防水粘結(jié)層不同粘結(jié)強度測試方法關(guān)聯(lián)性分析

趙正峰，褚付克，張瑞杰，周珂，李豪

（1.洛陽市公路事業(yè)發(fā)展中心洛界高速公路管理處，河南 洛陽 471000；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.洛陽市交通工程質(zhì)量鑒定站，河南 洛陽 471000；4.河南璟信工程監(jiān)理有限公司，河南 洛陽 471000）

防水粘結(jié)層作為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，起到銜接橋面鋪裝層和混凝土橋面板的作用，對橋面鋪裝質(zhì)量、行車安全性等都有很大影響。橋面鋪裝層的很多損毀情況，如推移、橋面板積水都是由于防水粘結(jié)層質(zhì)量缺陷引起的。因此，混凝土橋面鋪裝施工時，防水粘結(jié)層的選材與工藝是施工質(zhì)量控制的重點。

防水粘結(jié)層間的粘結(jié)力降低或者喪失是導(dǎo)致鋼橋面鋪裝層破壞的重要因素。目前，評價防水粘結(jié)層粘結(jié)性能的主要方法包括：（1）復(fù)合件剪切和拉拔強度測試，JC/T975—2005《道橋用防水涂料》中的方法測試結(jié)果精確可靠，但測試過程較繁瑣，需要較長時間，導(dǎo)致測試結(jié)果具有滯后性：（2）附著力測試，GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的方法測試過程簡單、迅速，但測試方法與實際鋪裝結(jié)構(gòu)有很大差異，不能真正反應(yīng)路面的粘結(jié)性能。目前不同測試方法一般均在20～25℃條件下測試，路面結(jié)構(gòu)受季節(jié)影響，承受溫度波動范圍較大，而防水粘結(jié)層的粘結(jié)強度受溫度的影響很大[1-2]。現(xiàn)有測試方法、條件往往不能滿足施工現(xiàn)場檢測性能指標(biāo)評定的要求[3-5]。

本文結(jié)合道路施工實體工程，定量分析材料類型、混凝土橋面板粗糙度、瀝青噴灑量對防水粘結(jié)層粘結(jié)性能的影響，研究溫度對鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能的影響，構(gòu)建附著力和復(fù)合件拉拔強度的關(guān)系，以附著力測試結(jié)果推測出復(fù)合件的拉拔強度。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青，其中高粘乳化瀝青是在實驗室由水性SBR、SBS、EVA和CR等高分子乳液按一定比例復(fù)配成的改性膠乳，與基質(zhì)乳化瀝青按7∶100的比例配成高粘乳化瀝青，水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青為施工現(xiàn)場所用。不同類型瀝青的主要技術(shù)性能如表1～表4所示。

表1 高粘乳化瀝青的主要技術(shù)性能

表2 水性環(huán)氧瀝青的主要技術(shù)性能

表3 橡膠瀝青的主要技術(shù)性能

表4 SBS改性瀝青的主要技術(shù)性能

1.2 使用儀器

瀝青混合料試驗機（UTM-30）如圖1所示，利用自行設(shè)計制備的試驗夾具，結(jié)合儀器自身可調(diào)節(jié)溫度的特點，可進行不同條件下的拉拔試驗。

1.3 試件成型

1.3.1 復(fù)合件拉拔強度測試試件

在施工現(xiàn)場批量制備試件，試件成型過程為：（1）利用車轍試模成型一批構(gòu)造深度分別為0、0.4、0.8、1.2 mm，尺寸為300mm×300 mm×50mm的C30水泥混凝土板，進行21 d養(yǎng)護，用鋼絲刷除去表面浮沉和污染物；（2）稱取一定質(zhì)量的改性瀝青，用刷子在混凝土板表面涂抹均勻，室溫條件下養(yǎng)護24 h，其中橡膠瀝青和SBS改性瀝青表面灑布70%分布的5～10 mm粒徑碎石，水性環(huán)氧瀝青養(yǎng)護時間為72 h；（3）待粘結(jié)層材料固化后裝入300 mm×300 mm×100 mm的車轍試模，直接用從拌和站取得AC-20的SBS瀝青混合料攤鋪，采用車轍輪碾儀進行瀝青混合料面層碾壓；（4）利用雙刀切割機切成尺寸為80 mm×80 mm×100mm不同類型的復(fù)合試件備用，如圖2所示。

1.3.2 附著力測試試件

（1）根據(jù)復(fù)合件拉拔強度測試最佳構(gòu)造深度，成型相同構(gòu)造深度70mm×70mm×20 mm的砂漿試塊，進行21d養(yǎng)護，用鋼絲刷除去表面浮沉和污染物；（2）根據(jù)復(fù)合件拉拔強度測試最佳瀝青噴灑量稱取一定質(zhì)量的改性瀝青，用刷子均勻涂抹在砂漿試塊表面，室溫條件下養(yǎng)護7 d；（3）用丙烯酸樹脂將拉拔試塊粘結(jié)在粘結(jié)材料上，使粘結(jié)材料與拉拔試塊表面完全充滿丙烯酸樹脂，室溫下養(yǎng)護24 h；（4）然后沿拉拔試塊邊緣用刀切割涂膜至砂漿試塊，如圖3所示。

