基于层间剪切试验的桥面防水黏结层性能评价研究

基于层间剪切试验的桥面防水黏结层性能评价研究

公路桥梁和城市立交桥桥面的防水黏结是确保其结构耐久性的重大措施之一。桥面铺装未设防水层或者防水效果不好，由面层渗入的水或防冻盐溶液会引起面板的损坏，甚至腐蚀主梁钢筋，威胁主梁安全。如果所设防水黏结层与桥面铺装层及桥面板间黏结力不足，水平抗剪切能力弱，则结构层的整体性不足，在水平方向上易产生相对位移并产生剪切破坏，出现推移、拥包等病害，通车后车轮的剧烈冲击和荷载的作用还会使桥面出现松散、剥落等病害，汽车重载超载情况下桥面破坏会更为严重。甚至，在桥面铺装施工时，料车、压路机等就容易将防水黏结层碾走，使得防水层起不到应有的效果，结构层水平抗剪切能力更弱，形成一种恶性循环状态。

防水黏结层为桥面板提供一个防水的无渗透性屏障，黏结层将铺装层与桥面板黏结成一个整体，充分发挥铺装层与桥面板的复合协同作用，改善桥面板与铺装层的受力情况，两者相辅相成。因此，针对桥面铺装结构层的破坏形式，进行沥青混凝土桥面铺装防水黏结层的设计与性能评价研究极为必要。

目前，高速公路工程中常用的桥面防水黏结层有：水乳性氯丁胶乳沥青防水涂料、SBS改性沥青防水黏结层、高黏度改性沥青防水黏结层、高弹性改性沥青防水层、环氧沥青防水黏结层等几种类型，其路用性能及经济性方面都存在或多或少的不足。

本文针对桥面防水黏结层的工程应用和研究现状，基于层间剪切原理设计正交试验，对比分析不同桥面防水黏结层的抗剪性能，比选出性能优越、经济合理的防水黏结层材料。

材料试验及材料制备

原材料及其技术指标检测

(1)研究中所用的SBS改性乳化沥青及橡胶沥青试验结果均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求，具体材料试验数据不赘述。

(2)其中橡胶粉密度为1.15g/cm3，无铁丝或其他杂质，纤维比例不超过0.5%，含有橡胶粉重量4%的碳酸钙，以防止胶粉颗粒相互黏结。

(3)纤维作为一种性能优异的非金属材料，纤维的应用领域极为宽泛。良好的绝缘性、耐热性和抗腐蚀性是纤维这种材料如今得到大量使用的重要原因。其主要成分是多种无机物和金属的氧化物，如二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼等，碱含量的多少决定了纤维的不同类别，可分为无碱纤维、中碱纤维和高碱纤维。本文采用采用无捻粗纱型纤维，特克

斯数TEX为2000~2600，纤维的长度为60mm，纤维盘包装采用堆积型。

沥青混凝土覆盖层与水泥混凝土板

(1)本试验研究中桥面铺装覆盖层采用AC-20矿料级配的沥青混凝土。(2)制备水泥板的材料为：P.O42.5水泥；花岗岩碎石；细度模数为2.7的中砂。其设计强度为C30，水17kg，水泥461kg，砂512kg，石料1252kg，配合比0.38:1:1.11:2.72。

试验方法与过程

防水黏结层的设计

综合工程实践经验及工程经济性，本试验研究拟设计４种不同类型的防水黏结层，分别采用改性乳化沥青、橡胶沥青以及沥青加纤维作黏结材料，不同材料的设计用量以及试验步骤如下：

改性乳化沥青＋碎石。

用量：改性乳化沥青1kg/m2。步骤：分两次，先撒一半，黑色转为褐色(破乳)后，再撒另一半，撒完后立即铺碎石。

橡胶沥青＋碎石。

用量：改性乳化沥青0.3kg/m2，橡胶沥青1kg/m2。步骤：先撒0.3kg/m2改性乳化沥青，破乳后，撒1k/m2橡胶沥青(已加热)，撒完后立即铺碎石。

改性乳化沥青＋纤维＋碎石。

用量：改性乳化沥青1kg/m2，纤维80g/m2，剪成6cm长，不要用手直接接触。步骤：先撒一半改性乳化沥青，撒纤维，再撒另一半改性乳化沥青，撒完后立即铺碎石。

橡胶沥青＋纤维＋碎石。

用量：改性乳化沥青0.3kg/m2，橡胶沥青1kg/m2，纤维80g/m2，剪成6cm长，不要用手直接接触。步骤：先撒0.3kg/m2改性乳化沥青，然后撒纤维，破乳后，撒1kg/m2橡胶沥青(已加热)，撒完后立即铺碎石。

由于试验结果受到3种或3种以上的不同因素的影响，控制变量不易，为使后续层间剪切试验结果令人信服，本文采用正交设计试验方法，综合考虑到黏结层类型、温度和预压力的影响。

层间剪切试验复合结构层的制备

为模拟经施工机械碾压成型的桥面结构复合层，本节简介其制备方法。复合层试件的质量需保证在进行层间剪切试验时水泥混凝土和沥青混凝土材料不至于被剪切散落，即保证试件破坏面为层间防水黏结层。其制备过程如下。

