基于正交設(shè)計的工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層影響因素研究

摘要 為了提升工廠化橡膠瀝青作為防水黏結(jié)層時的性能，改善橋面鋪裝防水效果，文章通過正交設(shè)計的方法研究在工廠化橡膠瀝青用量、集料粒徑、集料灑布量不同條件下的防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度變化，然后通過工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層在常溫、高溫下剪切強(qiáng)度黏結(jié)強(qiáng)度的影響關(guān)系分析得出單向性能的最佳組合，最后綜合各項(xiàng)性能和實(shí)際用量的支撐下得出綜合性能最優(yōu)組合：工廠化橡膠瀝青為1.5～2 kg/m²；集料粒徑為4.75～9.5 mm；集料灑布量為7～9 kg/m²。

關(guān)鍵詞 防水黏結(jié)層；正交設(shè)計；抗剪強(qiáng)度；黏結(jié)強(qiáng)度；最優(yōu)組合

中圖分類號 U444文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0114-04

0 引言

防水黏結(jié)層是水泥混凝土橋面鋪裝的重要組成部分，在水泥混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中，防水黏結(jié)層起著承上啟下的重要作用，一方面，它將剛性的水泥混凝土橋面板和柔性的瀝青鋪裝層連接成一個整體共同受力；另一方面，防水黏結(jié)層可保護(hù)橋面板、主梁的混凝土免受水的侵蝕并防止鋼筋腐蝕，這就要求橋面防水黏結(jié)層應(yīng)具有良好的高低溫界面力學(xué)性能和防水性能。根據(jù)橋面病害調(diào)研結(jié)果，橋面病害一個重要原因就是防水黏結(jié)層較差，不能達(dá)到很好的防水和與基層水泥混凝土板黏結(jié)的效果。而目前橋面防水黏結(jié)材料種類眾多，化學(xué)組成、技術(shù)性能等存在較大的差異，實(shí)施效果也不盡相同[1-2]。

基于此，該文通過正交試驗(yàn)設(shè)計方法研究工廠化橡膠瀝青用做防水黏結(jié)層的性能，并在不同條件下對工廠化瀝青黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對比，研究工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的特點(diǎn)。

1 正交設(shè)計方法

正交設(shè)計方法（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它是從全面實(shí)驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。正交設(shè)計方法又稱正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計或多因素優(yōu)選設(shè)計，是合理安排、科學(xué)分析各實(shí)驗(yàn)因素的一種有效的數(shù)理統(tǒng)計方法[3]。它是在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)識的基礎(chǔ)上，借助一種規(guī)格化的“正交表”，從眾多的實(shí)驗(yàn)條件中確定出若干個代表性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件，科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)，然后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合比較，統(tǒng)計分析，探求各因素水平的最佳組合，從而得到最優(yōu)或較優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案的一種設(shè)計方法。它能以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)找到較好的實(shí)驗(yàn)（生產(chǎn)）方案，由正交實(shí)驗(yàn)尋找出的優(yōu)化參數(shù)（條件）與全面實(shí)驗(yàn)所找出的最優(yōu)條件有一致的趨勢。

2 正交表設(shè)計

為分析工廠化橡膠瀝青用量、集料粒徑、集料灑布量對防水黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度的影響[4]，擬通過三因素三水平正交表設(shè)計研究。因素水平表如表1所示。

