防水黏结材料的应用性能及其适用性

卫颖颖, 何文敏, 宁 波

(陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714000)

0 引 言

近年,随着交通建设的快速发展,桥梁工程日益增加,在其施工过程中,桥面铺装的防水黏结层具有重要作用,其工程意义在于不仅能保证上层铺装结构能较好的承受上部行车荷载,还能有效保护下部结构免受不利化学物质的侵害;若防水黏结层遭受破坏,可能造成上部结构与下部结构出现脱空现象,缩短桥梁寿命,因此,开展桥面铺装防水黏结材料研究具有重要意义[1-3]。在以往研究成果中,苏忍让等[4]利用室内试验分析了环氧沥青的力学性能。周少林等[5]则利用室内试验对比分析了3种不同防水黏结材料的力学指标。上述两者虽在防水黏结材料性能研究方面取得了一定成果,上述研究均未涉及防水黏结材料疲劳性能的研究。同时,防水黏结材料的适用性是多方面的,室内试验难以实现全面分析,进而有学者利用层次分析法构建防水黏结材料的适用性评价模型[6-7],因此,以其构建防水黏结材料的适用性评价模型是可行的。

笔者以SBS改性沥青、国产环氧沥青及二阶反应黏结材料为研究对象,先通过试验分析各类防水黏结材料的强度性能及疲劳性能,以充分掌握其应用性能;其次,利用层次分析法和模糊理论构建不同防水黏结材料的适用性评价模型,以评价其工程适用性。以期为桥梁工程施工提供一定的指导依据。

1 应用性能对比试验

1.1 试验设计

目前,桥面铺装的防水黏结材料主要有三类:即热塑性SBS改性沥青(SBS改性沥青)、国产HLN-7611环氧沥青(国产环氧沥青)及二阶反应型防水黏结材料(二阶反应黏结材料)。

防水材料的应用性能是多方面的,考虑到强度指标可直接反应防水黏结材料的使用性能,且其疲劳特征是其长期适用性的直观体现,因此,本次试验性能研究主要从此两方面开展。

1.2 强度性能试验

在试验过程中,试件采用的是直径为100 mm的圆柱体,成件方法为成型双层车辙板法,其技术要求为:下层混凝土块强度不低于C50,尺寸为300 mm×300 mm×50 mm,而上层采用AC-10的国产环氧沥青混合料,层间则涂抹不同类型、不同用量的防水黏结材料,待养护完成后,用直径100 mm的钻具取芯即可。

不同材料用量的试验要求:养护温度为20 ℃,材料用量按四组设定,具体用量标准依据防水黏结材料类型确定。

不同温度下的试验要求:待取芯完成后,将试件放入相应试验温度(-15、20、45 ℃)下保温6 h,然后再进行剪切试验和拉拔试验;同时,在试验过程中,试验机环境箱的温度也应调至相应的试验温度,以确保试验结果不受环境温度影响,且剪切试验和拉拔试验的试验速率为1.2 mm/min。

值得指出的是,防水黏结材料的强度性能影响因素相对较多,如沥青用量、温度、粗糙度及清洁度等,为充分掌握各类防水黏结材料强度性能,对前述4类影响因素均进行分析。

1.3 疲劳性能试验

为保证疲劳性能试验结果的准确性,采用两种疲劳性能试验对比分析[8-10],即4PB疲劳试验和OT疲劳试验,两者的基本原理如下。

1.3.1 4PB疲劳试验

据美国《Standard test method for determining fatigue failure of compacted asphalt concrete subjected to repeated flexural bending》标准,4PB疲劳试验过程中的试件尺寸为380 mm×63.5 mm×50mm,加载波形为半正弦波,加载频率为10 Hz,试验温度为20 ℃,并通过试验成果得到归一化劲度次数比值NM为

(1)

式中:Si——第i次时的劲度模量;

Ni——加载次数;

S0——第50次加载的劲度模量;

N0——初始加载数,取50。

由于沥青具有较强的韧性和弹性,使得发生一半初始模量时的混凝土还未达到破坏,因此,提出以劲度模量减少50%时作为试验结束标准,并将其对应的劲度次数比值NfM作为4PB疲劳试验的疲劳性评价指标,其值越大,说明其抗疲劳性能相对越好。

