基于MTS的桥面铺装防水粘结层抗剪性能研究*

于晓贺 汪帮平 陈龙龙 游明化 罗 蓉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉西四环线高速公路建设管理有限公司2) 武汉 430056)

基于MTS的桥面铺装防水粘结层抗剪性能研究*

于晓贺1)汪帮平2)陈龙龙1)游明化2)罗 蓉1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉西四环线高速公路建设管理有限公司2)武汉 430056)

针对桥面铺装防水粘结层容易出现推移、开裂、脱离等病害的情况，选择武汉四环线工程项目为依托，设计了基于MTS(material testing system)试验系统的直剪试验夹具，制备ES-2稀浆封层和AC-5沥青砂复合试件，对其抗剪切性能进行评价.结果表明，温度对于桥面防水粘结层材料的抗剪强度影响很大，材料的抗剪性能会随着温度升高而急剧降低；AC-5沥青砂较ES-2稀浆封层抗剪强度较大，粘结效果更好；在实际工程中，水泥混凝土桥面板的失养层必须清洁干净，露出质地坚硬且洁净的界面，以避免失养层处发生剪切破坏.

防水粘结层；MTS；直剪试验；抗剪强度

0 引 言

桥面沥青混合料铺装层其物理与力学性能同桥梁结构相比有着明显的差异，即所谓的“一柔一刚”.该特性使得二者在温度变化及荷载作用下应力与位移产生不连续性，尤其是水平剪力主要由铺装层承担[1-4].沥青混合料铺装层和水泥桥面板两者的弹性模量相差数十倍，两种材料协调变形能力差，层间会产生较大剪应力，极容易出现层间脱离现象.而层间粘结减弱，沥青混合料自身内部就会承受较大剪应力，易诱发推移、拥包、撕裂等病害[5].李明国[6]对广东省87座混凝土桥梁的沥青铺装层进行了调查，发现车辙、推移、拥包病害占78.1%；郭谓彬[7]对佛山大桥14 952 m2沥青铺装层病害进行调查，认为车辙、拥包、推移是沥青铺装层的典型病害，因此，层间抗剪强度至关重要.

国内在工程实践中对于防水粘结层的问题提出较晚，在施工过程中没有引起特别的重视，同时针对桥面铺装防水粘结层抗剪性能的研究也较少，有待进一步深入.文中以武汉四环线工程项目为依托，基于先进的MTS试验系统，设计了直剪试验夹具，采用ES-2稀浆封层和AC-5沥青砂两种材料，对其防水粘结层结构的抗剪切性能进行检测，以供工程实践参考.

1 防水粘结层设计

1.1 ES-2稀浆封层配合比设计

ES-2稀浆封层采用BCR改性乳化沥青，集料采用石灰岩，图1为集料级配曲线图，图2为湿轮磨耗试验和负荷轮粘砂试验.最终确定了ES-2稀浆封层配合比的最终结果见表1.

图1 ES-2级配曲线图

图2 确定最佳沥青用量的曲线图

材料矿料BCR改性乳化沥青水质量分数/%100115

1.2 AC-5沥青砂配合比设计

AC-5沥青砂采用SBS(I-D)型改性沥青，集料为石灰岩机制砂，最佳油石比为6.5%，配合比曲线见图3.

图3 AC-5级配曲线图

2 试件制作

通过剪切试验来评价拟采用的防水粘结层的抗剪强度，采用无正压力直接剪切试验，能较好评价防水粘结层的抗剪强度.图4a)为直剪试验原理示意图，图4b)为依托现有的材料试验系统(MTS)设计的夹具.

图4 直剪试验原理及夹具实物图

抗剪强度计算公式为

(1)

式中：τ为剪应力，MPa；F为剪切力，N；S为剪切面积，m2.

在对比马歇尔模具成型试件、车辙模具成型试件之后，最终决定自制PVC模具采用旋转压实仪成型试件.

2.1 水泥混凝土试件制作

将直径11 cm的PVC管锯成高度为5 cm作为试模，在其内壁涂抹润滑油放在木板上.拌和水泥混凝土，浇筑在试模内，插捣抹平，自然养生，待第二天终凝后脱模，其中水泥混凝土的配合比见表2.水泥混凝土表面的浮浆会影响与沥青混合料的粘结，在脱模后用钢刷清理表面，自然养生7 d后备用.图5为水泥混凝土试件的制作过程，其中图5a)～d)显示了水泥混凝土试件的制作过程，图5e)～f)显示了室外试验段水泥混凝土试件制作的过程.