3 試件成型

首先在室內(nèi)的特別試模（30 cm×30 cm×10 cm）中澆筑按水泥混凝土橋面板配合比拌制的水泥混凝土（30 cm×30 cm×5 cm），在初凝后、終凝前打毛表面，試件養(yǎng)生7 d，在水泥混凝土完全干燥情況下，繼續(xù)打磨表面去除浮漿，按摻量涂抹工廠化橡膠瀝青。工廠化橡膠瀝青灑布后立即按照確定的灑布量灑布碎石，將灑布碎石后的試件放在室內(nèi)常溫冷卻，待冷卻后在其上鋪裝3.5 cm厚SMA瀝青混合料，并且在碾壓機(jī)上壓實(shí)成型混合料。待上層瀝青混合料冷卻后脫模，采用和現(xiàn)場相同的鉆芯法取直徑100 mm的圓柱體試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切試件如圖3所示；使用鉆芯機(jī)在模具內(nèi)的復(fù)合件上鉆深超過3.5 cm，使上層瀝青混合料以及防水黏結(jié)層與四周斷開，在瀝青混合料表面涂抹環(huán)氧樹脂，黏結(jié)拉拔頭，養(yǎng)生16 h后在常溫或高溫環(huán)境下保溫進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)度測試。水泥混凝土板表面處理如圖1所示，防水黏結(jié)層的涂抹如圖2所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

正交設(shè)計方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，直觀分析結(jié)果如表3所示。

4.1 敏感性分析

從表3可以看出，常溫條件下，各因素對抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度的影響按從大到小的順序依次為：集料粒徑、工廠化橡膠瀝青用量、集料灑布量。集料粒徑的影響遠(yuǎn)大于其他兩種因素的影響，為了增大工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的常溫抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)選擇集料粒徑為10～15 mm的集料。

而高溫條件下，各因素對抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度的影響差異性較小，其中集料粒徑的影響略高于瀝青用量和集料灑布量，這是由于高溫條件下，工廠化橡膠瀝青中自由瀝青含量更高，分子間作用力減弱，黏結(jié)強(qiáng)度顯著降低，導(dǎo)致整體差異性較小[5-6]。

4.2 單項(xiàng)性能最優(yōu)組合分析

根據(jù)表3分析總結(jié)可知，滿足常溫抗剪切強(qiáng)度的最佳組合為A2B3C2，即工廠化橡膠瀝青用量為2.2 kg/m²，集料粒徑為9.5～13.2 mm，集料灑布量為7 kg/m²；高溫抗剪切強(qiáng)度的最佳組合為A1B2C2，即工廠化橡膠瀝青用量為1.8 kg/m²，集料粒徑為4.75～9.5 mm，集料灑布量為7 kg/m²；常溫黏結(jié)強(qiáng)度的最佳組合為A2B3C1，即工廠化橡膠瀝青用量為2.2 kg/m²，集料粒徑為9.5～13.2 mm，集料灑布量為5 kg/m²；高溫黏結(jié)強(qiáng)度的最佳組合為A2B1C1，即工廠化橡膠瀝青用量為2.2 kg/m²，集料粒徑為2.36～4.75 mm，集料灑布量為5 kg/m²。

4.3 綜合性能優(yōu)組合分析

根據(jù)上述單項(xiàng)性能最優(yōu)組合分析可得，工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層各種性能的最優(yōu)組合各不相同，無法尋求各方性能均最優(yōu)的組合。但橋面防水黏結(jié)層在使用過程中對各項(xiàng)性能的要求也不盡相同，因此工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的優(yōu)組合可根據(jù)各因素對力學(xué)分析結(jié)果的滿足性確定[7-8]。

擬定各溫度條件下防水黏結(jié)層的各項(xiàng)性能指標(biāo)為：

常溫抗剪強(qiáng)度≥0.54 MPa（工況：超載+剎車）；

高溫抗剪強(qiáng)度≥0.2 MPa（工況：常載）；

常溫黏結(jié)強(qiáng)度≥0.04 MPa（工況：超載+剎車）；

高溫黏結(jié)強(qiáng)度≥0.04 MPa（工況：超載+剎車）。

分析可得，工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層各因素各水平條件下的常溫抗剪強(qiáng)度、常溫黏結(jié)強(qiáng)度和高溫黏結(jié)強(qiáng)度均滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，而高溫抗剪強(qiáng)度并不完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。滿足0.2 MPa的工廠化橡膠瀝青用量為≤2.0 kg/m²，集料粒徑為4.75～9.5 mm，集料灑布量為7 kg/m²。綜合各項(xiàng)性能和實(shí)際用量，推薦工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的優(yōu)組合為：工廠化橡膠瀝青1.5～2.0 kg/m²，集料粒徑為4.75～9.5 mm，集料灑布量為7～9 kg/m²。

