therefore the strength should be detected under the waterproof binder course temperature.Finally，the correlation coefficient R2of calculation model of the binder，direct，torsion strength established was above 0.94;After regressing theoretical model of binding，direct shear，and torsion shear intensity of waterproof bingder course，modified coefficient Kiwas proposed;the strength under different temperature could be converted to the standard strength below 25℃by the establishing of P25modified model of the temperature.

concrete bridge deck;synchronous chip seal;waterproof binder course;bonding strength;shear resistance strength;modified model;temperature sensitivity

U443.33

A

1674-0696（2011）05-0957-08

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.016

2011-06-01;

2011-07-05

河南省重大科技攻關計劃（國際科技合作）項目（084300510016）

李志棟（1973-），男，遼寧朝陽人，工程師，博士研究生，主要從事交通運輸工程研究。E-mail:gy.lizhidong@163.com。