橡胶环氧沥青碎石防水黏结层抗剪性能研究*

钱振东，薛永超，孙　健

(东南大学 智能运输系统研究中心，江苏 南京　210096)



橡胶环氧沥青碎石防水黏结层抗剪性能研究*

钱振东†，薛永超，孙健

(东南大学 智能运输系统研究中心，江苏 南京210096)

为了研究钢桥面铺装用橡胶环氧沥青碎石(REAS)防水黏结层的抗剪性能，并分析其与桥面坡度及环境温度频繁变化的关系，进行不同剪切角度和不同冻融循环次数的斜剪试验，通过剪切界面正应力与抗剪强度的线性拟合关系计算REAS防水黏结层的黏聚力及内摩擦角，并基于能量法理论对其剪切耗散能进行研究.结果表明：添加橡胶粉的环氧沥青黏结料(EA)体系内形成了新的化学交联和物理缠结，表现出更好的黏结性能、抗变形能力和低温柔韧性；不同的剪切角度及冻融循环次数下，REAS防水黏结层的抗剪强度及剪切位移均大于EA防水黏结层，表现出更好的抗剪性能.同时，REAS防水黏结层的抗剪强度随着剪切角度的增加呈幂函数减小趋势，随冻融循环次数的增加呈抛物线型衰减，5次冻融循环后，REAS防水黏结层的剪切耗散能相对于未冻融循环的剪切耗散能减小了46.0%，说明冻融循环对REAS防水黏结层的抗剪性能影响显著.

橡胶环氧沥青碎石；防水黏结层；抗剪强度;黏聚力；冻融循环；剪切耗散能

防水黏结层具有防水、黏结和应力吸收的作用，在钢桥面铺装体系中至关重要，其好坏直接影响到桥面铺装的使用周期以及桥梁结构的安全，因此各国均十分重视防水黏结层的设置.[1-3]橡胶沥青碎石封层作为一种常用的防水黏结层，被广泛应用于桥面防水铺装等工程中，表现出良好的应力过渡和防水黏结性能.[4]但是由于钢桥面所处环境的严峻性，较大的桥面坡度设置以及环境温度的频繁变化，目前工程实践中不断出现由于防水黏结层剪切破坏而产生的钢桥面铺装层脱离、推移等病害.

橡胶环氧沥青碎石(REAS)防水黏结层是一种由环氧沥青黏结料(EA)、橡胶粉及碎石构成的钢桥面用防水黏结层.其中，EA是一种热固性材料，具有优异的黏结性、热稳定性、密水性及耐腐蚀性，但是，当温度降到极低时，其固化内应力会急剧增大，直接导致其脆性变大、延展性变低、抗剪切性能下降；[5]橡胶粉是一种优良的沥青改性剂，能显著改善沥青的黏弹性、温度敏感性、弹性恢复性能以及抗剪性能.[6-7]目前对这种由热固性沥青构成的防水黏结层的研究较少[8]，尤其是其抗剪性能与桥面坡度及环境温度频繁变化的关系.

本文通过斜剪试验对比研究REAS防水黏结层与EA防水黏结层的抗剪性能，并分析REAS防水黏结层的抗剪性能与剪切角度及冻融循环次数的关系，为REAS防水黏结层在实际工程中的应用及养护提供参考.

1　原材料及试验试件制作

1.1原材料

试验研究采用的EA为钢桥面用国产环氧沥青黏结料，橡胶粉采用天津产大货车子午胎橡胶粉，所用玄武岩碎石的粒径为2.36～4.75 mm.各项原材料主要性能的技术要求及试验结果见表1.

表1　原材料主要性能技术参数及试验结果

将不同粒度及掺量的橡胶粉与EA混合，制成橡胶环氧沥青黏结料(REA)，对其进行旋转黏度试验和直接拉伸试验，根据实验结果并结合钢桥面用防水黏结层的技术要求，确定橡胶粉的最佳粒度为0.180 mm(80目)，最佳掺量为4%.以最佳粒度和掺量制作REA，表2为EA与REA的性能比较.

