基于MTS的橋面鋪裝防水粘結(jié)層抗剪性能研究*

于曉賀 汪幫平 陳龍龍 游明化 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢西四環(huán)線高速公路建設(shè)管理有限公司2) 武漢 430056)

基于MTS的橋面鋪裝防水粘結(jié)層抗剪性能研究*

于曉賀1)汪幫平2)陳龍龍1)游明化2)羅 蓉1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢西四環(huán)線高速公路建設(shè)管理有限公司2)武漢 430056)

針對(duì)橋面鋪裝防水粘結(jié)層容易出現(xiàn)推移、開裂、脫離等病害的情況，選擇武漢四環(huán)線工程項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)了基于MTS(material testing system)試驗(yàn)系統(tǒng)的直剪試驗(yàn)夾具，制備ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂復(fù)合試件，對(duì)其抗剪切性能進(jìn)行評(píng)價(jià).結(jié)果表明，溫度對(duì)于橋面防水粘結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度影響很大，材料的抗剪性能會(huì)隨著溫度升高而急劇降低；AC-5瀝青砂較ES-2稀漿封層抗剪強(qiáng)度較大，粘結(jié)效果更好；在實(shí)際工程中，水泥混凝土橋面板的失養(yǎng)層必須清潔干凈，露出質(zhì)地堅(jiān)硬且潔凈的界面，以避免失養(yǎng)層處發(fā)生剪切破壞.

防水粘結(jié)層；MTS；直剪試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度

0 引 言

橋面瀝青混合料鋪裝層其物理與力學(xué)性能同橋梁結(jié)構(gòu)相比有著明顯的差異，即所謂的“一柔一剛”.該特性使得二者在溫度變化及荷載作用下應(yīng)力與位移產(chǎn)生不連續(xù)性，尤其是水平剪力主要由鋪裝層承擔(dān)[1-4].瀝青混合料鋪裝層和水泥橋面板兩者的彈性模量相差數(shù)十倍，兩種材料協(xié)調(diào)變形能力差，層間會(huì)產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，極容易出現(xiàn)層間脫離現(xiàn)象.而層間粘結(jié)減弱，瀝青混合料自身內(nèi)部就會(huì)承受較大剪應(yīng)力，易誘發(fā)推移、擁包、撕裂等病害[5].李明國(guó)[6]對(duì)廣東省87座混凝土橋梁的瀝青鋪裝層進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)車轍、推移、擁包病害占78.1%；郭謂彬[7]對(duì)佛山大橋14 952 m2瀝青鋪裝層病害進(jìn)行調(diào)查，認(rèn)為車轍、擁包、推移是瀝青鋪裝層的典型病害，因此，層間抗剪強(qiáng)度至關(guān)重要.

國(guó)內(nèi)在工程實(shí)踐中對(duì)于防水粘結(jié)層的問(wèn)題提出較晚，在施工過(guò)程中沒有引起特別的重視，同時(shí)針對(duì)橋面鋪裝防水粘結(jié)層抗剪性能的研究也較少，有待進(jìn)一步深入.文中以武漢四環(huán)線工程項(xiàng)目為依托，基于先進(jìn)的MTS試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了直剪試驗(yàn)夾具，采用ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂兩種材料，對(duì)其防水粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的抗剪切性能進(jìn)行檢測(cè)，以供工程實(shí)踐參考.

1 防水粘結(jié)層設(shè)計(jì)

1.1 ES-2稀漿封層配合比設(shè)計(jì)

ES-2稀漿封層采用BCR改性乳化瀝青，集料采用石灰?guī)r，圖1為集料級(jí)配曲線圖，圖2為濕輪磨耗試驗(yàn)和負(fù)荷輪粘砂試驗(yàn).最終確定了ES-2稀漿封層配合比的最終結(jié)果見表1.

圖1 ES-2級(jí)配曲線圖

圖2 確定最佳瀝青用量的曲線圖

材料礦料BCR改性乳化瀝青水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%100115

1.2 AC-5瀝青砂配合比設(shè)計(jì)

AC-5瀝青砂采用SBS(I-D)型改性瀝青，集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，最佳油石比為6.5%，配合比曲線見圖3.

圖3 AC-5級(jí)配曲線圖

2 試件制作

通過(guò)剪切試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)擬采用的防水粘結(jié)層的抗剪強(qiáng)度，采用無(wú)正壓力直接剪切試驗(yàn)，能較好評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層的抗剪強(qiáng)度.圖4a)為直剪試驗(yàn)原理示意圖，圖4b)為依托現(xiàn)有的材料試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS)設(shè)計(jì)的夾具.

圖4 直剪試驗(yàn)原理及夾具實(shí)物圖

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；F為剪切力，N；S為剪切面積，m2.

在對(duì)比馬歇爾模具成型試件、車轍模具成型試件之后，最終決定自制PVC模具采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件.

