鋼橋面鋪裝結構層間粘結性能影響因素研究

作者簡介：

席 斌（1992—），助理工程師，研究方向：橋梁、隧道的施工管理和技術研究。

橋面鋪裝粘結層的層間粘結性能直接關系到橋面鋪裝層的長期穩定。文章為探究集料類型、級配類型、粘結環氧瀝青材料涂抹量對橋面鋪裝層層間粘結性能的影響，采用輝綠巖、石灰巖、花崗巖三種集料，粗、中、細三種級配類型，0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2四種環氧樹脂涂抹量，通過室內小梁彎曲試驗、層間拉拔剪切試驗進行研究。結果表明：采用高強度的集料、細集料含量高的級配類型、0.2～0.6 kg/m2的環氧樹脂涂抹量可以有效提高鋼橋面鋪裝層層間粘結強度，減少鋪裝層病害的產生。

鋼橋面；橋面鋪裝；層間粘結；環氧瀝青

中圖分類號：U443.33 A 31 098 3

0 引言

隨著國內外橋梁建設技術的發展，人們逐漸認識到正交異性橋面板在行車荷載作用下容易在焊接處產生應力集中［1］，引起橋面頂板和鋪裝層的開裂、脫層現象［2］，之后，降雨作用下，水分的逐漸滲入也會造成橋面板的銹蝕，從而嚴重危害橋梁結構的安全和穩定。因此，現今橋梁鋪裝普遍在鋪裝層與橋面板之間設置防水粘結層，以減少橋面板和鋪裝層病害的產生［3］。但粘結層的設置并不能完全保證橋面板與鋪裝層之間不產生脫層，當粘結層強度不足時則會失效產生脫層，鋪裝層與橋面板將不再作為一個整體結構，在荷載作用下鋪裝層會不斷對橋面板防銹層造成沖擊破壞，從而影響行車安全［4-5］。環氧樹脂作為一種常用的橋面鋪裝層粘結材料，如何才能充分發揮其粘結性能，保證橋面鋪裝層和橋梁整體結構的穩定性，對其作為橋面鋪裝層粘結材料時粘結性的影響因素研究顯得尤為必要。

1 試驗材料

試驗所用環氧瀝青是由環氧樹脂、固化劑與東海70#基質瀝青復合改性制得。環氧樹脂與固化劑以55∶45的比例制備環氧體系，環氧體系與基質瀝青以1∶1比例制備環氧瀝青。制得的環氧瀝青技術指標如表1所示。

依照《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005）對試驗所用三種集料性能指標進行檢測，檢測結果分別如表2、表3所示。

2 試驗方法

本文采用輝綠巖、石灰巖和花崗巖三種石料，粗、中、細即1#、2#、3#三種級配類型，0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2四種環氧瀝青涂抹量，對環氧瀝青作為鋼橋面鋪裝粘結層材料時的粘結性能影響因素進行研究。

2.1 三點彎曲試驗

本文采用三點彎曲試驗評價集料類型對環氧瀝青混合料抗裂性能的影響，若抗裂性能更差，則表明鋼橋面鋪裝層更容易產生開裂，即水分更容易滲入內部造成粘結層材料的粘結強度降低。試驗步驟參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）。

2.2 拉拔試驗

本文拉拔試驗采用PosiTest AT-A拉拔儀，拉拔頭大小為50 mm，試件采用鉆芯取樣，取出直徑50 mm、高63.5 mm的芯樣，一端用強力AB膠粘結在拉拔頭上，另一端用環氧樹脂粘結在鋼板上。待粘結劑強度形成后，將其置于試驗所需溫度的環境箱中保溫4 h，測試其被拉伸破壞時的最大拉力，并按式（1）計算其粘結強度：

σ=FS（1）

式中：σ——拉拔粘結強度（MPa）；

F——破壞時的最大拉力（kN）；

S——試件受力面積（m2）。

2.3 剪切試驗

本文采用直接剪切試驗進行層間剪切強度評價。試件選用直徑100 mm、高150 mm的大馬歇爾試件，將制作好的試件用環氧瀝青粘結在直徑100 mm的鋼板上。試驗時對試件施加0.7 MPa的正壓力F，加載速率為50 mm/min，測得試件破壞時的最大壓力P。剪切過程如圖1所示，試驗結束后根據式（2）計算層間剪切強度。

τ=PS（2）

式中：τ——剪切強度（MPa）；

P——破壞時的最大壓力（kN）；

S——剪切面面積（m2）。

3 影響因素分析

3.1 集料類型對層間粘結性能的影響

本文采用同一級配對三種集料進行混合料設計，在最佳油石比下成型瀝青混合料試件，切割成小梁試件進行三點彎曲試驗。試驗結果如圖2～4所示。根據圖2、圖3的集料類型與彎曲應力、撓度的關系可以看出，三種集料中，石灰巖的抗彎拉性能最差，花崗巖較好，輝綠巖最好。輝綠巖的抗彎性能約為石灰巖的1.4倍，約為花崗巖的1.1倍。三種集料成型的試件在產生破壞時，石灰巖產生的撓曲變形最小，花崗巖與輝綠巖的撓曲變形差異相近。三種類型集料整體上撓曲變形差異較小，最大差值＜2 mm。

