动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性研究_黄明星.pdf
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1、第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20210401作者简介:黄明星(1986),男,四川眉山人,硕士,高级工程师(562040009 )*通讯作者:陈栩(1991),男,四川什邡人,博士(610703470 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.009动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性研究黄明星1,陈栩*2,3,曹超飞2,3,尚静2,3,任东亚2,3(1.四川遂广
2、遂西高速公路有限责任公司,四川遂宁629000;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;3.道路工程四川省重点实验室,四川成都610031)摘要:为研究动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性,采用水敏感性测试仪模拟动水作用,对比分析了AMP-100 二阶反应型桥面防水黏结剂(二阶反应型)、聚合物改性沥青基纤维增强型防水涂料(聚合物改性沥青型)和 SBS 热沥青共 3 种常用防水黏结层材料分别在干燥、真空浸水(长期作用)、动水(短期作用)、动水+浸水(短期+长期作用)和冻融等水损害条件作用下,对桥面防水黏结层拉拔和剪切强度造成的影响。结果表明:考虑短期+长期作用的水损害条件,对
3、防水黏结层的力学性能削弱最大,对试件抗水损害要求最苛严,且其水作用方式最符合路面实际情况,故推荐该水损条件用于防水黏结层的水稳定性评价。对于二阶反应型,动水作用(第 3.5 h)对力学强度的削弱约为真空浸泡作用的第 45 h 和第 46 h;对于聚合物改性沥青,动水对力学强度的削弱约为真空浸泡第36 h 和第 27 h;对于 SBS 热沥青,动水对拉拔强度的削弱约为真空浸泡第 30 h,剪切强度的削弱大于真空浸水;二阶反应型在未受到水损害作用时,其力学性能好于聚合物改性沥青型,然而在受到水损害条件作用后,其力学能力衰减较快,显著低于聚合物改性沥青。此外,SBS 热沥青防水黏结层的力学性能差于二
4、阶反应型和聚合物改性沥青。关键词:桥梁工程;水稳定性;拉拔和剪切试验;桥面防水黏结层;动水(短期)作用;浸水(长期)作用中图分类号:U414文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05006507Study on Water Stability of Waterproof Bonded Layer of Cement Concrete BridgeDeck Considering Dynamic Water ActionHUANG Ming-xing1,CHEN Xu*2,3,CAO Chao-fei2,3,SHANG Jing2,3,EN Dong-ya2,3(1 Sichuan
5、 SuiguangSuixi Expressway Co.,Ltd.,Suining Sichuan 629000,China;2 School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;3 Key Laboratory ofHighway Engineering of Sichuan Province,Chengdu Sichuan 610031,China)Abstract:In order to study the water stability of cement co
6、ncrete bridge deck waterproof bonding layer underthe action of dynamic water,the dynamic water action is simulated by using water sensitivity tester,theinfluences of 3 commonly used waterproof adhesive layer materials,i.e.,AMP-100 bridge deck waterproofadhesive two-order reactive type),polymer modif
7、ied asphalt-based fiber reinforced waterproof coating(polymer modified asphalt type)and SBS hot asphalt on the pall-out and shear strengths of the waterproofbonding layer of bridge deck under the water damage conditions of dry,vacuum immersion(long-termaction),dynamic water(short-term action),dynami