表2　掺加橡胶粉前后环氧沥青黏结料的性能变化

注：表中化学交联度和物理缠结2个指标，通过Mooney-Rivlin方程拟合拉伸试验应力应变曲线得到[9]；差值负值表示性能降低，正值表示性能提升.

由表2可知，REA的化学交联度远大于EA，这主要是由于橡胶粉的掺入，对EA进行沥青改性时，发生了化学反应，产生了新的化学交联；同时，添加的橡胶粉形成了网络结构，与EA形成了一定程度的物理缠结，对EA的增韧效果做出了贡献.

REA的拉伸强度、断裂延伸率及与钢板的黏结强度相对于EA分别提升了11.6%, 30.4%及6.6%，表现出更好的黏结性能、抗变形能力和低温柔韧性；黏度从0到1 Pa·s的时间略微减小，在实际工程中应相应地减小REA的施工容留时间.

对不同撒布量的REA以及碎石构成的橡胶环氧沥青碎石防水黏结层进行与钢板之间的拉拔试验，根据拉拔强度值确定REA及碎石的最佳撒布量分别是0.7 L/m2与3.0 kg/m2.

1.2斜剪试验试件制作

首先将使用环氧富锌漆进行防腐涂装处理后的钢桥面板加工成尺寸为50 mm×50 mm×14 mm的试块若干个，将环氧沥青混合料车辙板试件加工成尺寸为50 mm×50 mm×26 mm的试块若干个；接着在钢桥面板试块上撒布配制好的REA，然后在REA上均匀地撒布碎石并压实；最后将车辙板试块压在由REA和碎石构成的REAS防水黏结层上，并在120 ℃的烘箱内固化6 h，制得REAS斜剪试件，如图1所示.其中，环氧沥青混合料车辙板所用的混合料由钢桥面用2910型国产环氧沥青结合料与密级配玄武岩集料以6.5%的油石比拌合而成[10]，该混合料强度较高，可以保证在后面的斜剪试验中不会出现车辙板试块被破坏的情况；REAS防水黏结层的REA撒布量和碎石撒布量分别是0.7 L/m2与3.0 kg/m2.同时，制作由钢桥面板试块、EA及环氧沥青混合料车辙板试块构成的EA斜剪试件，与REAS斜剪试件进行对比研究.

图1　斜剪试验试件Fig.1　Specimens of oblique shear test

2　变剪切角斜剪试验及结果分析

2.1斜剪试验原理

斜剪试验可以模拟不同正压力条件下的剪切工况，与桥面实际受力状况较为接近[11]，因此本文选择通过斜剪试验进行REAS防水黏结层界面抗剪性能测试，斜剪试验装置及其试验原理如图2所示.

图2　斜剪试验装置及试验原理Fig.2　Oblique shear test apparatus and principle

试件发生剪切破坏时的荷载为P，REAS防水黏结层的剪切界面正应力和抗剪强度分别按式(1)和式(2)计算.

(1)

(2)

式中：σ为剪切界面正应力；τ为抗剪强度；P为剪切破坏荷载；A为受剪面积；α为剪切角度，即剪切面与水平面的夹角.

2.2变剪切角试验及分析

防水黏结层的抗剪强度与剪切角度密切相关，因此，文本选择多个剪切角度进行斜剪试验.文献[12-13]中的计算结果表明桥面铺装材料参数变化时，剪切角度一般在25°～30°之间，考虑桥面会存在一定坡度，剪切角度可能在25°～65°之间变化.因此，本文选取15°,30°,45°,60°及75°作为斜剪试验的剪切角度.为尽量模拟汽车快速行驶时的桥面受力状况，本文斜剪试验速率设为50 mm/min，试验温度设为23 ℃，REAS斜剪试件的试验结果如图3所示.

位移/mm图3　不同剪切角度的力-位移曲线Fig.3　Force-displacement curve under different shear angles

通过图3可以看出，随着剪切角度的增大，力-位移曲线越平缓，峰值荷载越小，表明越容易发生破坏；而且当剪切角度越小时，剪切角度的变化对峰值荷载影响越大.按照式(1)和式(2)计算不同剪切角度下的抗剪强度和正应力，REAS斜剪试件及EA斜剪试件的计算结果见表3.

