橋面鋪面防水粘結層膠結材料灑布量的確定方法

紀 倫，李云良，2，任俊達，譚憶秋，張樹和

橋面鋪面防水粘結層膠結材料灑布量的確定方法

紀 倫1，李云良1，2，任俊達3，譚憶秋1，張樹和4

（1.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱；2.哈爾濱工業大學土木工程博士后流動站，150090哈爾濱；3.遼寧省交通科學研究院，110015沈陽；4.黑龍江省交通實業總公司，150001哈爾濱）

為確定橋面鋪面防水粘結層膠結材料灑布量，采用橡膠瀝青和兩種典型的瀝青混合料，通過設計直向剪切試驗和斜向剪切試驗研究橋面防水粘結層的力學性能，分析不同因素對于防水粘結層剪切性能的影響.試驗結果表明，加載速率的提高，粘結層最大剪切應力有呈線性增大的趨勢；采用不同溫度的對比試驗，同樣發現隨溫度的升高，其抗剪切能力顯著衰減.可以通過剪切試驗的剪應力和變形能兩個指標評價其剪切性能.

橋面鋪面；防水粘結層；斜剪試驗；直剪試驗；灑布量

橋面防水粘結層的作用在于加強鋪面層與橋面板之間連結，增強橋面板與鋪面的整體性，提高二者協同變形能力和聯合承載能力，從而改善鋪面層的應力狀態，延長公路橋梁鋪面層的使用壽命.國內外對于橋面鋪面防水粘結材料開展了大量研究工作［1-2］.楊三強等對多種膠結材料的粘結性能進行了研究和評價［3-6］.而防水粘結層膠結材料最佳灑布量的確定方法尚不明確.本文采用橡膠瀝青作為膠結材料，通過AC-10和AC-16兩種不同級配和表面構造特征的瀝青混合料與水泥混凝土板之間的剪切試驗測試，研究剪切加載速率、試驗溫度條件對橡膠瀝青防水粘結層的剪切性能的影響規律，提出了基于荷載——溫度特征的防水粘結層膠結材料最佳灑布量的確定方法.為橋面鋪面防水粘結層膠結料灑布量的確定提供一定的試驗依據.

1 試驗設計

瀝青混合料的剪切性能，以及面層層間粘結層的抗剪切能力是評價材料、結構力學性能的重要指標.粘結層必須具有足夠高的抗剪強度，才能夠保證在層間剪切應力的作用下不產生破壞［7-11］，從而保證其有效的粘結性能，保持鋪面層與橋面板之間有效的協調變形能力.為測定粘結層荷載作用模式下粘結材料的粘結強度，設計了直向剪切及斜向剪切試驗裝置，研究粘結層的抗剪切性能，并對兩種試驗方法的試驗結果進行對比分析，進而提出防水粘結層膠結材料最佳灑布量的確定方法.

1.1 試驗原理

斜向剪切試驗原理如圖1所示.測試裝置主要由加載板、承載板及滾軸組成.在豎向載荷作用下，上下兩塊加載板在水平方向產生相對滑動，由滾軸提供滑動的邊界條件，加載板的相對滑動會在粘結層處產生剪切應力，剪切應力為

式中:P為剪應力，MPa；F為壓力，N；A為粘結面積，mm2；α為剪切角度.

圖1 斜向剪切試驗原理

式中:P為剪應力，MPa；F′為拉力，N；A為粘結面積，mm2.

1.2 試件制作與方法

試件為50 mm厚的水泥混凝土（C40）+10 mm厚的防水粘結層+50 mm厚的瀝青混凝土.面層瀝青混凝土分別采用AC-10及AC-16.試件按照如下過程制作:按照相應規范或規程方法制作50 mm厚的水泥混凝土板；灑布橡膠瀝青及碎石；

直向剪切試驗的試驗原理如圖2所示.直向剪切試驗的剪應力為然后，加鋪50 mm厚的瀝青層；最終，切割成90 mm×90 mm的試件，如圖3、4所示，風干待用.實際加載試驗裝置如圖3、4所示.加載采用MTS輔助實現.

圖2 直向剪切試驗原理

圖3 斜向剪切試驗裝

圖4 直向剪切試驗裝置

本研究考慮常溫和高溫的使用環境，試驗條件分別為20、50℃.成型后的試件要求在規定溫度下控溫不少于4 h，方可進行剪切加載測試.

2 斜向剪切試驗分析

2.1 斜向剪切試驗中剪切速率對剪切應力的影響

在力學試驗中，加載速率對試驗結果有較大的影響.試驗選取加載速率分別為1、5、9 mm／min進行剪切試驗.試驗溫度20℃.采用的試件和瀝青灑布量情況見表1，試驗結果如圖5所示.

從試驗結果可以看出，在線彈性變形階段，曲線基本是重合的，只是隨著剪切速率的增加，其最大剪切應力增大.在剪切應力達到最大值后，剪切應力隨著剪切位移的增加，其應力在一定剪切距離內保持相對穩定水平.這是由于在試件發生剪切滑動的情況下，由于正應力的作用，使得滑移過程中防水層中產生了滑動摩擦阻力，在正應力一定的情況下，該滑動摩擦阻力也保持不變.

