基于MTS的橋面鋪裝防水粘結層抗剪性能研究*

于曉賀 汪幫平 陳龍龍 游明化 羅 蓉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢西四環線高速公路建設管理有限公司2) 武漢 430056)

基于MTS的橋面鋪裝防水粘結層抗剪性能研究*

于曉賀1)汪幫平2)陳龍龍1)游明化2)羅 蓉1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (武漢西四環線高速公路建設管理有限公司2)武漢 430056)

針對橋面鋪裝防水粘結層容易出現推移、開裂、脫離等病害的情況，選擇武漢四環線工程項目為依托，設計了基于MTS(material testing system)試驗系統的直剪試驗夾具，制備ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂復合試件，對其抗剪切性能進行評價.結果表明，溫度對于橋面防水粘結層材料的抗剪強度影響很大，材料的抗剪性能會隨著溫度升高而急劇降低；AC-5瀝青砂較ES-2稀漿封層抗剪強度較大，粘結效果更好；在實際工程中，水泥混凝土橋面板的失養層必須清潔干凈，露出質地堅硬且潔凈的界面，以避免失養層處發生剪切破壞.

防水粘結層；MTS；直剪試驗；抗剪強度

0 引 言

橋面瀝青混合料鋪裝層其物理與力學性能同橋梁結構相比有著明顯的差異，即所謂的“一柔一剛”.該特性使得二者在溫度變化及荷載作用下應力與位移產生不連續性，尤其是水平剪力主要由鋪裝層承擔[1-4].瀝青混合料鋪裝層和水泥橋面板兩者的彈性模量相差數十倍，兩種材料協調變形能力差，層間會產生較大剪應力，極容易出現層間脫離現象.而層間粘結減弱，瀝青混合料自身內部就會承受較大剪應力，易誘發推移、擁包、撕裂等病害[5].李明國[6]對廣東省87座混凝土橋梁的瀝青鋪裝層進行了調查，發現車轍、推移、擁包病害占78.1%；郭謂彬[7]對佛山大橋14 952 m2瀝青鋪裝層病害進行調查，認為車轍、擁包、推移是瀝青鋪裝層的典型病害，因此，層間抗剪強度至關重要.

國內在工程實踐中對于防水粘結層的問題提出較晚，在施工過程中沒有引起特別的重視，同時針對橋面鋪裝防水粘結層抗剪性能的研究也較少，有待進一步深入.文中以武漢四環線工程項目為依托，基于先進的MTS試驗系統，設計了直剪試驗夾具，采用ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂兩種材料，對其防水粘結層結構的抗剪切性能進行檢測，以供工程實踐參考.

1 防水粘結層設計

1.1 ES-2稀漿封層配合比設計

ES-2稀漿封層采用BCR改性乳化瀝青，集料采用石灰巖，圖1為集料級配曲線圖，圖2為濕輪磨耗試驗和負荷輪粘砂試驗.最終確定了ES-2稀漿封層配合比的最終結果見表1.

圖1 ES-2級配曲線圖

圖2 確定最佳瀝青用量的曲線圖

材料礦料BCR改性乳化瀝青水質量分數/%100115

1.2 AC-5瀝青砂配合比設計

AC-5瀝青砂采用SBS(I-D)型改性瀝青，集料為石灰巖機制砂，最佳油石比為6.5%，配合比曲線見圖3.

圖3 AC-5級配曲線圖

2 試件制作

通過剪切試驗來評價擬采用的防水粘結層的抗剪強度，采用無正壓力直接剪切試驗，能較好評價防水粘結層的抗剪強度.圖4a)為直剪試驗原理示意圖，圖4b)為依托現有的材料試驗系統(MTS)設計的夾具.

圖4 直剪試驗原理及夾具實物圖

抗剪強度計算公式為

(1)

式中：τ為剪應力，MPa；F為剪切力，N；S為剪切面積，m2.

在對比馬歇爾模具成型試件、車轍模具成型試件之后，最終決定自制PVC模具采用旋轉壓實儀成型試件.

2.1 水泥混凝土試件制作

將直徑11 cm的PVC管鋸成高度為5 cm作為試模，在其內壁涂抹潤滑油放在木板上.拌和水泥混凝土，澆筑在試模內，插搗抹平，自然養生，待第二天終凝后脫模，其中水泥混凝土的配合比見表2.水泥混凝土表面的浮漿會影響與瀝青混合料的粘結，在脫模后用鋼刷清理表面，自然養生7 d后備用.圖5為水泥混凝土試件的制作過程，其中圖5a)～d)顯示了水泥混凝土試件的制作過程，圖5e)～f)顯示了室外試驗段水泥混凝土試件制作的過程.

