環(huán)氧瀝青橋面黏結(jié)防水層試驗研究

張衛(wèi)華

（呂梁市交通運輸局，山西 呂梁 033000）

1 概述

橋面鋪裝大多采用瀝青類材料，它與水泥混凝土橋面板或鋼橋面板之間需要通過防水黏結(jié)層進行結(jié)合，而黏結(jié)材料的強度對橋面鋪裝的使用壽命有很大的影響。如果橋面鋪裝產(chǎn)生層間剝離現(xiàn)象，將導(dǎo)致橋面鋪裝工作狀態(tài)的迅速惡化，行車荷載作用下，鋪裝層便會產(chǎn)生推移病害，隨著降雨等水分的滲入，橋面鋪裝產(chǎn)生松散或坑槽，如養(yǎng)護維修不及時，還會波及橋面結(jié)構(gòu)的損壞以及鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致橋梁承載力下降、使用壽命縮短。大量的研究表明，瀝青類鋪裝層損壞的主要原因是黏結(jié)層材料的黏結(jié)強度不足和層間處治不當(dāng)所致。

橋面鋪裝常用防水層的材料有乳劑型黏結(jié)材料、熱熔性黏結(jié)材料和熱固性黏結(jié)材料（卷材類防水材料已很少使用）。

乳劑型黏結(jié)材料一般多指乳化瀝青和改性乳化瀝青。熱熔性黏結(jié)材料由瀝青摻加各種高分子聚合物（如SBS、PE 等）或橡膠材料組成，即聚合物（或橡膠）改性瀝青。這類材料具有一定的變形適應(yīng)能力，不足之處是在高溫時容易軟化，導(dǎo)致黏結(jié)力下降。目前，國內(nèi)有不少橋梁在通車后幾年內(nèi)橋面即出現(xiàn)了推移變形等病害。熱固性黏結(jié)材料主要指環(huán)氧瀝青。同前兩類材料相比，這種材料黏結(jié)能力高、適應(yīng)變形能力強，尤其是在高溫條件下不軟化、不變形，具有較高的力學(xué)性能，遠高于橋面鋪裝層在夏季高溫條件下對材料的強度要求[1]。

2 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層材料的性能

評價黏結(jié)層性能最常用的指標(biāo)是剪切強度和拉拔強度，二者都是反映材料黏結(jié)力的主要力學(xué)指標(biāo)。

環(huán)氧瀝青的黏結(jié)強度有兩個評價標(biāo)準(zhǔn)，一是材料自身的黏結(jié)強度，通過測定它與鋼板之間的黏結(jié)力來評價；二是它在水泥混凝土和瀝青混凝土之間的黏結(jié)強度，需要采用專門制作的黏結(jié)力試件來檢測評價。

2.1 抗剪切性能

用于鋼橋面防水黏結(jié)層的環(huán)氧瀝青，20℃的抗剪強度可達到5～8 MPa，用于水泥混凝土橋面防水黏結(jié)層的黏結(jié)材料受力條件優(yōu)于鋼橋面，不必要采用太高抗剪切強度的黏結(jié)材料。黏結(jié)材料自身的黏結(jié)強度（以它與鋼板之間的黏結(jié)強度表示）只要不小于1.0 MPa 即可。本文重點研究用于水泥混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝之間的材料黏結(jié)強度及其特性。

車輛行駛過程中，車輪產(chǎn)生的摩阻力對鋪裝層和黏結(jié)層施加了水平推力，特別是載重汽車在較大縱坡的下坡路段行駛時，水平推力更大，最不利的情況是夏季高溫條件下的行車作用。有關(guān)研究認(rèn)為，最不利條件下的層間最大剪應(yīng)力可達到0.68 MPa。因此，黏結(jié)層的抗剪切強度不應(yīng)低于這個數(shù)值。

黏結(jié)層材料受剪性能的加載剪切試驗原理如圖1 所示。當(dāng)對試件施加荷載P 時，試件受剪面上的剪切應(yīng)力τ =P/S，式中S 為試件受剪切截面積。將試件切割成一定尺寸，測試所施加的最大破壞荷載P。試驗加載速度為50 mm/min。

圖1 橋面鋪裝界面受力狀態(tài)示意圖

該研究對環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料做了3 種溫度（20℃、35℃和60℃）條件下的黏結(jié)層剪切試驗，材料為TPM-FN-H 型水泥橋面黏結(jié)層環(huán)氧瀝青，技術(shù)性能執(zhí)行DB14/T 1327—2016 地方標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果如表1 所列。

