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基于層間剪切試驗(yàn)的橋面防水黏結(jié)層性能評(píng)價(jià)研究
基于層間剪切試驗(yàn)的橋面防水黏結(jié)層性能評(píng)價(jià)研究
公路橋梁和城市立交橋橋面的防水黏結(jié)是確保其結(jié)構(gòu)耐久性的重大措施之一。橋面鋪裝未設(shè)防水層或者防水效果不好，由面層滲入的水或防凍鹽溶液會(huì)引起面板的損壞，甚至腐蝕主梁鋼筋，威脅主梁安全。如果所設(shè)防水黏結(jié)層與橋面鋪裝層及橋面板間黏結(jié)力不足，水平抗剪切能力弱，則結(jié)構(gòu)層的整體性不足，在水平方向上易產(chǎn)生相對(duì)位移并產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)推移、擁包等病害，通車(chē)后車(chē)輪的劇烈沖擊和荷載的作用還會(huì)使橋面出現(xiàn)松散、剝落等病害，汽車(chē)重載超載情況下橋面破壞會(huì)更為嚴(yán)重。甚至，在橋面鋪裝施工時(shí)，料車(chē)、壓路機(jī)等就容易將防水黏結(jié)層碾走，使得防水層起不到應(yīng)有的效果，結(jié)構(gòu)層水平抗剪切能力更弱，形成一種惡性循環(huán)狀態(tài)。
防水黏結(jié)層為橋面板提供一個(gè)防水的無(wú)滲透性屏障，黏結(jié)層將鋪裝層與橋面板黏結(jié)成一個(gè)整體，充分發(fā)揮鋪裝層與橋面板的復(fù)合協(xié)同作用，改善橋面板與鋪裝層的受力情況，兩者相輔相成。因此，針對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層的破壞形式，進(jìn)行瀝青混凝土橋面鋪裝防水黏結(jié)層的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)研究極為必要。
目前，高速公路工程中常用的橋面防水黏結(jié)層有：水乳性氯丁膠乳瀝青防水涂料、SBS改性瀝青防水黏結(jié)層、高黏度改性瀝青防水黏結(jié)層、高彈性改性瀝青防水層、環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層等幾種類(lèi)型，其路用性能及經(jīng)濟(jì)性方面都存在或多或少的不足。
本文針對(duì)橋面防水黏結(jié)層的工程應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，基于層間剪切原理設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)比分析不同橋面防水黏結(jié)層的抗剪性能，比選出性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)合理的防水黏結(jié)層材料。
材料試驗(yàn)及材料制備
原材料及其技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)
(1)研究中所用的SBS改性乳化瀝青及橡膠瀝青試驗(yàn)結(jié)果均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的技術(shù)要求，具體材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)不贅述。
(2)其中橡膠粉密度為1.15g/cm3，無(wú)鐵絲或其他雜質(zhì)，纖維比例不超過(guò)0.5%，含有橡膠粉重量4%的碳酸鈣，以防止膠粉顆粒相互黏結(jié)。
(3)纖維作為一種性能優(yōu)異的非金屬材料，纖維的應(yīng)用領(lǐng)域極為寬泛。良好的絕緣性、耐熱性和抗腐蝕性是纖維這種材料如今得到大量使用的重要原因。其主要成分是多種無(wú)機(jī)物和金屬的氧化物，如二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼等，堿含量的多少?zèng)Q定了纖維的不同類(lèi)別，可分為無(wú)堿纖維、中堿纖維和高堿纖維。本文采用采用無(wú)捻粗紗型纖維，特克
斯數(shù)TEX為2000~2600，纖維的長(zhǎng)度為60mm，纖維盤(pán)包裝采用堆積型。
瀝青混凝土覆蓋層與水泥混凝土板
(1)本試驗(yàn)研究中橋面鋪裝覆蓋層采用AC-20礦料級(jí)配的瀝青混凝土。(2)制備水泥板的材料為：P.O42.5水泥；花崗巖碎石；細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂。其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，水17kg，水泥461kg，砂512kg，石料1252kg，配合比0.38:1:1.11:2.72。
試驗(yàn)方法與過(guò)程
防水黏結(jié)層的設(shè)計(jì)
綜合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及工程經(jīng)濟(jì)性，本試驗(yàn)研究擬設(shè)計(jì)４種不同類(lèi)型的防水黏結(jié)層，分別采用改性乳化瀝青、橡膠瀝青以及瀝青加纖維作黏結(jié)材料，不同材料的設(shè)計(jì)用量以及試驗(yàn)步驟如下：
