水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層層間抗剪切試驗分析

吳宇婷

（重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

水泥混凝土橋面與瀝青層黏結性能不足時，易顯現出擁包、推移等病害，同時荷載、溫度等因素的共同作用，促進了黏結層層間病害的發展，產生的裂縫給雨水的流動提供了通道，加劇混凝土橋面鋼筋的銹蝕程度，鋼筋受力性能被迫削弱，橋梁主體結構受損。為有效避免層間剪切病害，需切實提高黏結層的性能，保證橋面與鋪裝層的穩定結合，構成完整可靠的整體，以防病害的出現以及雨水的下滲。為達到這個目的，有必要對水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層的層間抗剪切性能進行試驗，準確掌握影響層間穩定性的因素。

1 水泥混凝土橋面與瀝青鋪裝層層間穩定性的重要性

橋面鋪裝層直接鋪筑在橋面板上，若處理不當，易誘發各類病害，其中鋪裝層與橋面板的層間結合穩定性不足則較為常見，原因在于層間黏結處較為薄弱，在層間結構不穩定的情況下，影響到層間黏結部位的正常狀態，從而出現推移、擁包病害。

鋪裝層與橋面板間必須具有足夠的黏結力，若兩者的黏結能力有限，車輛通行時產生振動沖擊作用，導致鋪裝層與橋面板由原本完整的整體結構變為分離結構，會有不同程度的推移現象，此時橋面鋪裝層受損。此外，在層間黏結穩定可靠時，兩層之間類似于層間連續狀態，承受剪切力，對于分擔面層的部分荷載壓力而言有重要的意義，由于受力合理，鋪裝層的耐久性才得到保證。

2 水泥混凝土橋面瀝青鋪裝病害的主要成因

（1）橋面層的施工質量較差。施工單位在進行水泥混凝土層的施工時，對表觀質量的重視程度高于結構質量，高度注重橋面平整性，因此，在整平期間將擠出大量的浮漿，未關注到與上部瀝青鋪裝層的銜接問題，后續易出現質量缺陷，且此類缺陷往往難以修復。針對該狀況，部分工程把整合整平、防水層鋪筑工作均納入瀝青路面鋪筑單位的工作范疇中，由其統籌兼顧，將各部分結構穩定結合為完整的整體。

（2）橋面水泥混凝土板的平整度不足。在橋面混凝土尚未達到干燥狀態時便鋪筑防水黏結層，后續產生的水汽將影響到防水黏結層，導致該處有鼓包脫離現象。橋面瀝青混合料的殘余空隙率超6%～8%，密實度欠佳，車輛通過時將產生動水壓力，隨之損害鋪裝層。針對該狀況，需要保證橋面鋪裝厚度的有效性，而在混凝土板的施工中，有效清理浮漿，使其保持干燥，從而增強瀝青層與橋面板的黏結穩定性，此時構成的整體結構可以協同受力。

3 層間剪切試驗方法與原材料試驗

3.1 試驗的準備工作

3.1.1 原材料的選取

以某高速公路橋梁項目為例，施工采用到GAC-22C型改性瀝青混合料，黏結層由高黏瀝青、SBS改性瀝青和環氧瀝青組成，碎石選用的是粒徑為4.75～9.5mm和2.36～4.75mm輝綠巖，同時制備C30水泥混凝土試件，以便做性能分析。

3.1.2 試驗儀器的配套

（1）對稱層間剪切裝置。為使試件同時承受豎向荷載和水平荷載，同時也為了增強剪切試驗的可靠性（避免試驗偏離路面結構實際受力特點），采用預壓對稱層間剪切裝置，通過此裝置的配套，更加客觀地評價層間抗剪切性能。

（2）其他試驗設備。瀝青混合料的拌和在拌和機內完成，因此采用拌和機；配套金剛石雙面鋸，作為切割裝置使用，制得合適規格的試件（含水泥混凝土試件、瀝青混合料試件兩類）；適配臺灣弘達萬能試驗機，用于檢測黏結層的剪切強度，操作人員根據試驗要求合理控制加載速度和拉伸行程。

3.2 試驗的基本思路

（1）在制作試件后，對其施加正壓力，而后做對稱層間剪切試驗，用于模擬路面在荷載作用下的工況。

（2）向恒溫水浴箱內放入試件，安排3h的養護，經該預處理過程后，安排對稱層間剪切試驗，且先施加正壓力，再進行剪切試驗。各試件的試驗時間以5min以內為宜，以免在長時間試驗過程中溫度發生變化（這將對試驗結果的準確性造成影響）。

3.3 對稱層間剪切試件的制備

以正交試驗方案為準，制備試件，用于對稱層間剪切試驗。試件的制備思路為：拌和GAC-20C 瀝青混合料，制作尺寸為300mm×300mm×100mm 的試件；切割試塊，尺寸均按100mm×100mm×100mm 予以控制；按200mm×100mm×10mm 的尺寸切割水泥混凝土試塊；按0.3kg/m2的用量于瀝青混合料表面撒鋪黏結料，進而繼續撒布輝綠巖細集料碎石，直至覆蓋表面70%為止。