表2 水泥混凝土配合比

图5 水泥混凝土试件制作过程图

2.2 防水粘结层

文中主要对比ES-2稀浆封层和AC-5沥青砂两种防水粘结层类型.图6为试验过程图，图6a)表示先将水泥混凝土试件清理干净并晾干，然后涂抹PCR改性乳化沥青底涂层.经108拉拔仪测试，底涂层用量为0.3～0.4 L/m2时，拉拔强度符合≥1.0 MPa的要求，经换算为每个试件表面涂抹5.3～7.1 g.待破乳后，按照每种防水粘结层的要求铺防水粘结层.

图6 防水粘结层制作流程图

对于ES-2稀浆封层，用油毛毡将试件四周围起，上面留6 mm(稀浆封层的厚度).按照配合比计算称量矿料和水预拌均匀、然后加入一定量的BCR改性乳化沥青迅速拌和60 s，倒入预制槽并抹平，清理周围散落的碎屑.放在60 ℃烘箱中养护12 h后冷却至室温，拆除油毛毡.具体过程见图6b)～d).

对于AC-5沥青砂，按照配合比计算称量集料，放入180 ℃烘箱加热3 h以上，倒入已经预热至170 ℃的自动搅拌锅，添加一定量175 ℃的SBS改性沥青，拌和90 s后加入一定量的矿粉，继续搅拌90 s，确保搅拌均匀无花白料.称量一定质量的沥青砂(质量依据压实后的高度反复尝试确定，沥青砂设计厚度1.0 cm)分装在搪瓷碗中，放在150 ℃烘箱中保温1 h左右备用.将底涂层破乳后的水泥混凝土试件放置在旋转压实仪模具底部中央，倒入沥青砂并把表面用刮刀抹平，然后使用旋转压实仪成型，压实20次.

按照已经确定的下面层类型、配合比及最佳沥青含量拌和沥青混合料，放入温度为150 ℃的烘箱内养护1 h左右.在水泥混凝土试件表面按照防水粘结层的类型进行处理，然后放入旋转压实仪试模底部中央，装入沥青混合料，确保温度不低于135 ℃.采用按压实次数控制方式进行压实，压实次数为120次.温度降至60 ℃以下即可脱模.在室温下放置24 h，用10 cm直径的钻头取心，晾干后放置在真空干燥箱或恒温恒湿箱中养护，复合试件见图7[8].

图7 复合试件

3 直剪试验

启动MTS试验系统，将环境箱温度设置为试验温度值，待温度达到要求后将在恒温、恒湿箱中保温的试件转移至MTS环境箱，把夹具通过螺栓固定在压杆上下两端，然后调整夹具之间的距离，通过六角螺母将试件固定好.关闭环境箱等待30 min，试件温度恢复至设定温度后再进行加载.试验加载方式采用位移控制，位移速率为1 mm/min，观察控制面板监视器，待荷载出现峰值即可停止试验，取下破坏的试件.数据采集由计算机自动控制完成，设定每秒采集20个点的位移值和对应的荷载值.产生的数据文件可通过EXCEL打开进行数据分析.

依据试验数据绘制剪切力随位移变化的曲线图，典型代表见图8.在-5 ℃温度下试验，不论何种防水粘结层，剪切力达到10 kN时都未出现峰值，为保护仪器免受损坏，即刻停止试验，最大剪切力均记为10 kN.通过观察全部试验的曲线图总结得出：剪切力随着位移增大会出现峰值(-5 ℃条件下除外)，此峰值为试件发生剪切破坏时的剪切力，利用式(1)可计算出抗剪强度值；剪切力峰值对应的位移均在0.5～2 mm之间，且温度越高，剪切力峰值对应的位移越小，即温度越高，剪切破坏发生的越快[9].

图8 25 ℃及-5 ℃剪切力随位移的变化曲线图

试验方案结构类型包括ES-2稀浆封层、AC-5沥青砂、无防水粘结层(对照组)等；试验温度包括-5，15，25，35，45 ℃等.每组设置3个平行试验，抗剪强度值取平行试验的平均值.图9为不同防水粘结层在不同温度下的抗剪强度.

图9 不同防水粘结层在不同温度下的抗剪强度

4 试验结果分析

1) 温度对抗剪强度的影响 防水粘结层材料都属于沥青基材料，对温度很敏感.防水粘结层实际服役温度范围很宽，有必要研究不同温度下的抗剪强度.由图9可知，三种结构的抗剪强度值都随温度的升高而减小；高温下，抗剪强度都非常小，与实际要求有所出入，这与直剪试验的原理相关.直剪试验没有施加正压力，层间作用力是纯剪切力，而实际荷载作用下，层间会有摩阻力，层间的抗剪强度值会增大.因此，直剪试验仅适用于评价防水粘结层材料本身的优劣等级，不能直接作为层间抗剪强度容许值指标的设计.