同时,为掌握应变与疲劳寿命间的关系,统计4个应变水平,即200、300、400和500 μm·m-1。

1.3.2 OT疲劳试验

据美国《Test procedure for the overlay test》标准,OT疲劳试验过程中的试件尺寸为圆柱体,且直径为150 mm,高度为38 mm;加载波形为三角波,加载周期为0.1 Hz,试验温度为20 ℃,终止条件为初始力下降93%或达到1 000次,并记其疲劳寿命为Nf,其值越大,也说明其抗疲劳性能相对越好。

2 试验结果分析

2.1 强度试验结果

2.1.1 沥青用量

对3种防水黏结材料进行剪切试验和拉拔试验,结果如表1所示。其中,m为沥青用量。

表1 3种防水黏结材料的剪切、拉拔试验结果Table 1 Shear and pull-out test results of three waterproof bonding materials

由表1可知,3种材料在不同沥青用量条件下的剪切强度和拉拔强度存在明显差异,侧面说明进行不同沥青用量条件下的强度性能分析是必要性。强度特征表现为:随材料用量增加,剪切强度和拉拔强度具先增加后减小趋势,说明防水黏结材料的用量并非越多越好,存在最优材料用量;同时,在最优材料用量处,剪切强度均略大于拉拔强度,并通过统计,得SBS改性沥青、国产环氧沥青及二阶反应黏结材的最优材料用量分别为2.0、1.0和0.5 kg/m2。

2.1.2 温度

在前述确定各黏结材料最优材料用量基础上,本节进一步探讨各类黏结材料在-15、20、45 ℃三种温度条件下的力学性能特征

(1)温度对剪切强度的影响

对不同温度条件下的试件进行剪切试验,所得结果如图1所示。由图1可知,剪切强度的变化主要表现为:随温度升高,剪切强度呈大幅度的下降趋势,其中,SBS改性沥青在-15 ℃条件下的剪切强度约为20 ℃条件下的3.5倍、45 ℃条件下的5.5倍;国产环氧沥青在-15 ℃条件下的剪切强度约为20 ℃条件下的1.8倍、45 ℃条件下的3.2倍;二阶反应黏结材料在-15 ℃条件下的剪切强度约为20 ℃条件下的2.8倍、45 ℃条件下的5倍。

同时,国产环氧沥青的剪切强度始终大于其余2类黏结材料,其中,在-15 ℃条件下,国产环氧沥青的剪切强度比SBS改性沥青及二阶反应黏结材料的剪切强度分别高21%和16%;在20 ℃条件下,国产环氧沥青的剪切强度比SBS改性沥青及二阶反应黏结材料的剪切强度分别高160%和82%;在45 ℃条件下,国产环氧沥青的剪切强度比SBS改性沥青及二阶反应型黏结材料的剪切强度分别高105%和80%,得出国产环氧沥青在不同温度条件下均具相对最高的剪切强度。

剪切试验结果表明,随温度增大,各类防水黏结材料的剪切强度呈现出较大幅度的降低,但降低幅度不尽相同,以国产环氧沥青的降低幅度相对最小,且国产环氧沥青在相应温度条件下均具相对最大的剪切强度,较其他材料更能抵抗剪切变形破坏。

(2)温度对拉拔强度的影响

类比前述,也对不同温度条件下的试件进行拉拔试验,所得结果如图2所示。由图2可知,3类黏结材料在不同温度条件下的拉拔强度也存在明显差异,主要表现为:随温度增加,拉拔强度趋于减小,其中,SBS改性沥青在-15 ℃条件下的拉拔强度是20 ℃条件下的2倍、45 ℃条件下的4.7倍;国产环氧沥青在-15 ℃条件下的拉拔强度是20 ℃条件下的1.5倍、45 ℃条件下的4.3倍;二阶反应黏结材料在-15 ℃条件下的拉拔强度是20 ℃条件下的1.6倍、45 ℃条件下的4.5倍。

同时,国产环氧沥青的拉拔强度始终大于其余2类黏结材料,其中,在-15 ℃时,国产环氧沥青的拉拔强度比SBS改性沥青及二阶反应黏结材料的拉拔强度分别高73%和64%。在20 ℃时,国产环氧沥青的拉拔强度比SBS改性沥青及二阶反应黏结材料的拉拔强度分别高81%和35%。在45 ℃时,国产环氧沥青的拉拔强度比SBS改性沥青及二阶反应黏结材料的拉拔强度分别高63%和47%,得出国产环氧沥青在相应温度条件下均相对最高的拉拔强度。

