防水粘结层不同粘结强度测试方法关联性分析

赵正峰，褚付克，张瑞杰，周珂，李豪

（1.洛阳市公路事业发展中心洛界高速公路管理处，河南 洛阳 471000；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000；3.洛阳市交通工程质量鉴定站，河南 洛阳 471000；4.河南璟信工程监理有限公司，河南 洛阳 471000）

防水粘结层作为桥面铺装结构的关键组成部分，起到衔接桥面铺装层和混凝土桥面板的作用，对桥面铺装质量、行车安全性等都有很大影响。桥面铺装层的很多损毁情况，如推移、桥面板积水都是由于防水粘结层质量缺陷引起的。因此，混凝土桥面铺装施工时，防水粘结层的选材与工艺是施工质量控制的重点。

防水粘结层间的粘结力降低或者丧失是导致钢桥面铺装层破坏的重要因素。目前，评价防水粘结层粘结性能的主要方法包括：（1）复合件剪切和拉拔强度测试，JC/T975—2005《道桥用防水涂料》中的方法测试结果精确可靠，但测试过程较繁琐，需要较长时间，导致测试结果具有滞后性：（2）附着力测试，GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》中的方法测试过程简单、迅速，但测试方法与实际铺装结构有很大差异，不能真正反应路面的粘结性能。目前不同测试方法一般均在20～25℃条件下测试，路面结构受季节影响，承受温度波动范围较大，而防水粘结层的粘结强度受温度的影响很大[1-2]。现有测试方法、条件往往不能满足施工现场检测性能指标评定的要求[3-5]。

本文结合道路施工实体工程，定量分析材料类型、混凝土桥面板粗糙度、沥青喷洒量对防水粘结层粘结性能的影响，研究温度对铺装结构层间粘结性能的影响，构建附着力和复合件拉拔强度的关系，以附着力测试结果推测出复合件的拉拔强度。

1 试验

1.1 原材料

试验采用高粘乳化沥青、水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青，其中高粘乳化沥青是在实验室由水性SBR、SBS、EVA和CR等高分子乳液按一定比例复配成的改性胶乳，与基质乳化沥青按7∶100的比例配成高粘乳化沥青，水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青为施工现场所用。不同类型沥青的主要技术性能如表1～表4所示。

表1 高粘乳化沥青的主要技术性能

表2 水性环氧沥青的主要技术性能

表3 橡胶沥青的主要技术性能

表4 SBS改性沥青的主要技术性能

1.2 使用仪器

沥青混合料试验机（UTM-30）如图1所示，利用自行设计制备的试验夹具，结合仪器自身可调节温度的特点，可进行不同条件下的拉拔试验。

1.3 试件成型

1.3.1 复合件拉拔强度测试试件

在施工现场批量制备试件，试件成型过程为：（1）利用车辙试模成型一批构造深度分别为0、0.4、0.8、1.2 mm，尺寸为300mm×300 mm×50mm的C30水泥混凝土板，进行21 d养护，用钢丝刷除去表面浮沉和污染物；（2）称取一定质量的改性沥青，用刷子在混凝土板表面涂抹均匀，室温条件下养护24 h，其中橡胶沥青和SBS改性沥青表面洒布70%分布的5～10 mm粒径碎石，水性环氧沥青养护时间为72 h；（3）待粘结层材料固化后装入300 mm×300 mm×100 mm的车辙试模，直接用从拌和站取得AC-20的SBS沥青混合料摊铺，采用车辙轮碾仪进行沥青混合料面层碾压；（4）利用双刀切割机切成尺寸为80 mm×80 mm×100mm不同类型的复合试件备用，如图2所示。

1.3.2 附着力测试试件

（1）根据复合件拉拔强度测试最佳构造深度，成型相同构造深度70mm×70mm×20 mm的砂浆试块，进行21d养护，用钢丝刷除去表面浮沉和污染物；（2）根据复合件拉拔强度测试最佳沥青喷洒量称取一定质量的改性沥青，用刷子均匀涂抹在砂浆试块表面，室温条件下养护7 d；（3）用丙烯酸树脂将拉拔试块粘结在粘结材料上，使粘结材料与拉拔试块表面完全充满丙烯酸树脂，室温下养护24 h；（4）然后沿拉拔试块边缘用刀切割涂膜至砂浆试块，如图3所示。

