高性能水泥桥面防水粘结层材料技术开发及性能研究

高性能水泥桥面防水粘结层材料技术开发及性能研究

方昕,朱鹏程,朱艳艳

南京市路桥工程有限公司 江苏 南京 210000

摘要：我国经济社会发展进入新时代，水泥桥面耐久性铺装要求驱动长寿命沥青路面建造技术不断发展，而具有优异综合性能的防水粘结层技术成为长寿命沥青路面的核心之一。本文通过对比油性不黏轮防水材料、水性环氧沥青、热喷改性沥青+碎石三种防水粘结层材料的力学性能。结果发现油性不黏轮防水材料具有优异的抗拉强度和抗剪切强度，且在路面温度高达80℃下，依然满足不被施工车辆带走的施工要求。

关键字：水泥桥面、防水粘结层、油性、黏结强度、不黏轮

随着桥梁使用寿命的增加，桥面沥青铺装层及桥梁结构自身在使用过程中会出现各种病害缺陷[1,2]，最主要的原因是桥面防水粘结层的破坏而导致桥面铺装病害，因此由防水粘结层的问题直接或间接产生的病害已成为影响桥梁使用功能和使用耐久性的重要因素。由防水黏结层产生病害有两种类型：一是铺装层与桥面板间的粘结力不足，在荷载等作用下，沥青混凝土铺装层与桥面水泥混凝土板之间出现滑移、拥包等病害；二是防水粘结层具有阻止水分下渗的功能，当采用抗渗性能差的防水粘结层时，水分会通过沥青铺装层的孔隙、裂缝等下渗到桥面板，对桥面板进行冲刷、腐蚀，进而影响水泥混凝土桥梁的使用寿命[3]。

国外发达对路面防水材料产品、防水性能测试技术和评价方法等经历了很长时间的研究和探索，我国路桥领域的工程研究到20世纪80年代初才初步认识到在桥面铺装体系中的桥面防水粘结层的重要作用，并开展了一系列的防水粘结层材料和结构的研究，并进行工程应用[4-6]。虽然国内外对桥面防水粘结层都进行了大量的研究，但仍然缺乏统一科学的技术规范和设计指标，且防水粘结材料鱼目混杂，导致桥梁因防水粘结层问题产生诸多病害，影响行车安全及桥梁耐久性。因此亟需新型水泥桥面防水粘结层材料解决水泥桥面铺装产生病害。

一、实验

1.1 仪器与试剂

鼓风干燥烘箱、附着力拉拔仪、拉力试验机、复合件拉拔仪、SK70#基质沥青、聚氨酯弹性体、SBS改性剂、甲苯。

1.2 制备方法

取580g SK70#基质沥青、29gSBS改性剂、26g聚氨酯弹性体，以此加入到甲苯种，开启搅拌器，在室温下搅拌3小时制备出油性不黏轮粘结层材料。

1.3 技术指标

PG76-22+碎石的防水粘结层方案为PG82-22改性沥青加上玄武岩碎石，碎石粒径为10-20mm，水性环氧沥青为江苏某厂家生产，油性不黏轮采购于江苏创为交通科技发展有限公司，其性能指标如下表1、表2和表3：

表 1 PG82-22 改性沥青性能指标

表 2 水性环氧沥青技术指标

表3 油性不黏轮技术性能要求

1.4 试验方法

（1）粘结强度

采用附着力拉拔试验和复合件拉拔试验来评价水泥桥面铺装防水粘结层的粘结强度，测试方法依据江苏省地方标准《水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范》（DB32/T 2285-2012）。分别从附着力拉拔仪上读取附着力拉拔强度，从复合件拉拔仪上读取最大拉力F，然后根据公式（1）计算其复合件拉拔强度。

式中；P为拉拔强度（MPa）；F为最大拉力（N）；A 为拉拔头的面积（mm2）

（2）复合件剪切强度

斜剪试验更好的模拟了防水粘结层工作时受剪切的情形。采用45°斜剪试验对防水粘结层抗剪强度进行评价，按照公式（2）计算剪切强度，测试方法按照江苏省地方标准《水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范》（DB32/T 2285-2012）。

式中：t为剪切强度（MPa）；F为最大压力（N）；A为钉子面积（mm

2）

二、结果与讨论

2.1附着力拉拔强度

1）粘结层材料对比

图1  25℃和40℃的防水粘结层粘结强度

由图1可知：（1）油性不粘轮防水材料不论是常温还是40℃的拉拔强度远远高于普通乳化沥青与改性乳化沥青；（2）与改性乳化沥青相比，油性不粘轮防水材料25℃的拉拔强度提高26%，40℃的拉拔强度提高18%；与普通乳化沥青对比，油性不粘轮防水材料25℃的拉拔强度提高73%，40℃拉拔强度提高66%。可见，油性不粘轮防水层在不粘轮的基础上，其粘结强度大幅度提升，能够显著提升铺装上下层间的粘结性能。