由圖4可以看出，石灰巖的斷裂能在5 000 N/m左右，花崗巖斷裂能在6 500～7 000 N/m，輝綠巖的斷裂能在8 000 N/m左右，故采用輝綠巖集料成型的瀝青混合料試件的抗斷裂性能最好。這主要是由于輝綠巖集料的強度高，抗壓性能明顯優于石灰巖集料和花崗巖集料，因此成型后的混合料也具有更好的抗開裂能力。

綜上可知，鋪裝層混合料在選用集料時選用強度高、抗壓性能好的集料，可以減少鋪裝層開裂，有效防止水分滲入粘層，避免粘層失效。

3.2 級配類型對層間粘結性能的影響

本文所設計的三種級配如下頁表4所示。

根據表4的級配設計結果，本文采用輝綠巖集料，通過馬歇爾試驗，測定最佳油石比分別為5.7%、5.5%、5.6%，空隙率分別為1.87%、1.74%、1.68%。通過拉拔和剪切試驗，測得三種級配下的拉拔強度和剪切強度結果如表5所示。

從表5試驗結果可以看出，級配設計時粗集料含量越高，試件的拉拔強度和剪切強度越低。2#級配的拉拔強度較1#級配提高約14.29%，剪切強度提高約11.93%；3#級配較2#級配拉拔強度提高約7.81%，剪切強度提高約18.03%。因此，級配類型對于層間粘結強度的影響顯著，采用細集料含量較高的級配類型可以顯著提高層間粘結性能。這可能是由于細集料含量高，混合料空隙率小，增大了試件與粘結材料的接觸面積，提高了混合料與粘結材料的相融程度，從而使其具有更好的層間粘結效果。

3.3 涂抹量對層間粘結性能的影響

采用輝綠巖和3#級配進行制備試件，進行粘結材料涂抹量對層間粘結性能的影響試驗。當溫度分別為25 ℃和60 ℃時不同環氧樹脂涂抹量的拉拔強度和剪切強度試驗結果如圖5、圖6所示。

由圖5～6可以看出，60 ℃時較25 ℃時的層間剪切強度和拉拔強度明顯降低；0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2環氧樹脂涂抹量的層間剪切強度和拉拔強度影響的差異性較小，但當環氧樹脂涂抹量達到0.8 kg/m2時，25 ℃和60 ℃下試件的剪切強度和拉拔強度均明顯下降。綜合拉拔與剪切試驗結果分析表明，當涂抹量過大時，會造成混合料對于粘結材料的吸收“過于飽和”，多余的粘結料會存在于混合料與鋼板之間，增加自由粘結層的厚度；在高溫和荷載作用下，粘結層容易滑移，從而降低粘結強度。因此，建議將環氧樹脂的涂抹量控制在0.2～0.6 kg/m2。

4 結語

本文通過室內三點彎曲試驗、拉拔試驗和直剪試驗，對影響環氧樹脂鋼橋面鋪裝層層間粘結性的影響因素進行了分析，得到如下結論：

（1）鋪裝層混合料采用強度高、抗壓性能好的輝綠巖集料可以有效減少鋪裝層產生開裂，減少水汽進入防水粘結層，有效避免粘結強度的失效。

（2）選用細集料含量高的級配類型可以顯著增大粘結層與混合料的相融程度，提高粘結強度。

（3）為避免因粘結層過厚而在高溫與荷載作用下產生滑移損害，粘結材料的涂抹量應＜0.8 kg/m2。建議涂抹量為0.2～0.6 kg/m2。

參考文獻

［1］李 俊，陸海珠，李明亮.溫度和水分對多孔瀝青路面層間粘結性能的影響［J］.公路工程，2021，46（5）：144-148，155.

［2］徐 偉，曽嘉科，韋瀟樹.鋼橋面鋪裝環氧瀝青混合料的特點及應用［J］.筑路機械與施工機械化，2018，35（8）：35-40.

［3］張付軍.大型鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料的疲勞性能研究［D］.長沙：中南大學，2010.

［4］程 慶，王大明，吳春穎.鋼橋面瀝青鋪裝層病害及成因分析［J］.公路工程，2010，35（3）：112-115.

［5］唐 浩.環氧樹脂瀝青橋面防水材料性能研究［J］.黑龍江科技信息，2016（16）：235.

［6］謝鴻峰.高性能環氧樹脂道路材料在我國橋面鋪裝中的應用［C］.全國公路養護新材料應用技術大會，2015.

收稿日期：2022-10-16