橡膠環(huán)氧瀝青碎石防水黏結(jié)層抗剪性能研究

錢振東　薛永超　孫健

摘要：為了研究鋼橋面鋪裝用橡膠環(huán)氧瀝青碎石（REAS）防水黏結(jié)層的抗剪性能，并分析其與橋面坡度及環(huán)境溫度頻繁變化的關(guān)系，進(jìn)行不同剪切角度和不同凍融循環(huán)次數(shù)的斜剪試驗(yàn)，通過剪切界面正應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的線性擬合關(guān)系計(jì)算REAS防水黏結(jié)層的黏聚力及內(nèi)摩擦角，并基于能量法理論對其剪切耗散能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：添加橡膠粉的環(huán)氧瀝青黏結(jié)料（EA）體系內(nèi)形成了新的化學(xué)交聯(lián)和物理纏結(jié)，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性；不同的剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層，表現(xiàn)出更好的抗剪性能。同時，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度隨著剪切角度的增加呈冪函數(shù)減小趨勢，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈拋物線型衰減，5次凍融循環(huán)后，REAS防水黏結(jié)層的剪切耗散能相對于未凍融循環(huán)的剪切耗散能減小了46.0%，說明凍融循環(huán)對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著。

關(guān)鍵詞：橡膠環(huán)氧瀝青碎石；防水黏結(jié)層；抗剪強(qiáng)度；黏聚力；凍融循環(huán)；剪切耗散能

中圖分類號：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

防水黏結(jié)層具有防水、黏結(jié)和應(yīng)力吸收的作用，在鋼橋面鋪裝體系中至關(guān)重要，其好壞直接影響到橋面鋪裝的使用周期以及橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此各國均十分重視防水黏結(jié)層的設(shè)置。橡膠瀝青碎石封層作為一種常用的防水黏結(jié)層，被廣泛應(yīng)用于橋面防水鋪裝等工程中，表現(xiàn)出良好的應(yīng)力過渡和防水黏結(jié)性能。但是由于鋼橋面所處環(huán)境的嚴(yán)峻性，較大的橋面坡度設(shè)置以及環(huán)境溫度的頻繁變化，目前工程實(shí)踐中不斷出現(xiàn)由于防水黏結(jié)層剪切破壞而產(chǎn)生的鋼橋面鋪裝層脫離、推移等病害。

橡膠環(huán)氧瀝青碎石（REAS）防水黏結(jié)層是一種由環(huán)氧瀝青黏結(jié)料（EA）、橡膠粉及碎石構(gòu)成的鋼橋面用防水黏結(jié)層。其中，EA是一種熱固性材料，具有優(yōu)異的黏結(jié)性、熱穩(wěn)定性、密水性及耐腐蝕性，但是，當(dāng)溫度降到極低時，其固化內(nèi)應(yīng)力會急劇增大，直接導(dǎo)致其脆性變大、延展性變低、抗剪切性能下降；橡膠粉是一種優(yōu)良的瀝青改性劑，能顯著改善瀝青的黏彈性、溫度敏感性、彈性恢復(fù)性能以及抗剪性能。目前對這種由熱固性瀝青構(gòu)成的防水黏結(jié)層的研究較少，尤其是其抗剪性能與橋面坡度及環(huán)境溫度頻繁變化的關(guān)系。

本文通過斜剪試驗(yàn)對比研究REAS防水黏結(jié)層與EA防水黏結(jié)層的抗剪性能，并分析REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能與剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，為REAS防水黏結(jié)層在實(shí)際工程中的應(yīng)用及養(yǎng)護(hù)提供參考。

1原材料及試驗(yàn)試件制作

1.1原材料

試驗(yàn)研究采用的EA為鋼橋面用國產(chǎn)環(huán)氧瀝青黏結(jié)料，橡膠粉采用天津產(chǎn)大貨車子午胎橡膠粉，所用玄武巖碎石的粒徑為2.36～4.75 mm。各項(xiàng)原材料主要性能的技術(shù)要求及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

將不同粒度及摻量的橡膠粉與EA混合，制成橡膠環(huán)氧瀝青黏結(jié)料（REA），對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合鋼橋面用防水黏結(jié)層的技術(shù)要求，確定橡膠粉的最佳粒度為0.180 mm（80目），最佳摻量為4%。以最佳粒度和摻量制作REA，表2為EA與REA的性能比較。