改性乳化瀝青＋碎石。
用量：改性乳化瀝青1kg/m2。步驟：分兩次，先撒一半，黑色轉(zhuǎn)為褐色(破乳)后，再撒另一半，撒完后立即鋪碎石。
橡膠瀝青＋碎石。
用量：改性乳化瀝青0.3kg/m2，橡膠瀝青1kg/m2。步驟：先撒0.3kg/m2改性乳化瀝青，破乳后，撒1k/m2橡膠瀝青(已加熱)，撒完后立即鋪碎石。
改性乳化瀝青＋纖維＋碎石。
用量：改性乳化瀝青1kg/m2，纖維80g/m2，剪成6cm長(zhǎng)，不要用手直接接觸。步驟：先撒一半改性乳化瀝青，撒纖維，再撒另一半改性乳化瀝青，撒完后立即鋪碎石。
橡膠瀝青＋纖維＋碎石。
用量：改性乳化瀝青0.3kg/m2，橡膠瀝青1kg/m2，纖維80g/m2，剪成6cm長(zhǎng)，不要用手直接接觸。步驟：先撒0.3kg/m2改性乳化瀝青，然后撒纖維，破乳后，撒1kg/m2橡膠瀝青(已加熱)，撒完后立即鋪碎石。
由于試驗(yàn)結(jié)果受到3種或3種以上的不同因素的影響，控制變量不易，為使后續(xù)層間剪切試驗(yàn)結(jié)果令人信服，本文采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，綜合考慮到黏結(jié)層類(lèi)型、溫度和預(yù)壓力的影響。
層間剪切試驗(yàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)層的制備
為模擬經(jīng)施工機(jī)械碾壓成型的橋面結(jié)構(gòu)復(fù)合層，本節(jié)簡(jiǎn)介其制備方法。復(fù)合層試件的質(zhì)量需保證在進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)時(shí)水泥混凝土和瀝青混凝土材料不至于被剪切散落，即保證試件破壞面為層間防水黏結(jié)層。其制備過(guò)程如下。
將鋪好防水黏結(jié)層材料的水泥板放入模具中，均勻加入適量的AC-20瀝青混凝土熱拌料，采用車(chē)轍碾壓機(jī)適當(dāng)碾壓使其最終成型。
車(chē)轍板成型脫模后，采用帶有雙面鋸齒的大型切割機(jī)對(duì)車(chē)轍板進(jìn)行切割，切割成邊長(zhǎng)為5cm的正方體試件，取2塊防水黏結(jié)層材料相同的正方體小試塊，將其一端的水泥混凝土板清洗干凈，確保表面平整并且沒(méi)有雜物之后，使用ＡＢ膠將試塊有水泥板的兩面黏結(jié)起來(lái)，靜放8h，等到AB膠強(qiáng)度形成之后，方可用于預(yù)壓及層間剪切試驗(yàn)。成型后該長(zhǎng)方體試件尺寸為10cm×5cm×5cm。
層間剪切試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介
本試驗(yàn)過(guò)程依托弘達(dá)萬(wàn)能材料試驗(yàn)儀施加壓力，為保證試驗(yàn)的成功概率，進(jìn)行剪切試驗(yàn)之前，必須要先對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)層進(jìn)行預(yù)壓。
預(yù)壓裝置安裝于弘達(dá)萬(wàn)能試驗(yàn)儀上，將用水浴養(yǎng)護(hù)好的長(zhǎng)方體試件從水浴養(yǎng)護(hù)箱取出，快速安裝在預(yù)壓裝置中，然后將預(yù)壓裝置置于弘達(dá)萬(wàn)能試驗(yàn)儀的加載底座上進(jìn)行加載。加載過(guò)程中慢慢擰緊4個(gè)導(dǎo)桿上的螺栓，當(dāng)弘達(dá)萬(wàn)能試驗(yàn)儀的讀數(shù)歸零時(shí)，表示預(yù)壓加載結(jié)束。繼續(xù)擰緊螺栓，確保長(zhǎng)方體試件被緊鎖于預(yù)壓裝置中，平穩(wěn)地取出帶有長(zhǎng)方體試件的預(yù)壓裝置；為了減小因螺栓松弛而導(dǎo)致長(zhǎng)方體試件回彈而造成預(yù)壓力的誤差，控制長(zhǎng)方體試件從恒溫水中取出到預(yù)壓結(jié)束的總時(shí)間在5min之內(nèi)。
層間剪切設(shè)備包括鋼制預(yù)壓裝置和剪切裝置
層間剪切及其破壞面
通過(guò)正交設(shè)計(jì)得到16組試驗(yàn)方案，該16組試驗(yàn)方案，無(wú)論是力學(xué)因素控制，還是環(huán)境因素的控制，都具有一定的代表性和可行性。為保證每個(gè)方案組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和公正性，按每組4個(gè)長(zhǎng)方體試件作為平行試驗(yàn)。根據(jù)各組試驗(yàn)的溫度和預(yù)壓力要求對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和預(yù)壓，為了減小因螺栓松弛而導(dǎo)致長(zhǎng)方體試件回彈而造成預(yù)壓力的誤差，控制長(zhǎng)方體試件從恒溫水中取出到預(yù)壓結(jié)束的總時(shí)間在5min之內(nèi)。長(zhǎng)方體試件在材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)之后，每組試驗(yàn)方案的長(zhǎng)方體試件均出現(xiàn)了不同程度的破壞，此處由于篇幅僅列出破壞面其一。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