值得注意的是，該次正交設(shè)計工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層上鋪裝層混合料為SMA13，與集料2.36～4.75 mm和9.5～13.2 mm粒徑的集料嵌擠效果較差，這可能對試驗(yàn)最終結(jié)果產(chǎn)生一定消極影響。考慮防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度一部分來自摩阻力，摩阻力與嵌擠效果有正相關(guān)性，工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層灑布的集料宜采用比鋪裝層混合料用集料最大規(guī)格粒徑小一個規(guī)格等級的集料，以形成良好的界面嵌擠效果。

4.4 綜合比選

為評價工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的應(yīng)用特點(diǎn)，促進(jìn)工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的應(yīng)用，該節(jié)從路用性能、施工性能和造價等方面對各典型防水黏結(jié)層和工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層的性能進(jìn)行了全面對比。

4.4.1 力學(xué)性能對比

根據(jù)上節(jié)研究成果，選擇工廠化橡膠瀝青用量1.8 kg/m²，集料粒徑4.75～9.5 mm；集料灑布量8 kg/m²成型試件測試其高溫、常溫剪切和黏結(jié)強(qiáng)度以及抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果和其他典型防水黏結(jié)層的研究成果如表4所示。

由表4試驗(yàn)結(jié)果分析可知，五種防水黏結(jié)層具有各自特點(diǎn)，其中SBS改性瀝青、兩種橡膠瀝青的力學(xué)性能較均衡，而環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青的單項(xiàng)性能較為突出。

層間黏結(jié)性能：五種防水黏結(jié)層中單組分環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層具有最高的常溫和高溫黏結(jié)強(qiáng)度，其次是現(xiàn)場濕法橡膠瀝青和工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層，SBS改性瀝青與環(huán)氧樹脂防水黏結(jié)層的常溫黏結(jié)強(qiáng)度相近，而SBS改性瀝青的高溫黏結(jié)強(qiáng)度要優(yōu)于環(huán)氧樹脂。

層間剪切性能：四種防水黏結(jié)層的抗剪切性能均滿足要求，但剪切強(qiáng)度值差異較大。環(huán)氧樹脂防水黏結(jié)層高低溫抗剪強(qiáng)度最高，工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層次之，SBS改性瀝青和現(xiàn)場濕法橡膠瀝青常溫和高溫剪切強(qiáng)度較為均衡，單組分環(huán)氧瀝青常溫抗剪強(qiáng)度較優(yōu)。

抗凍性能：環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青不僅凍融前后剪切強(qiáng)度均較大，而且凍融剪切強(qiáng)度比也較高，遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青和兩種橡膠瀝青，說明環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青的抗凍性較好。

通過對比可知，SBS改性瀝青和兩種橡膠瀝青在常溫和高溫下的力學(xué)性能較為均衡，但抗凍性能不佳，在寒冷地區(qū)反復(fù)凍融循環(huán)會顯著降低其性能；環(huán)氧樹脂常溫和高溫抗剪強(qiáng)度較高，但常溫和高溫黏結(jié)強(qiáng)度相對較小；單組分環(huán)氧瀝青常溫和高溫的黏結(jié)強(qiáng)度較突出，常溫抗剪強(qiáng)度也較高，而其高溫抗剪強(qiáng)度較小。僅從力學(xué)性能考察，五種防水黏結(jié)層材料均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇應(yīng)用。

4.4.2 施工性能對比

在室內(nèi)試驗(yàn)研究和分析的基礎(chǔ)上，該節(jié)將根據(jù)各種防水黏結(jié)層的物化性能分析和比較其施工性能。

（1）材料制備。對于上述防水黏結(jié)層，SBS改性瀝青和工廠化橡膠瀝青可由廠家直接供貨，性能較穩(wěn)定可靠；現(xiàn)場濕法橡膠瀝青需現(xiàn)場生產(chǎn)，不適宜工程量較小的橋面鋪裝工程；環(huán)氧樹脂、單組分環(huán)氧瀝青則需在現(xiàn)場拌制成品，增加了現(xiàn)場施工工序，且原材料性能和成品的均勻性較難控制，不如直接提供成品的熱瀝青方便。