2.1 水泥混凝土試件制作

將直徑11 cm的PVC管鋸成高度為5 cm作為試模，在其內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑油放在木板上.拌和水泥混凝土，澆筑在試模內(nèi)，插搗抹平，自然養(yǎng)生，待第二天終凝后脫模，其中水泥混凝土的配合比見表2.水泥混凝土表面的浮漿會(huì)影響與瀝青混合料的粘結(jié)，在脫模后用鋼刷清理表面，自然養(yǎng)生7 d后備用.圖5為水泥混凝土試件的制作過(guò)程，其中圖5a)～d)顯示了水泥混凝土試件的制作過(guò)程，圖5e)～f)顯示了室外試驗(yàn)段水泥混凝土試件制作的過(guò)程.

表2 水泥混凝土配合比

圖5 水泥混凝土試件制作過(guò)程圖

2.2 防水粘結(jié)層

文中主要對(duì)比ES-2稀漿封層和AC-5瀝青砂兩種防水粘結(jié)層類型.圖6為試驗(yàn)過(guò)程圖，圖6a)表示先將水泥混凝土試件清理干凈并晾干，然后涂抹PCR改性乳化瀝青底涂層.經(jīng)108拉拔儀測(cè)試，底涂層用量為0.3～0.4 L/m2時(shí)，拉拔強(qiáng)度符合≥1.0 MPa的要求，經(jīng)換算為每個(gè)試件表面涂抹5.3～7.1 g.待破乳后，按照每種防水粘結(jié)層的要求鋪防水粘結(jié)層.

圖6 防水粘結(jié)層制作流程圖

對(duì)于ES-2稀漿封層，用油毛氈將試件四周圍起，上面留6 mm(稀漿封層的厚度).按照配合比計(jì)算稱量礦料和水預(yù)拌均勻、然后加入一定量的BCR改性乳化瀝青迅速拌和60 s，倒入預(yù)制槽并抹平，清理周圍散落的碎屑.放在60 ℃烘箱中養(yǎng)護(hù)12 h后冷卻至室溫，拆除油毛氈.具體過(guò)程見圖6b)～d).

對(duì)于AC-5瀝青砂，按照配合比計(jì)算稱量集料，放入180 ℃烘箱加熱3 h以上，倒入已經(jīng)預(yù)熱至170 ℃的自動(dòng)攪拌鍋，添加一定量175 ℃的SBS改性瀝青，拌和90 s后加入一定量的礦粉，繼續(xù)攪拌90 s，確保攪拌均勻無(wú)花白料.稱量一定質(zhì)量的瀝青砂(質(zhì)量依據(jù)壓實(shí)后的高度反復(fù)嘗試確定，瀝青砂設(shè)計(jì)厚度1.0 cm)分裝在搪瓷碗中，放在150 ℃烘箱中保溫1 h左右備用.將底涂層破乳后的水泥混凝土試件放置在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀模具底部中央，倒入瀝青砂并把表面用刮刀抹平，然后使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型，壓實(shí)20次.

按照已經(jīng)確定的下面層類型、配合比及最佳瀝青含量拌和瀝青混合料，放入溫度為150 ℃的烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 h左右.在水泥混凝土試件表面按照防水粘結(jié)層的類型進(jìn)行處理，然后放入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀試模底部中央，裝入瀝青混合料，確保溫度不低于135 ℃.采用按壓實(shí)次數(shù)控制方式進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)次數(shù)為120次.溫度降至60 ℃以下即可脫模.在室溫下放置24 h，用10 cm直徑的鉆頭取心，晾干后放置在真空干燥箱或恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，復(fù)合試件見圖7[8].

圖7 復(fù)合試件

3 直剪試驗(yàn)

啟動(dòng)MTS試驗(yàn)系統(tǒng)，將環(huán)境箱溫度設(shè)置為試驗(yàn)溫度值，待溫度達(dá)到要求后將在恒溫、恒濕箱中保溫的試件轉(zhuǎn)移至MTS環(huán)境箱，把夾具通過(guò)螺栓固定在壓桿上下兩端，然后調(diào)整夾具之間的距離，通過(guò)六角螺母將試件固定好.關(guān)閉環(huán)境箱等待30 min，試件溫度恢復(fù)至設(shè)定溫度后再進(jìn)行加載.試驗(yàn)加載方式采用位移控制，位移速率為1 mm/min，觀察控制面板監(jiān)視器，待荷載出現(xiàn)峰值即可停止試驗(yàn)，取下破壞的試件.數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成，設(shè)定每秒采集20個(gè)點(diǎn)的位移值和對(duì)應(yīng)的荷載值.產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件可通過(guò)EXCEL打開進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制剪切力隨位移變化的曲線圖，典型代表見圖8.在-5 ℃溫度下試驗(yàn)，不論何種防水粘結(jié)層，剪切力達(dá)到10 kN時(shí)都未出現(xiàn)峰值，為保護(hù)儀器免受損壞，即刻停止試驗(yàn)，最大剪切力均記為10 kN.通過(guò)觀察全部試驗(yàn)的曲線圖總結(jié)得出：剪切力隨著位移增大會(huì)出現(xiàn)峰值(-5 ℃條件下除外)，此峰值為試件發(fā)生剪切破壞時(shí)的剪切力，利用式(1)可計(jì)算出抗剪強(qiáng)度值；剪切力峰值對(duì)應(yīng)的位移均在0.5～2 mm之間，且溫度越高，剪切力峰值對(duì)應(yīng)的位移越小，即溫度越高，剪切破壞發(fā)生的越快[9].