1.4 測試方法

復(fù)合件拉拔強度測試嚴(yán)格按照JC/T 975—2005以10 mm/min的速度，附著力測試參考GB/T 16777—2008以50 mm/min的速度使用瀝青混合料試驗機進行拉拔試驗。仔細觀察斷裂面產(chǎn)生的位置（即斷裂面的結(jié)構(gòu)層位及其所處的位置），斷裂面可能出現(xiàn)在拉頭處、鋪裝層內(nèi)、防水層（粘結(jié)層）等部位，同時記錄斷裂面占整個試驗面積的比例，綜合判斷檢測結(jié)果的可靠性。測試結(jié)果與平均值比較去除6個數(shù)據(jù)中偏離最大的值，取4個試件的平均值，精確到0.01 MPa。

2 構(gòu)造深度和瀝青噴灑量的影響分析

2.1 試驗設(shè)計

考慮到不同因素相互關(guān)系對防水粘結(jié)層粘結(jié)性能產(chǎn)生不同的影響，選取不同的影響因素對粘結(jié)性能的影響進行試驗。因此，本研究以復(fù)合件拉拔強度作為考察指標(biāo)，選擇瀝青噴灑量和混凝土板構(gòu)造深度作為考察因素，進行不同瀝青的粘結(jié)性能試驗，根據(jù)路面施工經(jīng)驗，高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青的噴灑量分別為0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2，橡膠瀝青和SBS改性瀝青的噴灑量分別為1.0、1.4、1.8、2.2 kg/m2，5～10 mm粒徑碎石為5.0 kg/m2；構(gòu)造深度分別為0、0.4、0.8、1.2 mm。進行粘結(jié)材料不同構(gòu)造深度的復(fù)合件拉拔強度試驗，測試不同瀝青所需的最佳構(gòu)造深度；在最佳構(gòu)造深度條件下，進行不同噴灑量下的復(fù)合件拉拔強度試驗。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 構(gòu)造深度的影響

根據(jù)施工經(jīng)驗，高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青噴灑量為1.0 kg/m2，橡膠瀝青噴灑量為1.8kg/m2，SBS改性瀝青噴灑量為1.4 kg/m2，分別進行0、0.4、0.8、1.2 mm構(gòu)造深度的復(fù)合試件（見圖4）拉拔強度試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 不同構(gòu)造深度下復(fù)合件拉拔強度測試結(jié)果

構(gòu)造深度對復(fù)合件拉拔強度的影響是多種因素綜合作用的結(jié)果，混凝土橋面板構(gòu)造深度不同，造成表面粗糙度不同，其與瀝青接觸的實際有效面積也不同，層間拉拔強度也會有很大差異。0.4 mm構(gòu)造深度的復(fù)合件接觸面凹凸不平產(chǎn)生的實際接觸面積大于構(gòu)造深度為0的光滑接觸面，并且破壞面不止發(fā)生在混凝土表面，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致其層間粘結(jié)性增強，構(gòu)造深度越大，層間粘結(jié)性能影響更明顯。同時構(gòu)造深度增加，混凝土板接觸面積增大，導(dǎo)致瀝青實際噴灑量降低，一旦造成瀝青實際噴灑量低于最佳噴灑量，粘結(jié)性能又會進一步降低。

由表5可見，不同瀝青受構(gòu)造深度影響差異較大。除橡膠瀝青外，其余3種瀝青的復(fù)合件拉拔強度隨構(gòu)造深度的增大先提高后降低，在構(gòu)造深度為0.8 mm時達到最大。這是由于受構(gòu)造深度影響，粘結(jié)性能迅速提高；構(gòu)造深度超過0.8 mm以后，隨著接觸面積增大，瀝青實際噴灑量降低造成的影響超過構(gòu)造深度增加的影響，粘結(jié)性能開始下降。橡膠瀝青復(fù)合件拉拔強度隨構(gòu)造深度的增大持續(xù)提高，這是由于橡膠瀝青噴灑量達到了1.8 kg/m2，大于最佳噴灑量，隨構(gòu)造深度增加進一步接近最佳噴灑量，在構(gòu)造深度和噴灑量的雙重作用下，復(fù)合件拉拔強度持續(xù)提高。因此，高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青構(gòu)造深度為別設(shè)定為0.8、0.8、1.2、0.8mm。

2.2.2 瀝青噴灑量的影響

選擇設(shè)定的構(gòu)造深度，高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青的噴灑量選擇分別為0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2，橡膠瀝青和SBS改性瀝青的噴灑量選擇分別為1.0、1.4、1.8、2.2 kg/m2，復(fù)合件拉拔強度試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同噴灑量下復(fù)合件拉拔強度測試結(jié)果