拉拔试验结果表明,随温度增大,3类防水黏结材料的拉拔强度也呈不同幅度的降低,且国产环氧沥青的减小程度相对最小;同时,在相应温度条件下,国产环氧沥青的拉拔强度始终最高,得出其较其他材料更能抵抗抗拔变形破坏。

2.1.3 粗糙度

结合工程实际,将粗糙度划分为四级,即40、60、80和100 μm。首先,统计3类防水黏结材料在不同粗糙度条件下的抗剪强度,结果如表2所示。

表2 不同粗糙度条件下的抗剪强度结果Table 2 Shear strength results under different roughness conditions

由表2可知,随粗糙度的增加,各类防水黏结材料的抗剪强度具增加趋势,但粗糙度由60 μm提升至80 μm时的抗剪强度增加值相对最大,其后粗糙度的增加对其抗剪强度影响有限;在相应粗糙度条件下,以国产环氧沥青的抗剪强度相对最大,说明国产环氧沥青对粗糙度的适用性也相对最好。

其次,再对3类防水黏结材料在不同粗糙度条件下的抗拔强度进行统计,结果如表3所示。由表3可知,各类防水黏结材料的抗拔强度随粗糙度的增加而增加,也以粗糙度由60 μm提升至80 μm时的抗拔强度增加值相对最大,其后抗拔强度的增加量也趋于平稳;在相应粗糙度条件下,也以国产环氧沥青的抗拔强度相对最大,说明其不仅具有相对最好的抗剪强度,还具相对最优抗拔强度。

表3 不同粗糙度条件下的抗拔强度结果Table 3 Tensile strength results under different roughness conditions

粗糙度影响规律表明,粗糙度对各类防水黏结材料的抗剪强度和抗拔强度具有直接影响,两者强度值随粗糙度增加而增加,但增加幅度均是在80 μm时相对最大,说明粗糙度为80 μm较为适宜。

2.1.4 清洁度

结合工程实际,将清洁度划分为四级,即Sa1.0、Sa2.0、Sa2.5、Sa3.0。类比粗糙度影响规律分析过程,也先对3类防水黏结材料在不同清洁度条件下的抗剪强度进行统计,结果如表4所示。

表4 不同清洁度条件下的抗剪强度结果Table 4 Shear strength results under different cleanliness conditions

由表4可见,清洁度由Sa1.0增加至Sa3.0,抗剪强度随之增加,但增加速率呈先增加后减小趋势,以粗糙度为Sa2.5的增加速率相对最大,且相应清洁度条件下,国产环氧沥青的抗剪强度相对最大。

其次,3类防水黏结材料在不同清洁度条件下的抗拔强度统计结果,如表5所示。由表5可见,抗拔强度亦随清洁度增加而增加,以粗糙度为Sa2.5时的增加速率相对最大;在相应清洁度条件下的抗拔强度,也是以国产环氧沥青的抗剪强度相对最大,其次是二阶反应黏结材料和SBS改性沥青。

表5 不同清洁度条件下的抗拔强度结果Table 5 Tensile strength results under different cleanliness conditions

清洁度影响规律表明,清洁度对防水黏结材料的抗剪强度和抗拔强度具有直接影响,以粗糙度为Sa2.5时的适宜性最佳,且国产环氧沥青的粗糙度的适应性相对最强。

2.2 疲劳试验结果

2.2.1 4PB疲劳试验结果

3类防水黏结材料的4PB疲劳试验结果,如表6所示。

表6 4PB疲劳试验结果Table 6 4PB fatigue test results

由表6可见,3类防水黏结材料随应变速率v增加,疲劳寿命随之增加;在相应应变速率条件下,国产环氧沥青的劲度模量和NfNM值均相对最大,且具相对更小的变异系数,说明其不仅具有相对更优的疲劳性能,还具有相对更强的稳定性。

2.2.2 OT疲劳试验结果

类比,也进行3类防水黏结材料的OT疲劳试验,为保证试验结果的准确性,进行了4次重复试验,结果如表7所示。由表7可见,国产环氧沥青的Nf均值相对最大,为974.6次,变异系数为1.71%。二阶反应黏结材料的Nf均值相为914.6次,变异系数为3.07%。SBS改性沥青的Nf均值为931.7次,变异系数为4.79%。三者对比,以国产环氧沥青具相对更优的抗疲劳特性,且稳定性也相对最优。