圖5 不同剪切速率情況下剪切位移剪切應力曲線

試驗得到的不同剪切速率時的最大剪切應力如表1所示，剪切應力與剪切速率的關系如圖6所示.

表1 不同剪切速率情況下的最大剪切應力

圖6 剪切速率-剪切應力關系曲線

從圖6可以看出，在所選定的剪切速率范圍內，剪切應力隨著剪切速率的增加呈線性增加，剪切速率對剪切強度有很大的影響.

可見，為評價剪應力可采用1 mm／min的加載速率進行試驗.

2.2 20℃的斜向剪切試驗

橡膠瀝青的灑布量分別為2.0、2.2、2.4、2.6 kg／m2.試驗溫度為20℃，加載速率1 mm／min.剪切變形與剪切應力的關系曲線如圖7、8所示.

可以看出，在加載初始階段，應力與變形成線性關系，隨著剪切距離的增加，應力達到最大值，達到最大剪切應力時的變形在1.5～4.0 mm之間.可見橡膠瀝青在常溫下具有較大的變形能力，符合粘結層變形協調能力的需求.

對于兩類不同的面層瀝青混合料AC-10及 AC-16來說，剪切應力先是隨著瀝青灑布量的增加而增大，達到峰值后，隨著灑布量的增加而減小.主要原因在于，當瀝青的用量較小時，粘結層的碎石不能完全被瀝青所裹附，碎石間的粘結力較小，所以其粘結力隨著瀝青用量的增加而增大，當瀝青用量超過一定值時，瀝青膜的厚度增加，多余的瀝青形成自由滑動層，故剪切應力隨著瀝青用量的增加而減小.

圖7 AC-10級配的不同灑布量的變形應力曲線

圖8 面層為AC16不同灑布量的變形應力曲線

橡膠瀝青不同的灑布量情況下的最大剪切應力如表2所示.最大剪切應力與灑布量的關系如圖9所示.

表2 不同瀝青灑布量情況下的最大剪切應力

圖9 最大剪切應力與灑布量的關系

在極值點，剪切距離再增大時，剪切應力不再增大，認為結構發生剪切破壞.20℃時AC-10、AC-16剪切應力極值點均出現在灑布量2.3 kg／m2處.

根據剪切應力與剪切距離，確定力與位移關系，進而可以計算出不同灑布量情況下結構吸收能量的能力，定義為變形能，其數值的大小可以反映粘結層變形協調能力.計算結果列于表3，結果繪于圖10.

表3 斜向剪切試驗不同灑布量變形能

圖10 變形能與灑布量的關系

可見，考慮變形能的AC-10面層的最佳灑布量為2.32 kg／m2，AC-16面層的最佳灑布量為2.30 kg／m2.

綜合考慮最大剪應力和變形能，最佳瀝青灑布量確定為2.30 kg／m2.

2.3 50℃的斜向剪切試驗

橡膠瀝青作為一種粘彈性材料，其力學性能受到溫度的影響大.通過50℃與20℃試驗的對比分析，研究溫度對粘結層層間抗剪性能的影響.

選擇剪切試驗的溫度為50℃，采用斜向剪切試驗評價高溫情況下試件的剪切特性.鑒于上文的剪切速率的分析，考慮高溫下的材料性質，剪切速率取為5 mm／min.試驗結果如圖11、12所示.

分析可見，在加載初始階段，剪切應力與剪切距離基本呈線性關系；而達到最大剪切應力后，隨著剪切距離的增加，剪切應力出現了振蕩變化，之后，剪切應力趨勢迅速衰減.與20℃時的試驗結果相比，二者完全不同.這主要是由于在50℃的試驗條件下，橡膠瀝青的粘度降低，流動性增強，在剪切變形過程中，瀝青對石料的滑動阻力降低，甚至起到了潤滑的作用，材料厚度（灑布量）對剪切應力的影響降低.同時，斜向剪切試驗正應力作用下產生的摩擦阻力由于粘度較小，在瀝青的潤滑作用下，導致摩擦阻力總體上減小，所以表現為剪切應力隨著變形的增加總體上呈現下降的趨勢.

圖11 50℃面層AC10灑布量的變形應力曲線

圖12 50℃面層AC-16灑布量變形應力曲線

此外，從兩種情況下的最大剪切應力來看，50℃情況較20℃時下降了85%，說明溫度的升高對抗剪切性能產生較大的影響.同時通過圖11、12也可以看出，在高溫情況下，由于瀝青具有較大的流動性，這種情況下，瀝青的灑布量對于最大剪切應力的影響已不是很明顯，不同灑布量下的最大剪切應力數值接近.

同時也說明，在高溫情況下，剪切強度受灑布量的影響很小，更根本的影響因素在于瀝青材料與粘結面的交互作用能力.

可見，灑布量的確定不適于采用50℃條件下的斜向剪切試驗方法.

