钢桥面 STC 铺装结构防水粘结方案优化研究

潘正中，孙克强，吴雪柳，王 民

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广州 510623； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

大量工程案例表明，传统钢桥面存在正交异性钢桥面板易疲劳开裂、钢桥面沥青铺装易损坏等问题[1-3]。为解决上述问题，提出STC钢桥面铺装结构体系(即钢板+STC主铺装+沥青磨耗层铺装)，此体系能够显著提高桥面刚度，降低正交异性钢桥面板应力，最终减少钢桥面疲劳开裂，延长桥面铺装寿命[4-7]。上述体系中,STC层与沥青磨耗层分属刚柔性铺装，两者模量差异及层间剪应力大，易使沥青铺装层产生车辙、推移等病害，因此2层间需要设置结构性能稳定、防水能力强、粘结及抗剪能力强、抗高温变形及抗柔性变形能力强的防水粘结层。防水粘结层的优劣直接影响到桥面铺装体系的使用寿命，因此对STC铺装结构体系防水粘结层开展试验研究具有较高现实意义[8-12]。本文以运用STC铺装结构体系的广东省潮汕环线高速公路榕江特大桥工程为依托，选择现阶段典型的6种防水粘结材料进行STC铺装层与沥青混凝土层层间组合结构剪切及粘结性能室内试验，对比各种材料的性能优劣势并进行分析，推选出环氧树脂粘结剂作为防水粘结层材料，推选改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石方案作为STC铺装结构用备选防水粘结剂，供该桥桥面铺装的设计和施工参考。

1 榕江特大桥 STC 原设计铺装结构

榕江特大桥位于广东省高速公路潮汕环线高速公路段，采用跨径为(60+140+400+140+60)m的双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，主梁为全钢箱梁结构。桥面铺装设计采用STC+防水粘结层+SMA-13的新型铺装结构形式，STC 与 SMA-13 之间采用防水粘结层，大桥桥面铺装结构如图1所示。

图1 榕江特大桥 STC 铺装结构

2 防水粘结层原材料

优选6类典型防水粘结层材料及组合方案，其组成、用量及基本性能分别如表1、表2所示。

表1 防水粘结层材料

3 防水粘结层性能对比

3.1 材料粘结强度

根据JTC 975—2005《道桥用防水涂料》规范要求，采用不同温度下室内拉拔试验进行各类防水粘结层材料与STC混凝土界面间粘结性能评价。试验步骤如下：1) 运用车辙模具成型30 cm×30 cm×5 cm的STC混凝土试块，如图2(a)所示；2) 养生完成后除去STC试件表面浮浆及杂物，并对试件进行喷砂处理得到粗糙表面，如图2(b)所示；3) 在处理后的STC界面上按照表1材料及其用量进行防水粘结层涂布，并粘结试验用拉拔头，如图2(c)所示；4) 进行拉拔粘结强度试验，如图2(d)所示，试验加载速度为10 mm/min。试验结果如表3、图3所示。

从表3可以看出，相同温度条件下，环氧树脂粘结剂与STC混凝土面板的粘结强度最大，在25 ℃时，其粘结强度达到3.86 MPa；其余所有方案25 ℃粘结强度均超过0.5 MPa，方案5粘结强度为0.84 MPa；各类防水粘结剂与STC混凝土界面粘结强度由大到小依次为：环氧树脂粘结剂>改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石>改性乳化沥青+SBS改性沥青+撒布碎石>高粘改性沥青+撒布碎石>SBS改性沥青+撒布碎石>改性乳化沥青；同一类型的防水粘结层与STC混凝土界面的粘结强度均随着温度的升高呈现不同程度的降低趋势，究其原因是高温致使组分中的沥青融化，大幅降低了防水粘结层与水泥混凝土界面的粘结效果。10 ℃时方案5粘结强度超过1 MPa；40 ℃时方案3～方案6粘结强度仍能达到0.5 MPa，说明上述方案自身粘结强度高。