（2）溫度要求。在SBS改性瀝青、現(xiàn)場濕法橡膠瀝青、工廠化橡膠瀝青、環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青四種防水黏結(jié)層中，現(xiàn)場濕法橡膠瀝青的灑布溫度最高，約在195～205 ℃之間，工廠化橡膠瀝青次之；SBS改性瀝青灑布溫度稍低，但仍維持在較高溫度，約185～190 ℃之間。環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青屬常溫灑布、冷用。從節(jié)約能源角度出發(fā)，環(huán)氧樹脂、單組分環(huán)氧瀝青節(jié)能效果較好。

（3）灑布碎石要求。為了防止防水黏結(jié)層“粘輪”和“翹皮”，現(xiàn)場濕法橡膠瀝青、工廠化橡膠瀝青、SBS改性瀝青、環(huán)氧樹脂防水黏結(jié)層均需灑布碎石，同時為了提高力學(xué)性能，確保防水黏結(jié)層與碎石的黏結(jié)，灑布碎石后緊跟采用膠輪壓路機(jī)碾壓2～3遍；而單組分環(huán)氧瀝青快干，不粘輪，不用灑布碎石。

（4）養(yǎng)生要求。SBS改性瀝青、現(xiàn)場濕法橡膠瀝青和工廠化橡膠瀝青高溫灑布后需立即進(jìn)行灑布碎石，待瀝青冷卻后再攤鋪鋪裝層混合料。環(huán)氧樹脂在常溫灑布后也需在初步固化前進(jìn)行鋪裝層材料的攤鋪碾壓，時間越長，塑性降低，黏度下降也會影響防水黏結(jié)層的性能。單組分環(huán)氧瀝青常溫灑布后需固化養(yǎng)生，待其硬化后再攤鋪鋪裝層材料，利用鋪裝層材料的高溫進(jìn)行二次固化。綜合來看，上述防水黏結(jié)層的養(yǎng)生時間相近，主要差異在于熱瀝青需冷卻，而環(huán)氧樹脂和單組分環(huán)氧瀝青需自身組分反應(yīng)完全。

5 結(jié)論

通過正交設(shè)計法對同條件下對工廠化瀝青黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）將工廠化橡膠瀝青用于防水黏結(jié)層時，集料粒徑對防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度的影響比較顯著，鋪筑過程中應(yīng)重視集料粒徑的選擇。

（2）將工廠化橡膠瀝青用于防水黏結(jié)層時，滿足常溫抗剪切強(qiáng)度的最佳組合為A2B3C2，高溫抗剪切強(qiáng)度的最佳組合為A1B2C2，常溫黏結(jié)強(qiáng)度的最佳組合為A2B3C1，高溫黏結(jié)強(qiáng)度的最佳組合為A2B1C1。

（3）在鋪裝層為SMA13的條件下，綜合性能滿足要求的工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層應(yīng)采用組合：工廠化橡膠瀝青：1.5～2.0 kg/m²；集料粒徑：4.75～9.5 mm；集料灑布量：7～9 kg/m²。

（4）工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層灑布的集料粒徑宜比鋪裝層混合料用集料最大粒徑規(guī)格少一個規(guī)格等級，以產(chǎn)生良好的嵌擠效果，提高防水黏結(jié)層抗剪性能。

（5）工廠化橡膠瀝青防水黏結(jié)層性能良好，且施工方便、綜合性能良好，可用于高速公路普通及大跨徑橋梁新建和養(yǎng)護(hù)工程的防水黏結(jié)層鋪筑。

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收稿日期：2023-09-20

作者簡介：余小晴（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程建設(shè)與管理。