圖8 25 ℃及-5 ℃剪切力隨位移的變化曲線圖

試驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)類型包括ES-2稀漿封層、AC-5瀝青砂、無(wú)防水粘結(jié)層(對(duì)照組)等；試驗(yàn)溫度包括-5，15，25，35，45 ℃等.每組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度值取平行試驗(yàn)的平均值.圖9為不同防水粘結(jié)層在不同溫度下的抗剪強(qiáng)度.

圖9 不同防水粘結(jié)層在不同溫度下的抗剪強(qiáng)度

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響 防水粘結(jié)層材料都屬于瀝青基材料，對(duì)溫度很敏感.防水粘結(jié)層實(shí)際服役溫度范圍很寬，有必要研究不同溫度下的抗剪強(qiáng)度.由圖9可知，三種結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度值都隨溫度的升高而減小；高溫下，抗剪強(qiáng)度都非常小，與實(shí)際要求有所出入，這與直剪試驗(yàn)的原理相關(guān).直剪試驗(yàn)沒有施加正壓力，層間作用力是純剪切力，而實(shí)際荷載作用下，層間會(huì)有摩阻力，層間的抗剪強(qiáng)度值會(huì)增大.因此，直剪試驗(yàn)僅適用于評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層材料本身的優(yōu)劣等級(jí)，不能直接作為層間抗剪強(qiáng)度容許值指標(biāo)的設(shè)計(jì).

2) 不同防水粘結(jié)層抗剪性能的對(duì)比 AC-5的抗剪強(qiáng)度要優(yōu)于其他兩種，而ES-2與對(duì)照組相差不多.從材料本身的抗剪性能來(lái)看，AC-5要優(yōu)于ES-2，主要原因在于結(jié)合料的差異，SBS改性瀝青的粘結(jié)效果要好于BCR改性乳化瀝青.ES-2與無(wú)防水粘結(jié)層相比，抗剪強(qiáng)度雖相差不大，但稀漿封層具有一定防水能力，且鋪筑下面層時(shí)稀漿封層材料可以嵌擠填充進(jìn)入下面層底面的空隙中，形成更加致密的界面，變“點(diǎn)接觸”為“面接觸”，增加層間摩阻力.

3) 剪切破壞面特征分析 防水粘結(jié)層剪切破壞形式可分為四種(見圖10)：①水泥混凝土表面失養(yǎng)層處發(fā)生破壞，見圖10a)；②防水粘結(jié)層與水泥混凝土橋面板之間的破壞，見圖10b)；③防水粘結(jié)層自身的破壞，見圖10c)；④防水粘結(jié)層與瀝青混凝土鋪裝層之間的破壞.防水粘結(jié)層剪切破壞的形式可通過(guò)觀察破壞界面來(lái)判斷.

圖10 幾種典型破壞界面實(shí)物圖

本次試驗(yàn)中未出現(xiàn)第④類形式的破壞.第①類破壞是水泥混凝土表面未做任何處理，試驗(yàn)證明水泥混凝土表面失養(yǎng)層(浮漿)必須清理，具體可采用拋丸或銑刨.AC-5和無(wú)防水粘結(jié)層兩種結(jié)構(gòu)的破壞形式是第②類；ES-2結(jié)構(gòu)的破壞形式有②③兩種，并以②居多.由此說(shuō)明AC-5自身的抗剪性能優(yōu)于ES-2.

5 結(jié) 論

1) 稀漿封層用作防水粘結(jié)層，要保證自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主要可從改性乳化瀝青的品質(zhì)上改進(jìn)，并可以通過(guò)稀漿混合料粘聚力試驗(yàn)檢驗(yàn).

2) AC-5瀝青砂的抗剪強(qiáng)度比ES-2稀漿封層的大，粘結(jié)效果更好.

3) 直剪試驗(yàn)的結(jié)果可以用作評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層材料抗剪性能優(yōu)劣或劃分材料抗剪強(qiáng)度等級(jí)，不能用來(lái)確定層間抗剪強(qiáng)度容許值.

4) 溫度對(duì)防水粘結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度影響很大.溫度升高，材料的抗剪性能會(huì)急劇降低，層間抗剪強(qiáng)度容許值的試驗(yàn)溫度宜結(jié)合當(dāng)?shù)氐穆访嬖O(shè)計(jì)溫度確定和極端高溫共同確定.

5) 水泥混凝土橋面板的失養(yǎng)層(浮漿)必須清潔干凈，露出質(zhì)地堅(jiān)硬且潔凈的界面，以避免失養(yǎng)層處發(fā)生剪切破壞.

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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

*交通運(yùn)輸部建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014318J22120)

U443.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.025

于曉賀(1993—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁访娌牧?、橋面鋪裝等