3.4 正交試驗設計

為探討黏結層抗剪切性能的關鍵影響因素，結合工程實際，考慮施工材料、施工工藝、路面交通量荷載、氣候條件等多項影響因素，最終選取防水黏結層的材料、碎石粒徑、對試件施加的正壓力、試驗溫度等4 項條件（見表1）進行正交試驗，來驗證施工工藝對抗剪切性能的影響情況。

表1 層間剪切試驗條件

4 試驗結果及其分析

4.1 各因素對層間抗剪切性能的影響

在確定試驗數據后，基于正交理論加以處理，并生成分析結果，如表2所示。

表2 層間剪切正交試驗分析結果

結合表2中數據展開分析，確定各項影響因素對層間剪切強度的作用程度，由強到弱依次為：試驗溫度＞黏結料類型＞預加正壓力＞撒布碎石粒徑。各項影響因素水平變化也會在一定程度上影響層間剪切強度，為探明具體的關系并確定最具可行性的組合方案，此處進行進一步的分析，繪制出層間剪切強度的正交點圖，具體如圖1所示。

圖1 層間剪切強度正交點圖分析

根據圖1可知，黏結層施工采用的是環氧瀝青時，有助于提高層間抗剪強度，高黏瀝青的應用效果次之，排于末位的是改性瀝青。若將高黏瀝青作為黏結料進行使用，其具備較高的剪切強度，通常達到SBS 改性瀝青的1.5倍；而環氧瀝青的該值約為SBS改性瀝青的3倍，但需注意的是，SBS改性瀝青具有成本較低的突出特點，因此從性價比的角度來看，以SBS改性瀝青最佳。

從層間剪切強度的角度來看，采用4.75～9.5mm 輝綠巖碎石時具有最高的層間剪切強度。在試驗中，壓力從0.5MPa 有序增至0.9MPa，層間剪切強度有增加的變化趨勢，但隨著正壓力的持續增加，該變化趨勢減弱。試驗溫度發生變化后，層間剪切強度也有明顯的變化，且此類變化主要發生在5～40℃的溫度區間內，具有隨試驗溫度增加，層間剪切強度降低的變化趨勢。在本次分析中，在40℃的試驗溫度條件下，測定的防水黏結層的平均抗剪強度為0.88MPa，明顯超過規范的0.3MPa（試驗溫度為35℃時），因此認為在黏結層溫度大于40℃時，黏結層仍具有較高的抗剪強度。

4.2 各因素對層間抗剪切性能的交互影響

在試驗結果的基礎上，繪制因素交互作用圖，如圖2所示，前述提及的四項影響因素作為橫坐標，層間剪切強度作為縱坐標，結合圖中內容展開分析，得出如下結論：

圖2 層間剪切強度交互作用圖

（1）將環氧瀝青作為黏結料時，層間剪切強度普遍高于其他兩種瀝青材料（4.75～9.5mm 碎石撒布、0.5MPa正壓應力除外），而此項結論也與前述“環氧瀝青作為黏結料時層間剪切強度最大”相吻合。

（2）對于4.75～9.5mm碎石撒布的試件，正壓力水平和試驗溫度水平雖然會對層間剪切強度造成影響，但程度輕微。

（3）在低溫的環境中，若施加0.5MPa正應力，此條件下的層間剪切強度偏低。

立足于本次研究結果，最終確定橋面黏結層的施工方案，具體要點有：

（1）橋面防水黏結層的施工條件，一方面需確保橋面板的溫度在5℃以上，另一方面則需確保橋面表面質量達到要求。

（2）在黏結層的施工中，材料可選擇SBS 改性熱瀝青，原因在于此類材料的性價比較高。

（3）在應用SBS改性熱瀝青后，于上方撒布5～10mm的碎石。

（4）在經過碎石的撒布作業后，安排黏結層的碾壓處理，設備可選擇膠輪壓路機，在經過碾壓后，SBS改性熱瀝青上升并裹覆碎石表面，材料的結合效果較好，碎石與橋面板有較高的黏結度。

需要說明的是，層間剪切試驗中，為有效減小試驗誤差，盡可能提高數據的準確性，共組織5次重復試驗，經過多次試驗后，確定試驗組合測試的5個破壞剪切應力值。為更為直觀地分析試驗組合的破壞剪切應力結果，分析中采用的是破壞剪切應力的平均值。

5 結束語

綜上所述，綜合應用正交思路和極差分析方法，經過質量、成本多角度的對比分析后，確定最為合適的方案為：碎石撒布材料選用4.75～9.5mm輝綠巖碎石，預加正壓力取0.7MPa，試驗溫度5℃。經過比選后，認為黏結料宜采用SBS改性熱瀝青，能夠同時兼顧質量和成本的雙重要求，具有較高的性價比；對于撒布瀝青混合料考慮的是5～10mm的碎石，且為了全面保證施工質量，還配套膠輪壓路機，完成對碎石的碾壓處理，減小碎石的空隙，增加密實性，最終取得良好的施工效果。