2）不同类型防水层对比

除普通粘结层之外，水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石也是常用的防水粘结层。对上述三种不同类型防水粘结层在40℃和25℃分别进行附着力拉拔试验，以对比其粘结性能。

由图2结果可知，（1）油性不粘轮防水层在25℃的拉拔强度分别是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.5倍和2.3倍；（2）油性不粘轮防水层在40℃的拉拔强度是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.3倍左右。（3）结果表明，在常温和高温条件下，油性不粘轮防水层的粘结性能均优于水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石防水粘结层。

图2 不同类型防水粘结层附着力拉拔强度

2.2 复合件拉拔强度

对油性不粘轮防水材料、水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石等三种不同类型防水粘结层在40℃和25℃分别进行复合件拉拔试验，以对比其粘结性能。

图3 不同类型防水粘结层复合件拉拔强度

由图3结果可知，（1）对于复合件拉拔试验来讲，油性不粘轮防水层在25℃的拉拔强度分别是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.48倍和1.58倍；（2）油性不粘轮防水层在40℃的拉拔强度是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.22倍和1.41倍；（3）结果表明，在常温和高温条件下，油性不粘轮防水层的复合件粘结性能均优于水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石防水粘结层。

2.3 剪切强度

由力学计算可知，桥面铺装层底剪应力要远大于路基段，为了避免铺装层由于防水粘结层剪应力不足而产生推移等病害，对不粘轮防水层、水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石进行不同温度（20℃、40℃和60℃）条件下的抗剪切试验。

图4 不同类型防水粘结层剪切强度

由图4结果可知，（1）在常温20℃条件下，油性不粘轮防水层的抗剪切强度分别是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.6倍和5.4倍；（2）在高温40℃条件下，油性不粘轮防水层的抗剪切强度分别是水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石的1.6倍和12.8倍；（3）在极端高温条件下，水性环氧沥青和油性不粘轮防水层的剪切强度大体相当，此时热喷SBS改性沥青+碎石的抗剪切强度为0。（4）表明在常温和高温条件下，油性不粘轮防水层抗剪切强度最大，整体抗剪性能最优。

2.4 粘轮试验对比

为了避免沥青铺装层施工对防水粘结层造成破坏，防水粘结层须有优异的不粘轮性。因此，将不粘轮防水层分别于普通乳化沥青和水性环氧沥青进行了对比试验。

表4 粘轮测试结果

油性不粘轮防水层与水性环氧沥青防水粘结层的粘轮试验装置如图5所示。由表4试验结果可知，油性不粘轮防水层在温度达到80℃才出现粘轮，而水性环氧沥青在70℃时便出现了粘轮，故油性不粘轮防水层用作粘层材料在夏季高温路面施工时更具优势。

三、总结

层间粘结性能的好坏直接决定混凝土桥面铺装的使用寿命，而层间粘结性能由防水粘结层材料性能与界面处治工艺相关。本章通过室内试验比选了不同防水粘结层材料的力学性能与施工便利性，并提出了桥面板界面处治的力学指标标准，主要结论如下：

（1）油性不粘轮防水层在常温和高温条件下的附着力拉拔强度均大于普通乳化沥青、改性乳化沥青、水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石。

（2）油性不粘轮防水层在常温和高温条件下的复合件拉拔强度均大于水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石。

（3）油性不粘轮防水层的抗剪切性能优于水性环氧沥青和热喷SBS改性沥青+碎石。

（4）与普通乳化沥青和水性环氧沥青相比，油性不粘轮防水层具有更优异的不粘轮性。

四、参考文献：

[1]. 柏园. 桥面铺装粘结层的研究[D]. 西安: 长安大学, 2005.

[2]. 郭佩. 水泥混凝土桥面防水粘结层研究[D]. 西安: 长安大学, 2012.

[3]. 穆祥纯. 我国城市桥梁桥面防水技术的发展历程和前景展望[J]. 道路与桥梁防水, 2011, 04, 26-34.

[4]. 陈志超. 水泥混凝土桥面铺装防水性能研究[D]. 西安：长安大学, 2011.

[5]. 蒋维祥, 魏为成. 水泥混凝土桥面防水粘结层研究综述[J]. 公路交通技术. 2007, 9. 88-90.

[6]. 张占军, 曹东伟, 胡长顺. 水泥混凝土桥面沥青铺装层厚度的研究[J]. 西安公路交通大学学报, 2000. 20(2), 16-19.