8、c water+immersion(short-term+long-term action)and freezing-thawing are comparatively analyzed respectively.The result shows that(1)The water damageconditions considering short-term+long-term effect weakens the mechanical properties of the waterproof公路交通科技第 40 卷adhesive layer the most,and has the mos
9、t stringent requirements for the water damage resistance of thespecimen,and its water action mode is most consistent with the actual pavement situation of the,therefore,this water damage condition is recommended for the water stability evaluation of the waterproof adhesive layer.(2)For the two-order
10、 reaction type,the weakening of(the 3.5th hour)dynamic water on the mechanicalstrength is about the 45th hour and the 46th hour of vacuum immersion.For the polymer modified asphalttype,the weakening of dynamic water on the mechanical strength is about the 36th hour and the 27th hour ofvacuum immersi
11、on.For SBS hot asphalt,the weakening of dynamic water on the drawing strength is about the30th hour of vacuum immersion,and the weakening of shear strength is greater than that of vacuumimmersion.(3)When there is no water damage,the mechanical properties of the two-order reaction type arebetter than
12、 those of the polymer modified asphalt type,but the mechanical properties of the two-order reactiontype are decays rapidly after being subjected to water damage,which is significantly poor than those ofpolymer modified asphalt.(4)The mechanical properties of SBS hot asphalt waterproof bonding layer
13、arepoor than those of two-order reaction type and polymer modified asphalt type.Key words:bridge engineering;water stability;pull-out and shear test;bridge deck waterproof bondedlayer;dynamic water(short-term)action;immersion(long-term)action0引言水泥混凝土桥面防水黏结层起到防止雨水下渗,并将沥青铺装层和桥面板黏结为一个整体的作用,其性能关系到整个桥面铺装
14、的使用寿命12。然而,由于桥面沥青铺装层自身独特的结构形式和压实工艺,致使其空隙率较大、雨水易渗入沥青铺装层内部,且长期滞留于沥青铺装层与桥面铺装层界面处3。在行车荷载产生的动水作用下,雨水经沥青铺装层进入桥面防水黏结层后,对防水黏结层和桥面板进行反复的“挤压”和“泵吸”作用,致使防水黏结层失效,同时将桥面板处的残余浮浆带出至路表,形成“唧浆”等病害,若不及时处治,将发展为整个沥青铺装层的掉粒、松散和坑槽等病害,严重影响路面的行车安全性与舒适度48。为探究动水对现场桥面防水黏结层水稳定性的影响,调研了四川高温多雨地区的数条高速公路。调研结果显示:水泥混凝土桥面沥青铺装层行车道轮迹带附近的唧浆病
15、害频发,唧浆处芯样显示其防水黏结层失效。以上研究表明,防水黏结层的水稳定性研究需考虑行车荷载产生的动水作用。此外,研究成果4,9 表明:车速为 100 km/h 时,空隙率为 4%5%的沥青路表动水压力约等于 25 m 高的水头,位于路表下10 cm 处的防水黏结层动水压力约等于 6 m 高的水头,进一步说明了考虑动水作用下的防水黏结层水稳定性研究是完全有必要的。然而,现有文献 1014 对桥面防水黏结层的水稳定性研究多为基于浸水和冻融条件,未考虑“动水作用”,与路面实际情况不符。研究成果1518 基于一种可以模拟车辆轮胎对含水路面产生动水作用的装置 水敏感性分析仪(MIST),分析了劈裂强度