2) 不同防水粘结层抗剪性能的对比 AC-5的抗剪强度要优于其他两种，而ES-2与对照组相差不多.从材料本身的抗剪性能来看，AC-5要优于ES-2，主要原因在于结合料的差异，SBS改性沥青的粘结效果要好于BCR改性乳化沥青.ES-2与无防水粘结层相比，抗剪强度虽相差不大，但稀浆封层具有一定防水能力，且铺筑下面层时稀浆封层材料可以嵌挤填充进入下面层底面的空隙中，形成更加致密的界面，变“点接触”为“面接触”，增加层间摩阻力.

3) 剪切破坏面特征分析 防水粘结层剪切破坏形式可分为四种(见图10)：①水泥混凝土表面失养层处发生破坏，见图10a)；②防水粘结层与水泥混凝土桥面板之间的破坏，见图10b)；③防水粘结层自身的破坏，见图10c)；④防水粘结层与沥青混凝土铺装层之间的破坏.防水粘结层剪切破坏的形式可通过观察破坏界面来判断.

图10 几种典型破坏界面实物图

本次试验中未出现第④类形式的破坏.第①类破坏是水泥混凝土表面未做任何处理，试验证明水泥混凝土表面失养层(浮浆)必须清理，具体可采用抛丸或铣刨.AC-5和无防水粘结层两种结构的破坏形式是第②类；ES-2结构的破坏形式有②③两种，并以②居多.由此说明AC-5自身的抗剪性能优于ES-2.

5 结 论

1) 稀浆封层用作防水粘结层，要保证自身的结构强度，主要可从改性乳化沥青的品质上改进，并可以通过稀浆混合料粘聚力试验检验.

2) AC-5沥青砂的抗剪强度比ES-2稀浆封层的大，粘结效果更好.

3) 直剪试验的结果可以用作评价防水粘结层材料抗剪性能优劣或划分材料抗剪强度等级，不能用来确定层间抗剪强度容许值.

4) 温度对防水粘结层材料的抗剪强度影响很大.温度升高，材料的抗剪性能会急剧降低，层间抗剪强度容许值的试验温度宜结合当地的路面设计温度确定和极端高温共同确定.

5) 水泥混凝土桥面板的失养层(浮浆)必须清洁干净，露出质地坚硬且洁净的界面，以避免失养层处发生剪切破坏.

[1]黄晓明.水泥混凝土桥面沥青铺装层技术研究现状综述[J].交通运输工程学报，2014(1):55-58.

[2]重庆交通大学.水泥混凝土桥桥面铺装与隧道路面关键技术研究报告[R].重庆:重庆交通大学,2006.

[3]罗立峰.钢纤维增强聚合物改性混凝土桥面铺装技术[M].广州：华南理工大学出版社,2004.

[4]刘红琼.水泥砼桥桥面铺装防水粘结层性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[5]周键炜.水泥混凝土桥面防水粘结层的试验研究[D].南京：南京林业大学，2009.

[6]李明国.混凝土梁桥沥青铺装结构分析与材料优化研究[D].西安：长安大学，2010.

[7]郭谓彬.佛山大桥(旧桥)桥面铺装病害及其改建技术[J].广东公路交通，1996(2):188-195.

[8]陈龙龙.高温多雨地区桥面铺装层设计与施工工艺研究[D].武汉：武汉理工大学，2016.

[9]XU Q, ZHOU Q, MEDINA C, et al. Experimental and numerical analysis of a waterproofing adhesive layer used on concrete-bridge decks[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives,2009,29(5):525-534.

Study on the Shear Performance of Waterproof-bonding Layer Based on the Material Testing System

YU Xiaohe1)WANG Bangping2)CHEN Longlong1)YOU Minghua2)LUO Rong1)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Wuhan West Fourth Line Expressway Construction Management Co., Ltd., Wuhan 430056, China)2)

For the fact that the bridge waterproof-bonding layer usually displays certain damages, such as traction and crack, this research designs a direct shear test fixture that is suitable for MTS. Composite specimens with ES-2 slurry or AC-5 asphalt mixture are fabricated. Shear strength is measured by direct shear test to evaluate the shear property of waterproof bonding layer. The test results indicate that 1) the temperature for bridge water-bonding layer has great influence on the shear strength of materials, as the temperature rises, the shear performance of materials will be reduced sharply; 2) the shear strength of AC-5 is higher than that of ES-2; 3) the laitance on bridge deck must be clear and hard, and the clean interface must be exposed to avoid shear failure from laitance.

waterproof-bonding layer; MTS; direct shear test; shear strength

2017-04-23

*交通运输部建设科技计划项目资助(2014318J22120)

U443.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.025

于晓贺(1993—)：男，硕士生，主要研究领域为路面材料、桥面铺装等