表7 OT疲劳试验结果Table 7 OT fatigue test results

对比4PB疲劳试验和OT疲劳试验的试验结果,得出3类防水黏结材料的抗疲劳特性存在一定差异,但两者结果均得出国产环氧沥青具相对更优的抗疲劳特性,且试验结果的稳定性也相对最佳。

3 适用性评价模型

3.1 评价模型的构建

首先,结合相关文献[11-14]研究成果,利用层次分析法构建桥面铺装防水黏结材料适用性评价模型的层次结构,如图3所示。

图3 防水黏结材料的适用性评价模型Fig. 3 Applicability evaluation model of waterproof bonding material

该防水黏结材料的适用性评价模型具有三层结构特征,目标层为各类防水黏结材料的适用性总评价,其下含两层评价指标,即一级评价指标和二级评价指标,其中,一级评价指标3个,二级评价指标9个。

其次,桥面铺装防水黏结材料的适用性评价方法为P×C分级法,其实现过程可分为三个步骤:其一,评价指标的权值求解;其二,评价指标的隶属度求解;其三,评价指标的适用性评分及评价。

(1)评价指标的权值求解

利用1-9标度法具有操作简单、适用性强等优点,进而利用其实现评价指标的权值求解,其求解步骤为:

①构建判断矩阵。按照1-9标度法基本原理,通过对比不同评价指标间的相对重要性,构建出判断矩阵,且矩阵元素间具有相对独立性,且属互反矩阵。

②一致性检验。由于判断矩阵中存在多个评价指标,且各指标间的重要性判别是相对独立的,进而难以保证所有元素间相对重要性判别的一致性,因此,需对判断矩阵进行一致性检验,以验证其合理性。检验过程为:先求得判断矩阵的最大特征值λmax,并利用其计算得到CI值为

(2)

式中,n——评价指标数量。

若判断矩阵完全合理,则CI值应为0,但难以完全做到,因此,在求得CI值基础上,结合误差控制值RI,进一步计算得到CR值为

(4)

式中,CR——一致性比率值。

一般情况下,认为CR值小于0.1时,说明判断矩阵是满足一致性检验的;反之,不满足一致性检验,需对判断矩阵进行重新构建,直至满足一致性检验要求。

③权值计算。当满足一致性检验时,进一步求解最大特征值λmax对应的特征向量,并对其进行归一化处理,所得归一化值即为对应的权重值。

(2)评价指标的隶属度求解

模糊理论是隶属度的常用求解方法,其中,专家法可将定性评价合理转变为定量评价,可操作性较强,但是,不同专家的工程经验是不同的,使得其评价结果的可信度也存在不同,为切实保证隶属度评价结果的准确性,提出对不同专家的隶属度评价结果进行区别对待,即老专家的评价结果较为可信,而工程经验相对较少的专家需对其隶属度评价结果进行折减处理,具体标准如表8所示。

表8 专家法的隶属度折减标准 Table 8 Reduction standard of membership degree of expert method

(3)评价指标的适用性评分及评价

前述已求得各评价指标的权值和隶属度,再利用P×C分级法进行各评价指标的适用性评分及评价;同时,在评价过程中,将桥面铺装防水黏结材料的适用性等级划分四级,各级的评分标准和评价如表9所示。

表9 评价指标的适用性分级及评价 Table 9 Applicability classification and evaluation of evaluation indexes

3.2 适用性评价分析

鉴于前述试验性能分析结果显示国产环氧沥青具有相对更优的应用性能,进而该文以其为例,进行适用性评价的详细分析。

3.2.1 国产环氧沥青的适用性评价

(1)评价指标的权值求解

按照论文思路,利用1-9标度法求解各评价指标的权值,并提出以路用性能因素B2的二级指标为例,详述其求解过程,具体如下:

①构建判断矩阵。通过对比B21～B25指标的相对重要性,构建其判断矩阵,如表10所示。

表10 B21～B25指标的判断矩阵Table 10 Judgment matrix of B21-B25 indexes

②一致性检验。经计算,得到判断矩阵的λmax= 5.11,通过计算得CI=(5.11-5)/(5-1)=0.028,再计算得到CR=0.028/1.12=0.025<0.1,满足一致性检验。