1.4 测试方法

复合件拉拔强度测试严格按照JC/T 975—2005以10 mm/min的速度，附着力测试参考GB/T 16777—2008以50 mm/min的速度使用沥青混合料试验机进行拉拔试验。仔细观察断裂面产生的位置（即断裂面的结构层位及其所处的位置），断裂面可能出现在拉头处、铺装层内、防水层（粘结层）等部位，同时记录断裂面占整个试验面积的比例，综合判断检测结果的可靠性。测试结果与平均值比较去除6个数据中偏离最大的值，取4个试件的平均值，精确到0.01 MPa。

2 构造深度和沥青喷洒量的影响分析

2.1 试验设计

考虑到不同因素相互关系对防水粘结层粘结性能产生不同的影响，选取不同的影响因素对粘结性能的影响进行试验。因此，本研究以复合件拉拔强度作为考察指标，选择沥青喷洒量和混凝土板构造深度作为考察因素，进行不同沥青的粘结性能试验，根据路面施工经验，高粘乳化沥青和水性环氧沥青的喷洒量分别为0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2，橡胶沥青和SBS改性沥青的喷洒量分别为1.0、1.4、1.8、2.2 kg/m2，5～10 mm粒径碎石为5.0 kg/m2；构造深度分别为0、0.4、0.8、1.2 mm。进行粘结材料不同构造深度的复合件拉拔强度试验，测试不同沥青所需的最佳构造深度；在最佳构造深度条件下，进行不同喷洒量下的复合件拉拔强度试验。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 构造深度的影响

根据施工经验，高粘乳化沥青和水性环氧沥青喷洒量为1.0 kg/m2，橡胶沥青喷洒量为1.8kg/m2，SBS改性沥青喷洒量为1.4 kg/m2，分别进行0、0.4、0.8、1.2 mm构造深度的复合试件（见图4）拉拔强度试验，结果如表5所示。

表5 不同构造深度下复合件拉拔强度测试结果

构造深度对复合件拉拔强度的影响是多种因素综合作用的结果，混凝土桥面板构造深度不同，造成表面粗糙度不同，其与沥青接触的实际有效面积也不同，层间拉拔强度也会有很大差异。0.4 mm构造深度的复合件接触面凹凸不平产生的实际接触面积大于构造深度为0的光滑接触面，并且破坏面不止发生在混凝土表面，这种现象会导致其层间粘结性增强，构造深度越大，层间粘结性能影响更明显。同时构造深度增加，混凝土板接触面积增大，导致沥青实际喷洒量降低，一旦造成沥青实际喷洒量低于最佳喷洒量，粘结性能又会进一步降低。

由表5可见，不同沥青受构造深度影响差异较大。除橡胶沥青外，其余3种沥青的复合件拉拔强度随构造深度的增大先提高后降低，在构造深度为0.8 mm时达到最大。这是由于受构造深度影响，粘结性能迅速提高；构造深度超过0.8 mm以后，随着接触面积增大，沥青实际喷洒量降低造成的影响超过构造深度增加的影响，粘结性能开始下降。橡胶沥青复合件拉拔强度随构造深度的增大持续提高，这是由于橡胶沥青喷洒量达到了1.8 kg/m2，大于最佳喷洒量，随构造深度增加进一步接近最佳喷洒量，在构造深度和喷洒量的双重作用下，复合件拉拔强度持续提高。因此，高粘乳化沥青、水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青构造深度为别设定为0.8、0.8、1.2、0.8mm。

2.2.2 沥青喷洒量的影响

选择设定的构造深度，高粘乳化沥青和水性环氧沥青的喷洒量选择分别为0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2，橡胶沥青和SBS改性沥青的喷洒量选择分别为1.0、1.4、1.8、2.2 kg/m2，复合件拉拔强度试验结果如表6所示。