由正交設(shè)計(jì)得出16組試驗(yàn)方案。長(zhǎng)方體試件破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切力就是其最大剪切力，將其記為Ｆ，由于長(zhǎng)方體試件是由完全相同的正方體小石塊組成，所以它是左右對(duì)稱的。
剪切強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析不同情況下不同種類(lèi)防水黏結(jié)層的抗剪切強(qiáng)度，即對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在比選出性能優(yōu)異的防水黏結(jié)層材料。
可知：(1)層間剪切溫度為40℃時(shí)4種防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度的最大值均低于0.5MPa，然而剪切溫度為20℃時(shí)4種防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度的最小值均高于0.55MPa，易發(fā)現(xiàn)溫度是影響橋面板和瀝青混凝土層間黏結(jié)力的重要因素。(2)本試驗(yàn)研究設(shè)置兩種剪切溫度，旨在模擬常溫及高溫黏結(jié)層溫況，20℃時(shí)可以模擬常溫，40℃時(shí)可以模擬高溫路表下防水黏結(jié)層的溫況，據(jù)此對(duì)比4種不同材料防水黏結(jié)層的高溫性能可知：橡膠瀝青＋纖維＋碎石黏結(jié)層具有最優(yōu)的黏結(jié)性能，黏結(jié)能力最強(qiáng)且高溫性能穩(wěn)定。(3)相同材料相同溫度條件下，不同預(yù)壓力時(shí)其剪切強(qiáng)度值相差不大，0.7MPa預(yù)壓力下試驗(yàn)計(jì)算得剪切強(qiáng)度略高于1.0MPa時(shí)。(4)采用纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未用纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層材料，20℃試驗(yàn)時(shí)計(jì)算得其剪切強(qiáng)度提高約33%以上，40℃試驗(yàn)時(shí)計(jì)算得其剪切強(qiáng)度提高約75%以上，同時(shí)也說(shuō)明高溫時(shí)纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層材料具有較優(yōu)的黏結(jié)能力。(5)以剪切強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該試驗(yàn)研究中4種防水黏結(jié)層材料性能優(yōu)劣評(píng)價(jià)結(jié)果為(由優(yōu)到劣)：橡膠瀝青＋纖維＋碎石、改性乳化瀝青＋纖維＋碎石、橡膠瀝青＋碎石、改性乳化瀝青＋碎石，因此本文最終推薦纖維增強(qiáng)的橡膠瀝青防水黏結(jié)層應(yīng)用于橋面鋪裝工程。
結(jié)語(yǔ)
(1)層間剪切溫度為40℃時(shí)4種防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度的最大值均低于0.5MPa，然剪切溫度為20℃時(shí)4種防水黏結(jié)層的剪切強(qiáng)度的最小值均高于0.55MPa，即溫度是影響橋面板和瀝青混凝土層間黏結(jié)力的重要因素。
(2)采用纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未用纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層材料，20℃試驗(yàn)時(shí)計(jì)算得其剪切強(qiáng)度提高約33%以上，40℃試驗(yàn)時(shí)計(jì)算得其剪切強(qiáng)度提高約75%以上，同時(shí)也說(shuō)明高溫時(shí)纖維增強(qiáng)的黏結(jié)層材料具有更優(yōu)的黏結(jié)能力�？芍合鹉z瀝青＋纖維＋碎石黏結(jié)層具有最優(yōu)的黏結(jié)性能，黏結(jié)能力最強(qiáng)且高溫性能穩(wěn)定。
(3)以剪切強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該試驗(yàn)研究中４種防水黏結(jié)層材料性能優(yōu)劣評(píng)價(jià)結(jié)果為(由優(yōu)到劣)：橡膠瀝青＋纖維＋碎石、改性乳化瀝青＋纖維＋碎石、橡膠瀝青＋碎石、改性乳化瀝青＋碎石，因此本文最終推薦纖維增強(qiáng)的橡膠瀝青防水黏結(jié)層應(yīng)用于橋面鋪裝工程。
(4)本試驗(yàn)研究依托自主研發(fā)的層間剪切設(shè)備可以形成一套基于層間剪切試驗(yàn)的橋面防水黏結(jié)層的性能評(píng)價(jià)體系。
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