③权值求解。前述分析表明判断矩阵满足一致性检验,并通过计算得到最大特征值对应的特征向量b=[0.120, 0.235, 0.514, 0.797, 0.177],对其进行归一化处理,得到B21～B25指标对应的权值为[0.065, 0.127, 0.279, 0.432, 0.096]。

同时,其余评价指标的权值也按照上述过程进行求解,得到各适用性评价指标的权值,如表11所示。

表11 各适用性评价指标的权值计算结果Table 11 Weight calculation results of each applicability evaluation index

(2)评价指标的隶属度求解

据论文思路,该文利用专家法确定各适用性评价指标的隶属度,经统计,本次共计邀请29名专家进行隶属度评分,并按照表9中的标准进行折减综合,得到各适用性评价指标的隶属度值,如表12所示。

表12 各适用性评价指标的隶属度计算结果Table 12 Calculation results of membership degree of each applicability evaluation index

(3)评价指标的适用性评分及评价

前述已求解得到各评价指标的权值和隶属度,再利用P×C分级实现各评价指标的适用性评分及评价,即:

①二级指标的适用性评分及评价

以表12中的隶属度为基础,结合表9中的重要性分,得到二级指标的适用性评价结果,如表13所示。

表13 二级指标的适用性评价结果 Table 13 Applicability evaluation results of secondary indicators

由表13可知,不同二级指标的适用性得分存在一定差异,说明国产环氧沥青在各二级指标中的适用性是不同的,其中,低温抗裂性B24指标的重要性得分相对最高,达84.73,适用性等级为四级,而工艺成本C32指标的重要性得分相对最低,值为65.09,但适用性等级也为三级,说明国产环氧沥青对各类二级指标的适用性等级相对均较高。同时,适用性等级属四级的二级指标有4个,所占比例为44.44%,即就该4个二级指标而言,均属国产环氧沥青的优势,初步说明其非常适用于作为桥面防水黏结材料;而适用性等级属三级的二级指标有5个,所占比例为55.56%,即就该5个二级指标而言,国产环氧沥青基本适用于作为桥面防水黏结材料。

②一级指标的适用性评分及评价

类比,也对3个一级指标进行适用性评分及评价,结果如表14所示。由表14可知,路用性能因素B2指标的适用性得分相对最高,达83.11,其次是强度性能因素A1指标和成本性能因素C3,其中,前两者的适用性等级为四级,而成本性能因素C3指标的适用性等级为三级。

表14 一级指标的适用性评价结果Table 14 Applicability evaluation results of first level indicators

③目标层的适用性评分及评价

最后,再对国产环氧沥青的整体适用性进行评价,得其适用性总得分F为

[85.77]

经计算,国产环氧沥青的整体适用性得分为85.77,适用性等级属四级,其非常适用于作为桥面防水黏结材料。

3.2.2 不同防水黏结材料的适用性对比

类比前述国产环氧沥青的适用性评价过程,再对其余2类防水黏结材料进行适用性评价,结果如表15所示。由表15可知,3种防水黏结材料的适用性得分存在明显差异,侧面验证了进行适用性评价的必要性,其中,国产环氧沥青的重要性得分相对最高,为85.77,其次为二阶反应黏结材粒和SBR改性乳化沥青,且仅国产环氧沥青的适用性等级属四级,其余2类防水黏结材料的重要性等级均属三级,因此,国产环氧沥青作为桥面铺装防水黏结材料的适用性相对最强。

表15 不同防水黏结材料的适用性评价结果 Table 15 Applicability evaluation results of different waterproof and bonding materials

对比前述不同防水材料的试验性能和适用性评价结果,得出国产环氧沥青不仅具有相对更优的应用性能,还具有相对更高的适用性评价得分,较其余2类防水黏结材料具有显著的优越性,非常适用于作为桥面防水黏结材料。

4 结 论

(1)沥青用量、温度、粗糙度及清洁度对防水黏结材料的强度性能均有影响,且影响规律存在一定差异,并经对比,得出国产环氧沥青不仅具有相对更优的力学性能,还具较强的抗疲劳特性。

(2)经适用性模型的评价,国产环氧沥青的整体适用性得分为85.77,适用性等级属四级,较其余2类防水黏结材料具有显著的优越性,国产环氧沥青的在桥梁铺装过程中的适用性最强。

(3)文章从应用性能和适用性评价两方面开展了防水黏结材料的相关研究,建议后续可在此基础上,进一步引入新型复合材料开展类似研究,以便更好指导施工。