3 直向剪切試驗分析

3.1 灑布量對最大剪切應力的影響

橡膠瀝青的灑布量分別為2.0、2.2、2.4、2.6 kg／m2，試驗溫度20℃，加載速率5 mm／min.面層分別為AC-10及AC-16時剪切變形與剪切應力的關系曲線分別如圖13、14所示.

從圖上可以看出，在加載初始階段，應力與變形呈線性關系增長，隨著變形的進一步增加，應力達到最大值，達到最大剪切應力時的變形在2～5 mm之間，同斜向剪切試驗一樣，說明橡膠瀝青在常溫時既具有較大的變形能力.

圖13 面層AC-10不同灑布量的變形應力曲線

圖14 面層AC-16不同灑布量的變形應力曲線

直向剪切情況下橡膠瀝青不同灑布量對應的最大剪切應力如表4所示，關系如圖15所示.

表4 不同瀝青灑布量情況下的最大剪切應力

圖15 最大剪切應力與灑布量的關系

從圖上可以看出，對于兩類不同的面層瀝青混合料AC-10及AC-16來說，最大剪切應力隨著瀝青灑布量的變化規律與斜向剪切試驗的相同.

可見，面層AC-10、AC-16最佳橡膠瀝青灑布量為2.35 kg／m2、2.25 kg／m2.這一結果與斜向剪切試驗（20℃，采用1 mm／min的剪切速率）的基本一致.

3.2 灑布量與抗剪變形能的關系

基于瀝青基材料的自修復能力［12］，即損傷后卸載，可以恢復部分或全部功能.考慮計算達到相同的剪切距離（5 mm）條件下的抗剪變形能，計算結果見表5，分析如圖16.

表5 剪切距離5 mm的變形能計算結果

圖16 灑布量與變形能關系

可見，灑布量與變形能存在顯著相關性.在試驗區間內，出現峰值點.與斜向剪切試驗結果相似，面層AC-10的剪切變形能顯著大于AC-16的情形.這一點，可能與AC-10細集料多，易于與碎石形成很好的嵌擠有關.由圖可以推斷:面層AC-10、AC-16的最佳灑布量分別為2.35 kg／m2、2.4 kg／m2.

4 最佳灑布量的確定

由上述分析可知，20℃時，通過斜向、直向剪切試驗，分析灑布量與最大剪應力、抗剪變形能關系，進而確定對應連接面層的防水粘結層材料最佳灑布量.試驗及分析結果如下:

表6 最大剪應力、最大抗剪變形能灑布量匯總

面層為AC16的情況為例，最佳灑布量=（2.30+2.25+2.30+2.40）÷4=2.30 kg／m2.

5 結 論

1）灑布量對抗剪能力影響較大，隨著橡膠瀝青用量的增加，防水粘結層的抗剪強度先增加后減小，可通過剪切試驗確定最佳瀝青灑布量.

2）剪切速率對剪切試驗結果影響較大，在選定的剪切速率范圍內，剪切應力隨著剪切速率的增加呈線性增加的關系，20℃時可以采用1 mm／min的剪切速率.

3）隨著溫度的增加，防水粘結層的抗剪強度明顯降低.在50℃時，灑布量對最大剪應力的影響已不是很明顯，不同灑布量下的最大剪應力比較接近.

4）20℃橡膠瀝青的灑布量對抗剪切能力影響較大，隨著橡膠瀝青用量的增加，防水粘結層的抗剪強度先增加后減小，可以通過剪切試驗的最大剪應力、變形能確定最佳瀝青灑布量.

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（編輯 魏希柱）

Method of determining the spraying amount of waterproof binder for bridge deck pavement

JI Lun1，LI Yunliang1，3，REN Junda2，TAN Yiqiu1，ZHANG Shuhe4
（1.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Post-doctoral Research Center in Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；3.The Communication Research Institute of Liaoning Province，110015 Shenyang，China；4.Heilongjiang Province Transportation Industrial Company，150001 Harbin，China）

In order to determine the spraying amount of waterproof binder for bridge deck pavement，rubber modified binder and two typical kinds asphalt mixtures were used to analyze different factors that affect the shearing properties of waterproof bond layer by skew shear test and direct shear test，the mechanical properties of waterproof bond layer was also studied in the paper.The results show that the maximum shearing stress increases linearly as the loading speed increased，the temperature also has significant effect on the shear performance of waterproof bond layer，with the increase of temperature，the shear resistance performance became worse dramatically.The shear stress and deformation obtained from shear test can be used as the indicators to evaluate the shear resistance performance.Based on the research of above，the method of determining binder spraying amount can be proposed.

deck pavement；waterproof bond layer；skew shearing test；direct shear test；spraying amount

U414.1

A

0367-6234（2014）04-0057-06

2013-03-26.

國家自然科學基金資助項目（51078114）；博士點新教師基金資助項目（20102302120058）.

紀 倫（1973—），副教授，博士研究生；譚憶秋（1968—），教授、博士生導師.

李云良，liyl-hit＠163.com.