表6 不同喷洒量下复合件拉拔强度测试结果

由表6可见，随着沥青喷洒量不断增加，复合件拉拔强度均是先提高后降低。当沥青喷洒量较少时，未能将混凝土板与混合料之间的结构间层完全充满，无法提供足够的粘结力；随着沥青喷洒量的增加，这一现象得到缓解，粘结强度持续提高；沥青超过复合件拉拔试验所需用量时，多余的沥青在层间会软化，产生类似润滑剂作用，导致层间抵抗变形能力减弱，拉拔强度开始下降。高粘乳化沥青、水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青具有最大复合件拉拔强度时沥青喷洒量分别为0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2。

根据上述研究可知，高粘乳化沥青、水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青在构造深度分别为0.8、0.8、1.2、0.8 mm，喷洒量分别为0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2时复合件拉拔强度达到最高。因此，设定上述构造深度和沥青喷洒量为后续试验最佳构造深度和最佳喷洒量。

3 不同方法粘结性能对比

3.1 不同温度下不同方法粘结性能试验

4种沥青以各自最佳构造深度和最佳喷洒量进行5、15、25、35、45℃的附着力试验和复合件拉拔强度试验，结果如表7所示。

表7 不同温度下附着力和复合件拉拔强度测试结果

由表7可见：

（1）4种材料具有完全相同的变化趋势，5℃时，SBS改性沥青和高粘乳化沥青复合件拉拔强度高于水性环氧沥青和橡胶沥青；随着温度升高，拉拔强度迅速降低，各材料之间拉拔强度相差减小；35℃时，拉拔强度均降至0.1 MPa以下，粘结性能几乎完全丧失；随着温度继续升高，拉拔强度平稳变化并趋近于0；45℃以后，试件完全无法测量。

（2）随着温度升高，附着力迅速降低，高粘乳化沥青和水性环氧沥青2种水性材料保持相同的变化趋势，35℃时附着力降至0.1MPa以下，丧失粘结能力。橡胶沥青和SBS改性沥青保持相同的变化趋势，相同温度下具有相近的附着力，并且远高于水性环氧沥青，35℃时仍保持0.21 MPa的附着力，45℃时附着力降至0.1 MPa以下，丧失粘结能力。

3.2 附着力和复合件拉拔强度的关系构建

附着力和复合件拉拔强度均是评价防水粘结层材料粘结性能的指标，通过构建两者之间关系，以附着力判定复合件拉拔强度，可大量减少复合件成型工作。水性环氧沥青、高粘乳化沥青在35℃时复合件拉拔强度和附着力均失去粘结性能；橡胶沥青、SBS改性沥青在35℃时复合件拉拔强度失去粘结性能，45℃时附着力失去粘结性能。因此，研究温度区间为5～35℃下的粘结强度关系。

5～35℃温度范围内，不同沥青材料的附着力与复合件拉拔强度关系如图5所示。并对其关系进行拟合，得到复合件拉拔强度y随附着力x的变化曲线，根据不同温度下测得附着力即可计算出该温度下的复合件拉拔强度关系曲线如下：

3.3 附着力和复合件拉拔强度关系验证

根据20℃时的不同沥青附着力试验结果计算复合件拉拔强度，并与实际试验结果相比较，结果如表8所示。

表8 20℃时附着力和复合件拉拔试验结果

由表8可见，20℃下复合件拉拔强度计算值均大于实际测试结果，水性环氧沥青相对误差最大，仅为5.0%，测试结果具有较高的准确性。通过附着力模拟计算出的复合件拉拔强度具有很高的参考价值，节省了复合件试验成型试件的繁琐步骤，提高了工作效率。

4 结论

（1）构造深度和喷洒量对不同沥青复合件拉拔强度影响具有明显差异，高粘乳化沥青、水性环氧沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青的最佳构造深度分别为0.8、0.8、1.2、0.8 mm，最佳喷洒量分别为0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2。

（2）随着温度升高，4种沥青的粘结性能迅速下降，并且复合件拉拔强度下降趋势相同，在35℃时失去粘结能力；水性沥青材料的附着力明显低于热沥青，在35℃时便降至0.1 MPa以下，热沥青在45℃时附着力降至0.1 MPa以下。

（3）构建了附着力和复合件拉拔强度对应关系，以不同温度下的附着力计算复合件拉拔强度，具有极高的准确性，并且节省了复合件试验成型试件的繁琐步骤，提高了工作效率。