表3　不同剪切角度下的试验结果

由表3可以看出，相对于EA防水黏结层，REAS防水黏结层的抗剪强度及剪切位移均有所提高，且提高的幅度随着剪切角度的增大而增大，表明REAS防水黏结层的抗剪性能优于EA防水黏结层，尤其在剪切角度较大时.根据表3中不同剪切角度时，REAS防水黏结层的抗剪强度与剪切角度及剪切界面正应力的关系，作图4所示的关系曲线图.

剪切角度/(°) (a) 抗剪强度与剪切角度

正应力/MPa (b) 抗剪强度与正应力图4　关系曲线图Fig.4　Relation curves

由图4(a)可以看出，随着剪切角度的增大，REAS防水黏结层的抗剪强度呈幂函数减小的趋势，剪切角度由15°增至30°过程中，REAS防水黏结层的抗剪强度减小了65.1%，剪切角度继续增大，抗剪强度趋于稳定.因此，在坡度较大桥段更容易发生桥面铺装的剪切破坏.

剪切角度不同时，由图4(b)得到REAS防水黏结层剪切界面正应力和抗剪强度的线性拟合方程τ=0.239 4+0.225σ，引入土力学经典剪应力方程[14]如式(3)所示：

τ=c+σtanφ.

(3)

式中：σ为剪切界面正应力；c为黏聚力；τ为抗剪强度；φ为内摩擦角.

REAS防水黏结层中，REA提供黏聚力，粗糙的碎石界面提供内摩擦角，通过式(3)以及剪切界面正应力和抗剪强度的线性拟合方程可以计算出REAS防水黏结层的黏聚力为0.24 MPa，内摩擦角为12.7°.

3　冻融循环斜剪试验及结果分析

3.1冻融循环斜剪试验

钢桥面铺装结构完全处于自然环境中，经受高温浸水和冰冻作用，对防水黏结层的性能要求更高[15].为评价冻融循环作用对REAS防水黏结层及EA防水黏结层抗剪强度的影响，本文设计不同冻融循环次数下的斜剪试验，冻融循环周期为“-15 ℃低温8 h+60 ℃水浴16 h”，剪切角度为15°，剪切速率为50 mm/min，试验温度为23 ℃，试验结果见表4.

表4　不同冻融循环次数下的试验结果

由表4可以看出，不同冻融循环次数下，REAS防水黏结层的抗剪强度及剪切位移均大于EA防水黏结层. 5次冻融循环作用后，相对于EA防水黏结层，REAS防水黏结层的抗剪强度及剪切位移分别提高了97.8%及90.9%.

为了更加直观地评价冻融循环作用对REAS防水黏结层抗剪强度的影响程度，本文引入冻融循环抗剪强度比，即试件经n次冻融循环后抗剪强度与为未经冻融循环抗剪强度的百分比，如图5所示.

冻融循环次数图5　冻融循环次数与抗剪强度比的关系Fig.5　Relation between freeze-thaw cycle times and shear strength ratio

由图5可知，随着冻融循环次数的增加，REAS防水黏结层的抗剪强度呈抛物线型衰减，经过3次冻融循环作用后，抗剪强度比仍在90%以上，抗剪性能比较稳定；5次冻融循环作用后，抗剪强度比降至63.1%，性能下降显著.同时，剪切界面出现明显的水损坏，粒径偏大的碎石基本脱落，沥青层多处发生剥落，表明多次冻融循环将加速黏结界面的破坏，冻融循环作用对REAS防水黏结层的抗剪性能影响显著.

3.2能量法理论分析

为深入了解REAS防水黏结层的剪切破坏过程，剖析剪切破坏机理，引入剪切耗散能指标，具体表示斜剪设备由加载至试件发生剪切破坏需要损耗的能量，按式(4)计算.