16、、动态模量以及回弹模量等力学参数对动水作用的响应,表明了 MIST 模拟车辆轮胎对含水路面产生的挤压和泵吸等动水作用是完全可行的。此外,有研究成果1921 把行车荷载对含水路面产生的动水作用归为“短期作用”,雨水对沥青混合料的长期浸泡归为“长期作用”,“短、长期作用”共同削弱了沥青类材料自身的黏结力和沥青类材料集料之间的黏附力,该研究成果为防水黏结层的黏附和黏聚性能研究提供了参考,其作用机理如图 1所示。图 1黏附和黏聚性破坏机理Fig.1Adhesion and cohesion failure mechanism综上所述,为了更加全面和准确地对桥面防水黏结层的水稳定性进行研究,本研究利用美
17、国某公司研发的 MIST 及相关装置,分析了干燥、冻融、真空浸水(长期作用)、动水(短期作用)和动水+浸水(长期+短期作用)等不同水损条件,对不同种类桥面防水黏结层力学性能(拉拔和剪切强度)造成的影响,为水泥混凝土桥面防水黏结层的设计、施工以及水损害防治等提供研究方法与思路。66第 5 期黄明星,等:动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性研究1试验1.1试验材料与设备沥青层级配为 公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004)推荐的 AC-20 中值,油石比为 4.3%,沥青为含量4.5%的 SBS 改性沥青;防水黏结层选用目前桥面铺装常用的3 种材料:AMP-100 二阶反应型桥面
18、防水黏结剂(下文简写二阶反应型)、聚合物改性沥青基纤维增强型防水涂料(下文简写聚合物改性沥青)和 SBS 热沥青,主要技术指标参数如表 13所示。指标要求参照 道桥用防水涂料(JC/T9752005),粗集料为玄武岩,细集料为石灰岩。表 1二阶反应型主要技术参数Tab.1Main technical parameters of two-order reaction type项目指标要求结果固体含量/%5050.7不透水性(0.3 MPa)30 min 不透水不透水耐热性(160)无流淌,滑动无流淌、滑落、滴落水敏感性分析仪(MIST)通过在一个充满水的圆柱形容器中增加和减少压力,来模拟动水造成
19、的水损害。图 2(a)为 MIST 内部构造示意图,通过使用位于气囊底部的液压泵和活塞机构对气囊进行表 2聚合物改性沥青主要技术参数Tab.2Main technical parameters of polymer modified asphalt项目指标要求结果固体含量/%5051.3不透水性(0.3 MPa)30 min 不透水不透水耐热性(160)无流淌,滑动无流淌、滑落表 3SBS 改性热沥青主要技术参数Tab.3Main technical parameters of SBS modified hot asphalt项目指标要求结果针入度(25,100 g,5 s)/(0.1 mm)
20、608077.3延度(5,5 cm/min)/cm3033.9软化点/5565充气和放气,以增加和降低密封舱内的压力。当气囊充气时,电磁阀关闭,整个密封舱压力增加。MIST测试温度为 2560,加载水压为 0517 kPa,最大持续加载循环为 50 000 cycles。拉拔和直剪示意图如图 2(b)(c)所示。1.2试件成型方式圆柱形复合试件厚度为 10 cm(上、下层均为5 cm),半径为 5 cm。试件成型顺序为:浇注水泥混凝土层,去除浮浆,喷洒防水黏结层,摊铺、碾压沥青混合料层,钻取芯样。图 2试验装置Fig.2Test device1.3试验方法为进一步探究干燥、冻融、真空浸泡、动水
21、和动水+真空浸泡,这 5 种水损条件之间的关系,本研究测试了二阶反应型、聚合物改性沥青和 SBS 热沥青在这 5 种水损害条件下,不同水环境作用时间下的拉拔和剪切强度,每种工况共 4 个平行试样,如表 4 所示。MIST 试验采用 ASTM D7870 标准试验参数,即压强为 0.276 MPa,温度为 60,作用时间约为 3.5 h(3 500 次循环);真空浸泡温度为 60;冻融试验按表 4不同水损害条件下不同作用时间的力学强度Tab.4Mechanical strength under different moisturedamage conditions at different ti
22、me水损害类型强度测试时刻强度测试总时刻数干燥干燥结束1冻融冻融结束(约 40 h)1真空浸泡真空饱水 15 min 后,浸泡第 3.5,24,36 h 和 48 h4动水动水结束(约第 3.5 h)1动水+真空浸泡浸水第 24,36 h 和 48 h(均包含动水的第 3.5 h)376公路交通科技第 40 卷照相关规范14 操作;拉拔试验的具体方法参照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202019)(征求意见稿)中 T 0677 和 T0678,拉拔速率为(102)mm/min,剪切速率采用(502)mm/min,试验温度均为 25。防水黏结层最佳喷洒量由其不同掺量试件的拉拔与剪
23、切试验共同确定,取 2 次回归计算出的拉拔强度最佳喷洒量与剪切强度最佳喷洒量的均值,作为该防水黏结层最佳喷洒量。试验结果表明,二阶反应型、聚合物改性沥青和 SBS 热沥青的最佳喷洒量分别为 1.3,1.0 kg/m2和 1.3 kg/m2,如表 5 所示。表 5不同喷洒量下的拉拔与剪切强度Tab.5Drawing and shear strength under differentspraying amounts喷洒量/(kgm2)二阶反应型/MPa聚合物改性沥青/MPaSBS 热沥青/MPa拉拔强度 剪切强度 拉拔强度 剪切强度 拉拔强度 剪切强度0.50.7932.1540.7642.14
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