由表2可知，REA的化學(xué)交聯(lián)度遠(yuǎn)大于EA，這主要是由于橡膠粉的摻入，對EA進(jìn)行瀝青改性時，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了新的化學(xué)交聯(lián)；同時，添加的橡膠粉形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與EA形成了一定程度的物理纏結(jié)，對EA的增韌效果做出了貢獻(xiàn)。

REA的拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度相對于EA分別提升了11.6%，30.4%及6.6%，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性；黏度從0到1 Pa·s的時間略微減小，在實(shí)際工程中應(yīng)相應(yīng)地減小REA的施工容留時間。

對不同撒布量的REA以及碎石構(gòu)成的橡膠環(huán)氧瀝青碎石防水黏結(jié)層進(jìn)行與鋼板之間的拉拔試驗(yàn)，根據(jù)拉拔強(qiáng)度值確定REA及碎石的最佳撒布量分別是0.7 L/m²與3.0 kg/m²。

1.2斜剪試驗(yàn)試件制作

首先將使用環(huán)氧富鋅漆進(jìn)行防腐涂裝處理后的鋼橋面板加工成尺寸為50 mm×50 mm×14 mm的試塊若干個，將環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件加工成尺寸為50 mm×50 mm×26 mm的試塊若干個；接著在鋼橋面板試塊上撒布配制好的REA，然后在REA上均勻地撒布碎石并壓實(shí)；最后將車轍板試塊壓在由REA和碎石構(gòu)成的REAS防水黏結(jié)層上，并在120℃的烘箱內(nèi)固化6 h，制得REAS斜剪試件，如圖1所示。其中，環(huán)氧瀝青混合料車轍板所用的混合料由鋼橋面用2910型國產(chǎn)環(huán)氧瀝青結(jié)合料與密級配玄武巖集料以6.5%的油石比拌合而成，該混合料強(qiáng)度較高，可以保證在后面的斜剪試驗(yàn)中不會出現(xiàn)車轍板試塊被破壞的情況；REAS防水黏結(jié)層的REA撒布量和碎石撒布量分別是0.7 L/m²與3.0 kg/m²。同時，制作由鋼橋面板試塊、EA及環(huán)氧瀝青混合料車轍板試塊構(gòu)成的EA斜剪試件，與REAS斜剪試件進(jìn)行對比研究。

2變剪切角斜剪試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1斜剪試驗(yàn)原理

斜剪試驗(yàn)可以模擬不同正壓力條件下的剪切工況，與橋面實(shí)際受力狀況較為接近，因此本文選擇通過斜剪試驗(yàn)進(jìn)行REAS防水黏結(jié)層界面抗剪性能測試，斜剪試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)原理如圖2所示。

試件發(fā)生剪切破壞時的荷載為P，REAS防水黏結(jié)層的剪切界面正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度分別按式（1）和式（2）計(jì)算。

（1）

（2）式中：σ為剪切界面正應(yīng)力；τ為抗剪強(qiáng)度；P為剪切破壞荷載；A為受剪面積；a為剪切角度，即剪切面與水平面的夾角。

2.2變剪切角試驗(yàn)及分析

防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度與剪切角度密切相關(guān)，因此，文本選擇多個剪切角度進(jìn)行斜剪試驗(yàn)。文獻(xiàn)中的計(jì)算結(jié)果表明橋面鋪裝材料參數(shù)變化時，剪切角度一般在25°～30°之間，考慮橋面會存在一定坡度，剪切角度可能在25°～65°之間變化。因此，本文選取15°，30°，45°，60°及75°作為斜剪試驗(yàn)的剪切角度。為盡量模擬汽車快速行駛時的橋面受力狀況，本文斜剪試驗(yàn)速率設(shè)為50 mm/min，試驗(yàn)溫度設(shè)為23℃，REAS斜剪試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

通過圖3可以看出，隨著剪切角度的增大，力位移曲線越平緩，峰值荷載越小，表明越容易發(fā)生破壞；而且當(dāng)剪切角度越小時，剪切角度的變化對峰值荷載影響越大。按照式（1）和式（2）計(jì)算不同剪切角度下的抗剪強(qiáng)度和正應(yīng)力，REAS斜剪試件及EA斜剪試件的計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可以看出，相對于EA防水黏結(jié)層，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度及剪切位移均有所提高，且提高的幅度隨著剪切角度的增大而增大，表明REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能優(yōu)于EA防水黏結(jié)層，尤其在剪切角度較大時。根據(jù)表3中不同剪切角度時，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度與剪切角度及剪切界面正應(yīng)力的關(guān)系，作圖4所示的關(guān)系曲線圖。