由表6可見，隨著瀝青噴灑量不斷增加，復(fù)合件拉拔強度均是先提高后降低。當(dāng)瀝青噴灑量較少時，未能將混凝土板與混合料之間的結(jié)構(gòu)間層完全充滿，無法提供足夠的粘結(jié)力；隨著瀝青噴灑量的增加，這一現(xiàn)象得到緩解，粘結(jié)強度持續(xù)提高；瀝青超過復(fù)合件拉拔試驗所需用量時，多余的瀝青在層間會軟化，產(chǎn)生類似潤滑劑作用，導(dǎo)致層間抵抗變形能力減弱，拉拔強度開始下降。高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青具有最大復(fù)合件拉拔強度時瀝青噴灑量分別為0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2。

根據(jù)上述研究可知，高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青在構(gòu)造深度分別為0.8、0.8、1.2、0.8 mm，噴灑量分別為0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2時復(fù)合件拉拔強度達到最高。因此，設(shè)定上述構(gòu)造深度和瀝青噴灑量為后續(xù)試驗最佳構(gòu)造深度和最佳噴灑量。

3 不同方法粘結(jié)性能對比

3.1 不同溫度下不同方法粘結(jié)性能試驗

4種瀝青以各自最佳構(gòu)造深度和最佳噴灑量進行5、15、25、35、45℃的附著力試驗和復(fù)合件拉拔強度試驗，結(jié)果如表7所示。

表7 不同溫度下附著力和復(fù)合件拉拔強度測試結(jié)果

由表7可見：

（1）4種材料具有完全相同的變化趨勢，5℃時，SBS改性瀝青和高粘乳化瀝青復(fù)合件拉拔強度高于水性環(huán)氧瀝青和橡膠瀝青；隨著溫度升高，拉拔強度迅速降低，各材料之間拉拔強度相差減小；35℃時，拉拔強度均降至0.1 MPa以下，粘結(jié)性能幾乎完全喪失；隨著溫度繼續(xù)升高，拉拔強度平穩(wěn)變化并趨近于0；45℃以后，試件完全無法測量。

（2）隨著溫度升高，附著力迅速降低，高粘乳化瀝青和水性環(huán)氧瀝青2種水性材料保持相同的變化趨勢，35℃時附著力降至0.1MPa以下，喪失粘結(jié)能力。橡膠瀝青和SBS改性瀝青保持相同的變化趨勢，相同溫度下具有相近的附著力，并且遠高于水性環(huán)氧瀝青，35℃時仍保持0.21 MPa的附著力，45℃時附著力降至0.1 MPa以下，喪失粘結(jié)能力。

3.2 附著力和復(fù)合件拉拔強度的關(guān)系構(gòu)建

附著力和復(fù)合件拉拔強度均是評價防水粘結(jié)層材料粘結(jié)性能的指標(biāo)，通過構(gòu)建兩者之間關(guān)系，以附著力判定復(fù)合件拉拔強度，可大量減少復(fù)合件成型工作。水性環(huán)氧瀝青、高粘乳化瀝青在35℃時復(fù)合件拉拔強度和附著力均失去粘結(jié)性能；橡膠瀝青、SBS改性瀝青在35℃時復(fù)合件拉拔強度失去粘結(jié)性能，45℃時附著力失去粘結(jié)性能。因此，研究溫度區(qū)間為5～35℃下的粘結(jié)強度關(guān)系。

5～35℃溫度范圍內(nèi)，不同瀝青材料的附著力與復(fù)合件拉拔強度關(guān)系如圖5所示。并對其關(guān)系進行擬合，得到復(fù)合件拉拔強度y隨附著力x的變化曲線，根據(jù)不同溫度下測得附著力即可計算出該溫度下的復(fù)合件拉拔強度關(guān)系曲線如下：

3.3 附著力和復(fù)合件拉拔強度關(guān)系驗證

根據(jù)20℃時的不同瀝青附著力試驗結(jié)果計算復(fù)合件拉拔強度，并與實際試驗結(jié)果相比較，結(jié)果如表8所示。

表8 20℃時附著力和復(fù)合件拉拔試驗結(jié)果

由表8可見，20℃下復(fù)合件拉拔強度計算值均大于實際測試結(jié)果，水性環(huán)氧瀝青相對誤差最大，僅為5.0%，測試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。通過附著力模擬計算出的復(fù)合件拉拔強度具有很高的參考價值，節(jié)省了復(fù)合件試驗成型試件的繁瑣步驟，提高了工作效率。

4 結(jié)論

（1）構(gòu)造深度和噴灑量對不同瀝青復(fù)合件拉拔強度影響具有明顯差異，高粘乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青的最佳構(gòu)造深度分別為0.8、0.8、1.2、0.8 mm，最佳噴灑量分別為0.8、1.0、1.8、1.4 kg/m2。

（2）隨著溫度升高，4種瀝青的粘結(jié)性能迅速下降，并且復(fù)合件拉拔強度下降趨勢相同，在35℃時失去粘結(jié)能力；水性瀝青材料的附著力明顯低于熱瀝青，在35℃時便降至0.1 MPa以下，熱瀝青在45℃時附著力降至0.1 MPa以下。

（3）構(gòu)建了附著力和復(fù)合件拉拔強度對應(yīng)關(guān)系，以不同溫度下的附著力計算復(fù)合件拉拔強度，具有極高的準(zhǔn)確性，并且節(jié)省了復(fù)合件試驗成型試件的繁瑣步驟，提高了工作效率。