(4)

式中：Wτ为剪切耗散能；F为加载力；l为竖向位移；lτ为剪切破坏时的位移.对不同冻融循环次数的REAS斜剪试件的力-位移曲线进行积分，得到剪切耗散能，如图6所示.

冻融循环次数图6　不同冻融循环次数的 剪切耗散能计算结果Fig.6　Calculation results of shear dissipated energy under different freeze-thaw cycle times

从图6可知，随着冻融循环次数的增加，REAS防水黏结层的剪切耗散能呈减小趋势，且减小的速度越来越快，与冻融循环抗剪强度比的变化规律基本一致．5次冻融循环后剪切耗散能较未冻融减小了46.0%，可见冻融循环将显著影响REAS防水黏结层的抗剪性能.

4　结　论

1)掺入橡胶粉后的环氧沥青黏结料体系内形成了新的化学交联和物理缠结，拉伸强度、断裂延伸率及与钢板的黏结强度分别提升了11.6%, 30.4%及6.6%，表现出更好的黏结性能、抗变形能力和低温柔韧性.

2)不同的剪切角度及冻融循环次数下，REAS防水黏结层的抗剪强度及剪切位移均大于EA防水黏结层，表现出更好的抗剪性能.

3)随着剪切角度的增大，REAS防水黏结层的抗剪强度呈幂函数减小的趋势；不同剪切角度时，REAS防水黏结层的剪切界面正应力和抗剪强度呈线性变化，通过其拟合方程得到REAS防水黏结层的黏聚力为0.24 MPa，内摩擦角为12.7°.

4)随着冻融循环次数的增加，REAS防水黏结层的抗剪强度呈抛物线型衰减；经过3次冻融循环作用后，REAS防水黏结层的冻融循环抗剪强度比仍在90%以上，抗剪性能比较稳定，5次冻融循环作用后，冻融循环抗剪强度比降至63.1%，抗剪强度下降显著；剪切耗散能随冻融循环次数变化的规律与抗剪强度基本一致，表明多次冻融循环将加速铺装界面的破坏，冻融循环作用对REAS防水黏结层的抗剪性能影响显著.

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Shear Performance of Waterproof Cohesive Layer of Rubber Epoxy Asphalt Stone

QIAN Zhen-dong†，XUE Yong-chao，SUN Jian

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu210096, China)

This paper studied the shear performance of waterproof cohesive layer of a rubber epoxy asphalt stone (REAS)on steel deck pavement, and examined the relationships between the shear performance and the frequent change of bridge slope and environment temperature. Firstly, the oblique shear tests were conducted under different shear angles and freeze-thaw cycle times. Considering the linear relationship between normal stress and shear strength, the cohesive force and the internal friction angle of REAS waterproof cohesive layer were calculated. According to the energy method, shear dissipated energy was analyzed. The test results showed that new chemical cross linking and physical entanglement occurred in the epoxy asphalt binder with rubber power, which exhibits better bonding performance, anti-deforming capability and cryogenic flexibility. Under different shear angles and freeze-thaw cycle times, the shear strength and shear displacement of REAS waterproof cohesive layer were greater than those of EA waterproof cohesive layer. It is demonstrated that the REAS waterproof cohesive layer has better shear performance. On the other hand, the shear strength of the REAS waterproof cohesive layer decreased as a power function with the increase of the shear angle, while it decreased as a parabolic curve with the increase of freeze-thaw cycle times. After five freeze-thaws cycle times, the shear dissipated energy of REAS waterproof cohesive layer decreased by 46.0%, which indicates that the freeze-thaw cycles significantly influenced the shear performance of REAS waterproof cohesive layer.

rubber epoxy asphalt stone (REAS)；waterproof cohesive layer；shear strength；cohesive force;freeze-thaw cycles；shear dissipated energy

1674-2974(2016)07-0082-06

2015-08-27

国家自然科学基金资助项目(51178114), National Natural Science Foundation of China(51178114)

钱振东(1969-)，女，江苏南通人，东南大学教授，博士生导师

†通讯联系人，E-mail: qianzd@seu.edu.cn

U416.217

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