由圖4（a）可以看出，隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度呈冪函數(shù)減小的趨勢，剪切角度由15°增至30°過程中，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度減小了65.1%，剪切角度繼續(xù)增大，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。因此，在坡度較大橋段更容易發(fā)生橋面鋪裝的剪切破壞。

剪切角度不同時，由圖4（b）得到REAS防水黏結(jié)層剪切界正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的線性擬合方程r=0.239 4+0.225a，引入土力學(xué)經(jīng)典剪應(yīng)力方程如式（3）所示：

（3）式中：σ為剪切界面正應(yīng)力；c為黏聚力；τ為抗剪強(qiáng)度；φ為內(nèi)摩擦角。

REAS防水黏結(jié)層中，REA提供黏聚力，粗糙的碎石界面提供內(nèi)摩擦角，通過式（3）以及剪切界面正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的線性擬合方程可以計(jì)算出REAS防水黏結(jié)層的黏聚力為0.24 MPa，內(nèi)摩擦角為12.7°。

3凍融循環(huán)斜剪試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1凍融循環(huán)斜剪試驗(yàn)

鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)完全處于自然環(huán)境中，經(jīng)受高溫浸水和冰凍作用，對防水黏結(jié)層的性能要求更高。為評價凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層及EA防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度的影響，本文設(shè)計(jì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的斜剪試驗(yàn)，凍融循環(huán)周期為“一15℃低溫8 h+60℃水浴16 h”，剪切角度為15°，剪切速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度為23℃，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層。5次凍融循環(huán)作用后，相對于EA防水黏結(jié)層，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度及剪切位移分別提高了97.8%及90.9%。

為了更加直觀地評價凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度的影響程度，本文引入凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度比，即試件經(jīng)n次凍融循環(huán)后抗剪強(qiáng)度與為未經(jīng)凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度的百分比，如圖5所示。

由圖5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度呈拋物線型衰減，經(jīng)過3次凍融循環(huán)作用后，抗剪強(qiáng)度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩(wěn)定；5次凍融循環(huán)作用后，抗剪強(qiáng)度比降至63.1%，性能下降顯著。同時，剪切界面出現(xiàn)明顯的水損壞，粒徑偏大的碎石基本脫落，瀝青層多處發(fā)生剝落，表明多次凍融循環(huán)將加速黏結(jié)界面的破壞，凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著。

3.2能量法理論分析

為深入了解REAS防水黏結(jié)層的剪切破壞過程，剖析剪切破壞機(jī)理，引入剪切耗散能指標(biāo)，具體表示斜剪設(shè)備由加載至試件發(fā)生剪切破壞需要損耗的能量，按式（4）計(jì)算。

（4）式中：W_τ為剪切耗散能；F為加載力；l為豎向位移；l_τ為剪切破壞時的位移。對不同凍融循環(huán)次數(shù)的REAS斜剪試件的力位移曲線進(jìn)行積分，得到剪切耗散能，如圖6所示。

從圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的剪切耗散能呈減小趨勢，且減小的速度越來越快，與凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度比的變化規(guī)律基本一致。5次凍融循環(huán)后剪切耗散能較未凍融減小了46.0%，可見凍融循環(huán)將顯著影響REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能。

4結(jié)論

1）摻入橡膠粉后的環(huán)氧瀝青黏結(jié)料體系內(nèi)形成了新的化學(xué)交聯(lián)和物理纏結(jié)，拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率及與鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度分別提升了11.6%，30.4%及6.6%，表現(xiàn)出更好的黏結(jié)性能、抗變形能力和低溫柔韌性。

2）不同的剪切角度及凍融循環(huán)次數(shù)下，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度及剪切位移均大于EA防水黏結(jié)層，表現(xiàn)出更好的抗剪性能。

3）隨著剪切角度的增大，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度呈冪函數(shù)減小的趨勢；不同剪切角度時，REAS防水黏結(jié)層的剪切界面正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度呈線性變化，通過其擬合方程得到REAS防水黏結(jié)層的黏聚力為0.24 MPa，內(nèi)摩擦角為12.7°。

4）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，REAS防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度呈拋物線型衰減；經(jīng)過3次凍融循環(huán)作用后，REAS防水黏結(jié)層的凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度比仍在90%以上，抗剪性能比較穩(wěn)定，5次凍融循環(huán)作用后，凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度比降至63.1%，抗剪強(qiáng)度下降顯著；剪切耗散能隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律與抗剪強(qiáng)度基本一致，表明多次凍融循環(huán)將加速鋪裝界面的破壞，凍融循環(huán)作用對REAS防水黏結(jié)層的抗剪性能影響顯著。