試件制作方法：在50 mm 厚的C30 水泥混凝土板上涂刷1.0 kg/m2黏結(jié)材料后，加鋪50 mm 厚SBS改性瀝青混合料，120℃烘箱中經(jīng)過6 h 固化后，切割成90 mm×90 mm 的試件（厚度為100 mm）。鋼板與鋼板的面積是100 mm×100 mm。

表1 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層剪切試驗結(jié)果

從表1 可以看出，鋼板與鋼板之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層，無論是20℃或35℃的抗剪強度均大于1.0 MPa，60℃的抗剪強度也接近1.0 MPa，破壞面位于黏結(jié)層。瀝青混凝土與C30 混凝土之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層，20℃條件下抗剪強度大于1.0 MPa，破壞面位于黏結(jié)層；35℃條件下，抗剪強度為0.76 MPa，剪切破壞發(fā)生在瀝青混凝土界面，這就意味著環(huán)氧瀝青的黏結(jié)力大于被黏結(jié)對象（瀝青混凝土）的強度；60℃條件下的強度為0.32 MPa，瀝青混凝土已經(jīng)破壞。從表1 中可以看出，環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的抗剪強度不同溫度下均高于改性瀝青。

2.2 抗拉拔性能

水泥混凝土和瀝青混凝土鋪裝層之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層抗拉拔試驗，試件制作方法和剪切試驗相同，不同的是采用了圓柱形拉拔試件。即：固化成型后采用100 mm 直徑的鉆心機鉆取圓柱形試件，在規(guī)定溫度下進行拉拔試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 黏結(jié)層拉拔強度試驗結(jié)果[1]

由表2 中的試驗結(jié)果可見，組合1 中，在20℃和35℃溫度下環(huán)氧瀝青的黏結(jié)力均大于1.0 MPa，60℃溫度下的黏結(jié)強度也接近1.0 MPa，改性瀝青黏結(jié)料20℃的拉拔強度為0.66 MPa，均大于力學(xué)計算得出的層間豎向最大拉應(yīng)力0.633 MPa。而改性瀝青黏結(jié)料在大于35℃溫度下的拉拔強度卻低于層間豎向最大拉應(yīng)力。

組合2 中，在20℃溫度下的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的拉拔強度為0.94 MPa，改性瀝青黏結(jié)層的拉拔強度為0.65 MPa，也能滿足最大拉應(yīng)力要求。但35℃以上時拉拔強度則較小，其破壞面位置在瀝青混合料界面。實際上，在這一溫度條件下檢測到的數(shù)據(jù)是瀝青混合料中結(jié)合料的強度，而非黏結(jié)層的黏結(jié)力（聚合物改性瀝青混凝土抗拉強度試驗數(shù)據(jù)為：20℃時 1.29 MPa，25℃時 0.51 MPa，35℃時 0.26 MPa；C30～C50 混凝土的抗拉強度為1.7～2.4 MPa）。在60℃情況下試件已經(jīng)破壞，不能完成拉拔試驗。

從組合1 的試驗結(jié)果來看，環(huán)氧瀝青黏結(jié)料在各種溫度條件下的黏結(jié)強度均大于或接近于1.0 MPa，而聚合物改性瀝青的黏結(jié)力都遠小于前者。事實上，環(huán)氧瀝青混凝土試件在常溫下的抗拉強度大于1.5 MPa[1]，且隨溫度的改變，強度變化較小。說明環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料在用于防水黏結(jié)層時，黏結(jié)力優(yōu)勢更加明顯。

3 應(yīng)用實例

2011 年8 月，太原機場快速路高架橋二標(biāo)段采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層28 000 m2。2012 年9 月，太舊高速公路武宿立交橋橋面大修工程采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層24 000 m2。使用效果良好，至今橋面無任何病害。尤其是武宿立交橋，在重載交通條件下使用6 年，保持了良好的使用效果。2013 年在重慶“涪- 豐- 石”高速公路采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層170 000 m2，通車5 年來橋面結(jié)構(gòu)未發(fā)生早期損壞現(xiàn)象，使用狀況良好。2014 年在京港澳高速公路石家莊繞城段改擴建工程中，用于滹沱河大橋等4 座橋梁的橋面防水黏結(jié)層，到目前已運營4 年多，使用狀況完好。

4 結(jié)語

環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層是一種很好的橋面功能層，有利于瀝青混凝土橋面鋪裝和水泥混凝土鋪裝層之間的充分結(jié)合，確保橋面鋪裝層與下承層形成共同受力體，延長橋面鋪裝層的使用壽命。同時，還有利于提高橋面鋪裝層的防水性能，既保護橋面鋪裝自身不受水的破壞，也對橋梁結(jié)構(gòu)起到很好的保護作用，延長橋梁主體結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高了橋梁服務(wù)水平，減少了橋面及橋梁結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護費用。