表2 水泥混凝土配合比

圖5 水泥混凝土試件制作過程圖

2.2 防水粘結層

文中主要對比ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂兩種防水粘結層類型.圖6為試驗過程圖，圖6a)表示先將水泥混凝土試件清理干凈并晾干，然后涂抹PCR改性乳化瀝青底涂層.經108拉拔儀測試，底涂層用量為0.3～0.4 L/m2時，拉拔強度符合≥1.0 MPa的要求，經換算為每個試件表面涂抹5.3～7.1 g.待破乳后，按照每種防水粘結層的要求鋪防水粘結層.

圖6 防水粘結層制作流程圖

對于ES-2稀漿封層，用油毛氈將試件四周圍起，上面留6 mm(稀漿封層的厚度).按照配合比計算稱量礦料和水預拌均勻、然后加入一定量的BCR改性乳化瀝青迅速拌和60 s，倒入預制槽并抹平，清理周圍散落的碎屑.放在60 ℃烘箱中養護12 h后冷卻至室溫，拆除油毛氈.具體過程見圖6b)～d).

對于AC-5瀝青砂，按照配合比計算稱量集料，放入180 ℃烘箱加熱3 h以上，倒入已經預熱至170 ℃的自動攪拌鍋，添加一定量175 ℃的SBS改性瀝青，拌和90 s后加入一定量的礦粉，繼續攪拌90 s，確保攪拌均勻無花白料.稱量一定質量的瀝青砂(質量依據壓實后的高度反復嘗試確定，瀝青砂設計厚度1.0 cm)分裝在搪瓷碗中，放在150 ℃烘箱中保溫1 h左右備用.將底涂層破乳后的水泥混凝土試件放置在旋轉壓實儀模具底部中央，倒入瀝青砂并把表面用刮刀抹平，然后使用旋轉壓實儀成型，壓實20次.

按照已經確定的下面層類型、配合比及最佳瀝青含量拌和瀝青混合料，放入溫度為150 ℃的烘箱內養護1 h左右.在水泥混凝土試件表面按照防水粘結層的類型進行處理，然后放入旋轉壓實儀試模底部中央，裝入瀝青混合料，確保溫度不低于135 ℃.采用按壓實次數控制方式進行壓實，壓實次數為120次.溫度降至60 ℃以下即可脫模.在室溫下放置24 h，用10 cm直徑的鉆頭取心，晾干后放置在真空干燥箱或恒溫恒濕箱中養護，復合試件見圖7[8].

圖7 復合試件

3 直剪試驗

啟動MTS試驗系統，將環境箱溫度設置為試驗溫度值，待溫度達到要求后將在恒溫、恒濕箱中保溫的試件轉移至MTS環境箱，把夾具通過螺栓固定在壓桿上下兩端，然后調整夾具之間的距離，通過六角螺母將試件固定好.關閉環境箱等待30 min，試件溫度恢復至設定溫度后再進行加載.試驗加載方式采用位移控制，位移速率為1 mm/min，觀察控制面板監視器，待荷載出現峰值即可停止試驗，取下破壞的試件.數據采集由計算機自動控制完成，設定每秒采集20個點的位移值和對應的荷載值.產生的數據文件可通過EXCEL打開進行數據分析.

依據試驗數據繪制剪切力隨位移變化的曲線圖，典型代表見圖8.在-5 ℃溫度下試驗，不論何種防水粘結層，剪切力達到10 kN時都未出現峰值，為保護儀器免受損壞，即刻停止試驗，最大剪切力均記為10 kN.通過觀察全部試驗的曲線圖總結得出：剪切力隨著位移增大會出現峰值(-5 ℃條件下除外)，此峰值為試件發生剪切破壞時的剪切力，利用式(1)可計算出抗剪強度值；剪切力峰值對應的位移均在0.5～2 mm之間，且溫度越高，剪切力峰值對應的位移越小，即溫度越高，剪切破壞發生的越快[9].

圖8 25 ℃及-5 ℃剪切力隨位移的變化曲線圖

試驗方案結構類型包括ES-2稀漿封層、AC-5瀝青砂、無防水粘結層(對照組)等；試驗溫度包括-5，15，25，35，45 ℃等.每組設置3個平行試驗，抗剪強度值取平行試驗的平均值.圖9為不同防水粘結層在不同溫度下的抗剪強度.

圖9 不同防水粘結層在不同溫度下的抗剪強度

4 試驗結果分析

1) 溫度對抗剪強度的影響 防水粘結層材料都屬于瀝青基材料，對溫度很敏感.防水粘結層實際服役溫度范圍很寬，有必要研究不同溫度下的抗剪強度.由圖9可知，三種結構的抗剪強度值都隨溫度的升高而減小；高溫下，抗剪強度都非常小，與實際要求有所出入，這與直剪試驗的原理相關.直剪試驗沒有施加正壓力，層間作用力是純剪切力，而實際荷載作用下，層間會有摩阻力，層間的抗剪強度值會增大.因此，直剪試驗僅適用于評價防水粘結層材料本身的優劣等級，不能直接作為層間抗剪強度容許值指標的設計.