3.2 组合结构界面粘结及剪切强度

3.2.1 组合结构粘结强度

组合结构粘结强度大，能够有效保证STC混凝土与沥青混合料间形成整体结构而不脱落，从而确保组合结构的长期耐久性及抗疲劳特性。采用组合结构粘结强度试验进行最佳防水粘结层方案优选。按照规范要求制作STC混凝土车辙试件并打毛喷砂处理，按表1涂布量进行防水粘结剂涂刷，完成后加铺沥青混合料，养生结束后对上述试块进行切割，得到横截面为10 cm×10 cm的组合结构试件，在试件上粘结拉拔头，在试验温度10 ℃、25 ℃及40 ℃条件下，以10 mm/min的试验速率测定组合结构粘结强度。组合结构粘结强度试验示意如图4所示，不同方案试验后破坏情况如图5所示，试验结果如表4所示。

表2 防水粘结层基本性能检测结果

表3 防水粘结剂粘结强度试验结果

表4 组合结构粘结强度试验结果

图3 防水粘结剂粘结强度试验结果

图4 防水粘结剂组合结构拉拔试验

从图3及表4可知，不同温度下，环氧树脂粘结剂的拉拔强度均最高，可将STC混凝土界面破坏，其他方案粘结强度在10 ℃及25 ℃条件下均达到0.5 MPa，破坏面为防水粘结层界面，方案5在25 ℃时拉拔强度达到0.85 MPa；40 ℃条件下，除环氧树脂粘结剂的组合结构粘结强度达到0.82 MPa，其余均在0.5 MPa以下。

综上分析，各防水粘结层的组合结构粘结强度均随着温度的升高而降低。组合结构粘结强度环氧树脂粘结剂最大，改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石方案次之。

3.2.2 组合结构剪切强度

各类型的防水粘结层与STC混凝土及沥青铺装组合结构间的综合抗剪能力，根据规范要求采用室内组合结构剪切强度表征。试验时，在预制好的STC混凝土面板上涂布相应用量的防水粘结层，依次再加铺沥青混合料，对最终试件进行切割得到横切面为10 cm×10 cm的立方体组合结构试件，将组合结构试件在10 ℃、25 ℃及40 ℃条件下，烘箱保温4 h以上后，测定组合结构剪切强度，试件与加载方向夹角取45°，如图6所示，试验结果如表5所示。

图6 组合结构试件剪切

从表5可知，所有温度条件下，环氧树脂粘结剂的组合结构层间剪切强度均较其他方案高。25 ℃时，各类型防水粘结层组合结构抗剪切强度均能达到0.5 MPa以上，且除环氧树脂粘结剂外，方案4及方案5剪切强度相对较大，方案5剪切强度达到0.89 MPa。SBS改性沥青+撒碎石防水粘结剂方案在温度较低时具有较好的粘结性能，但温度超过25 ℃后，其层间抗剪切性能急剧下降。

综上分析，各类型防水粘结剂的组合结构粘结强度及剪切强度均随温度的升高而降低，其中环氧树脂粘结剂的强度最大，方案5次之，方案4较方案5略小。因此，优先推荐使用环氧树脂粘结剂作为本次防水粘结剂；另外考虑环氧树脂粘结剂的造价较常规防水粘结层材料高2～3倍，本文还推荐方案5作为本次防水粘结材料的备选方案。

表5 组合结构剪切强度试验结果

4 影响粘结性能的因素

方案5改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石方案作为防水粘结层的备选方案，在设计上国内目前没有统一的规范及配合比设计方法可供参考，凭经验调整的配合比易产生粘结性不足，致使路面使用时产生拥包、推移等病害；另外，此类防水粘结层施工时，沥青洒布与碎石撒布未能完全同步，易产生沥青温度降低、粘度增大等问题，从而影响后续碎石撒布并产生碎石被裹附面积小、沥青与碎石粘结强度低等问题。因此，调配沥青洒布量及碎石撒布量、优选适配碎石粒径等设计工艺对防水粘结层粘结性能影响至关重要，下面通过组合结构剪切试验，探究上述因素影响效果，以求得到最佳配比。