将铺好防水黏结层材料的水泥板放入模具中，均匀加入适量的AC-20沥青混凝土热拌料，采用车辙碾压机适当碾压使其最终成型。

车辙板成型脱模后，采用带有双面锯齿的大型切割机对车辙板进行切割，切割成边长为5cm的正方体试件，取2块防水黏结层材料相同的正方体小试块，将其一端的水泥混凝土板清洗干净，确保表面平整并且没有杂物之后，使用ＡＢ胶将试块有水泥板的两面黏结起来，静放8h，等到AB胶强度形成之后，方可用于预压及层间剪切试验。成型后该长方体试件尺寸为10cm×5cm×5cm。

层间剪切试验设备简介

本试验过程依托弘达万能材料试验仪施加压力，为保证试验的成功概率，进行剪切试验之前，必须要先对复合结构层进行预压。

预压装置安装于弘达万能试验仪上，将用水浴养护好的长方体试件从水浴养护箱取出，快速安装在预压装置中，然后将预压装置置于弘达万能试验仪的加载底座上进行加载。加载过程中慢慢拧紧4个导杆上的螺栓，当弘达万能试验仪的读数归零时，表示预压加载结束。继续拧紧螺栓，确保长方体试件被紧锁于预压装置中，平稳地取出带有长方体试件的预压装置；为了减小因螺栓松弛而导致长方体试件回弹而造成预压力的误差，控制长方体试件从恒温水中取出到预压结束的总时间在5min之内。

层间剪切设备包括钢制预压装置和剪切装置

层间剪切及其破坏面

通过正交设计得到16组试验方案，该16组试验方案，无论是力学因素控制，还是环境因素的控制，都具有一定的代表性和可行性。为保证每个方案组的试验数据的准确性和公正性，按每组4个长方体试件作为平行试验。根据各组试验的温度和预压力要求对试件进行养护和预压，为了减小因螺栓松弛而导致长方体试件回弹而造成预压力的误差，控制长方体试件从恒温水中取出到预压结束的总时间在5min之内。长方体试件在材料试验机对其进行层间剪切试验之后，每组试验方案的长方体试件均出现了不同程度的破坏，此处由于篇幅仅列出破坏面其一。

试验数据及分析

由正交设计得出16组试验方案。长方体试件破坏时对应的剪切力就是其最大剪切力，将其记为Ｆ，由于长方体试件是由完全相同的正方体小石块组成，所以它是左右对称的。

剪切强度计算结果，对比分析不同情况下不同种类防水黏结层的抗剪切强度，即对其性能进行评价，旨在比选出性能优异的防水黏结层材料。

可知：(1)层间剪切温度为40℃时4种防水黏结层的剪切强度的最大值均低于0.5MPa，然而剪切温度为20℃时4种防水黏结层的剪切强度的最小值均高于0.55MPa，易发现温度是影响桥面板和沥青混凝土层间黏结力的重要因素。(2)本试验研究设置两种剪切温度，旨在模拟常温及高温黏结层温况，20℃时可以模拟常温，40℃时可以模拟高温路表下防水黏结层的温况，据此对比4种不同材料防水黏结层的高温性能可知：橡胶沥青＋纤维＋碎石黏结层具有最优的黏结性能，黏结能力最强且高温性能稳定。(3)相同材料相同温度条件下，不同预压力时其剪切强度值相差不大，0.7MPa预压力下试验计算得剪切强度略高于1.0MPa时。(4)采用纤维增强的黏结层剪切强度远高于未用纤维增强的黏结层材料，20℃试验时计算得其剪切强度提高约33%以上，40℃试验时计算得其剪切强度提高约75%以上，同时也说明高温时纤维增强的黏结层材料具有较优的黏结能力。(5)以剪切强度为评价指标，该试验研究中4种防水黏结层材料性能优劣评价结果为(由优到劣)：橡胶沥青＋纤维＋碎石、改性乳化沥青＋纤维＋碎石、橡胶沥青＋碎石、改性乳化沥青＋碎石，因此本文最终推荐纤维增强的橡胶沥青防水黏结层应用于桥面铺装工程。

结语

(1)层间剪切温度为40℃时4种防水黏结层的剪切强度的最大值均低于0.5MPa，然剪切温度为20℃时4种防水黏结层的剪切强度的最小值均高于0.55MPa，即温度是影响桥面板和沥青混凝土层间黏结力的重要因素。

(2)采用纤维增强的黏结层剪切强度远高于未用纤维增强的黏结层材料，20℃试验时计算得其剪切强度提高约33%以上，40℃试验时计算得其剪切强度提高约75%以上，同时也说明高温时纤维增强的黏结层材料具有更优的黏结能力。可知：橡胶沥青＋纤维＋碎石黏结层具有最优的黏结性能，黏结能力最强且高温性能稳定。

(3)以剪切强度为评价指标，该试验研究中４种防水黏结层材料性能优劣评价结果为(由优到劣)：橡胶沥青＋纤维＋碎石、改性乳化沥青＋纤维＋碎石、橡胶沥青＋碎石、改性乳化沥青＋碎石，因此本文最终推荐纤维增强的橡胶沥青防水黏结层应用于桥面铺装工程。

(4)本试验研究依托自主研发的层间剪切设备可以形成一套基于层间剪切试验的桥面防水黏结层的性能评价体系。