2) 不同防水粘結層抗剪性能的對比 AC-5的抗剪強度要優于其他兩種，而ES-2與對照組相差不多.從材料本身的抗剪性能來看，AC-5要優于ES-2，主要原因在于結合料的差異，SBS改性瀝青的粘結效果要好于BCR改性乳化瀝青.ES-2與無防水粘結層相比，抗剪強度雖相差不大，但稀漿封層具有一定防水能力，且鋪筑下面層時稀漿封層材料可以嵌擠填充進入下面層底面的空隙中，形成更加致密的界面，變“點接觸”為“面接觸”，增加層間摩阻力.

3) 剪切破壞面特征分析 防水粘結層剪切破壞形式可分為四種(見圖10)：①水泥混凝土表面失養層處發生破壞，見圖10a)；②防水粘結層與水泥混凝土橋面板之間的破壞，見圖10b)；③防水粘結層自身的破壞，見圖10c)；④防水粘結層與瀝青混凝土鋪裝層之間的破壞.防水粘結層剪切破壞的形式可通過觀察破壞界面來判斷.

圖10 幾種典型破壞界面實物圖

本次試驗中未出現第④類形式的破壞.第①類破壞是水泥混凝土表面未做任何處理，試驗證明水泥混凝土表面失養層(浮漿)必須清理，具體可采用拋丸或銑刨.AC-5和無防水粘結層兩種結構的破壞形式是第②類；ES-2結構的破壞形式有②③兩種，并以②居多.由此說明AC-5自身的抗剪性能優于ES-2.

5 結 論

1) 稀漿封層用作防水粘結層，要保證自身的結構強度，主要可從改性乳化瀝青的品質上改進，并可以通過稀漿混合料粘聚力試驗檢驗.

2) AC-5瀝青砂的抗剪強度比ES-2稀漿封層的大，粘結效果更好.

3) 直剪試驗的結果可以用作評價防水粘結層材料抗剪性能優劣或劃分材料抗剪強度等級，不能用來確定層間抗剪強度容許值.

4) 溫度對防水粘結層材料的抗剪強度影響很大.溫度升高，材料的抗剪性能會急劇降低，層間抗剪強度容許值的試驗溫度宜結合當地的路面設計溫度確定和極端高溫共同確定.

5) 水泥混凝土橋面板的失養層(浮漿)必須清潔干凈，露出質地堅硬且潔凈的界面，以避免失養層處發生剪切破壞.

[1]黃曉明.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術研究現狀綜述[J].交通運輸工程學報，2014(1):55-58.

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[3]羅立峰.鋼纖維增強聚合物改性混凝土橋面鋪裝技術[M].廣州：華南理工大學出版社,2004.

[4]劉紅瓊.水泥砼橋橋面鋪裝防水粘結層性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[5]周鍵煒.水泥混凝土橋面防水粘結層的試驗研究[D].南京：南京林業大學，2009.

[6]李明國.混凝土梁橋瀝青鋪裝結構分析與材料優化研究[D].西安：長安大學，2010.

[7]郭謂彬.佛山大橋(舊橋)橋面鋪裝病害及其改建技術[J].廣東公路交通，1996(2):188-195.

[8]陳龍龍.高溫多雨地區橋面鋪裝層設計與施工工藝研究[D].武漢：武漢理工大學，2016.

[9]XU Q, ZHOU Q, MEDINA C, et al. Experimental and numerical analysis of a waterproofing adhesive layer used on concrete-bridge decks[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives,2009,29(5):525-534.

Study on the Shear Performance of Waterproof-bonding Layer Based on the Material Testing System

YU Xiaohe1)WANG Bangping2)CHEN Longlong1)YOU Minghua2)LUO Rong1)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Wuhan West Fourth Line Expressway Construction Management Co., Ltd., Wuhan 430056, China)2)

For the fact that the bridge waterproof-bonding layer usually displays certain damages, such as traction and crack, this research designs a direct shear test fixture that is suitable for MTS. Composite specimens with ES-2 slurry or AC-5 asphalt mixture are fabricated. Shear strength is measured by direct shear test to evaluate the shear property of waterproof bonding layer. The test results indicate that 1) the temperature for bridge water-bonding layer has great influence on the shear strength of materials, as the temperature rises, the shear performance of materials will be reduced sharply; 2) the shear strength of AC-5 is higher than that of ES-2; 3) the laitance on bridge deck must be clear and hard, and the clean interface must be exposed to avoid shear failure from laitance.

waterproof-bonding layer; MTS; direct shear test; shear strength

2017-04-23

*交通運輸部建設科技計劃項目資助(2014318J22120)

U443.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.025

于曉賀(1993—)：男，碩士生，主要研究領域為路面材料、橋面鋪裝等