4.1 沥青洒布量影响

采用9.5 mm～13.2 mm的石灰岩碎石8 kg/m2，沥青用量分别采用1.1 kg/m2、1.3 kg/m2、1.5 kg/m2、1.7 kg/m2，成型组合结构剪切试件并进行试验，结果如图7所示。

图7 沥青洒布量影响

从图7可知，随着沥青洒布量的增加，组合结构剪切强度呈先增大后减小的趋势，而当沥青洒布量在1.5 kg/m2时，组合结构的抗剪强度达到最大，因此，推荐沥青用量为1.5 kg/m2。

4.2 碎石粒径影响

相同质量下，集料粒径不同易引起集料整体比表面积及撒布覆盖率不同，致使沥青与集料裹附程度及粘结效果出现差别，从而影响整体组合结构的粘结剂剪切性能。选取高粘改性沥青1.5 kg/m2，采用2.36 mm～4.75 mm、4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm等3种粒径的碎石70%覆盖率进行撒布，采用成型组合结构剪切试件进行试验，验证集料粒径对防水粘结层组合结构剪切强度的影响，试验结果如图8所示。

图8 碎石粒径影响

图8表明，组合结构的剪切强度随着碎石粒径的增大出现小幅的先增后减的变化，选取粒径4.75 mm～9.5 mm时，组合结构剪切强度达到最大，本文优选4.75 mm～9.5 mm粒径碎石，供本次防水粘结层使用。

4.3 碎石撒布量影响

采用沥青用量1.5 kg/m2，粒径4.75 mm～9.5 mm的石灰岩碎石分别采用0 kg/m2、4 kg/m2、8 kg/m2、11 kg/m2，成型组合结构剪切试件并进行试验，结果如图9所示。

图9 碎石撒布量影响

从图9可见，随着碎石撒布量的增加，组合结构剪切强度先增大后减小，在撒布量为8 kg/m2条件下，剪切强度达到最大。

综上所述，选择高粘改性沥青洒布量为1.5 kg/m2，采用石灰岩碎石4.75 mm～9.5 mm且按8.0 kg/m2撒布，能够得到较大的组合结构界面抗剪切强度。

5 结论

本文针对 STC 桥面铺装结构中典型的6种防水粘结层进行了各项主要性能的对比分析，得出以下结论：

1) 同一类型的防水粘结层与STC混凝土界面的粘结强度随着温度的升高呈不同程度的降低趋势；相同温度下，环氧树脂粘结剂粘结强度最大，各类防水粘结剂与STC混凝土界面粘结强度由大到小依次为：环氧树脂粘结剂(方案6)>改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石(方案5)>改性乳化沥青+SBS改性沥青+撒布碎石(方案4)>高粘改性沥青+撒布碎石(方案3)>SBS改性沥青+撒布碎石(方案2)>改性乳化沥青(方案1)。10 ℃时方案5粘结强度超过1 MPa；40 ℃时，方案3～方案6粘结强度均大于0.5 MPa，粘结强度优良。

2) 各类型防水粘结剂组合结构的粘结强度及剪切强度均随温度的升高而降低，其中环氧树脂粘结剂的强度最大，方案5强度次之，25 ℃时其粘结强度达0.85 MPa，剪切强度达0.89 MPa。优选环氧防水粘结剂作为本次防水粘结层使用，方案5改性乳化沥青+高粘改性沥青+撒布碎石可作为防水粘结剂备选材料。

3) 组合结构剪切强度均随着沥青用量、碎石粒径及碎石撒布量的增大呈先增大后减小的趋势。试验证明，选择高粘改性沥青洒布量为1.5 kg/m2，采用石灰岩碎石4.75 mm～9.5 mm且按8.0 kg/m2撒布，能够得到较大的组合结构界面抗剪切强度。