高密实抗渗沥青混凝土桥面防水结构层性能研究

颜华平 曾成福

(1.江西省交通投资集团南昌北管理中心 南昌 330000; 2.江西省交通工程集团有限公司 南昌 330000)

近年,许多混凝土桥面在远未达到设计使用寿命之前产生严重病害。经发现,大部分是由于防水系统失效,在冻融循环过程中,水分渗透到桥面导致了恶化速度增加[1-2]。此外,冬季用于防止危险路段的融雪剂或除冰盐渗透到桥面,导致钢筋腐蚀,削弱了桥梁的结构完整性[3]。铺设不透水的沥青混凝土结构是防止水和氯化物渗入桥面的一种有效方法。同时,在桥面防水黏结层失效情况下能够保证桥梁不受水和氯化物的影响。

桥面防水常见的做法是在混凝土结构层和沥青层之间作防水黏结层[4]。防水黏结层的材料种类繁多,部分防水材料本身质量不过关、与界面黏结不好或耐久性差,造成桥梁使用中起不到防水作用,引起桥面水损害、梁体腐蚀钢筋,严重影响了结构的承载力、安全性和耐久性等[5]。另外,通过实际应用发现,在铺筑沥青混凝土路面时,防水黏结层容易被高温破坏和粗集料穿刺,导致桥梁防水系统失效[6]。

本研究提出一种高密实抗渗沥青混凝土桥面防水结构层(BDWSC)(见图1),以防止水渗入桥面。BDWSC具有高压实度和低空隙率,主要是通过改进的级配实现,从而达到不透水性。另外,为了保证BDWSC能够有效承受交通荷载作用,采用高黏度改性沥青和高模量剂,以提高BDWSC沥青混合料的抗车辙性能[7]。BDWSC作为不透水的磨损层,将保护桥梁结构免受冻融和腐蚀相关的损害,有助于延长桥梁使用寿命,降低维修成本。

图1 高密实抗渗沥青混凝土桥面防水结构层示意图

1 试验材料

采用粒径9.5～13.2,4.75～9.5 mm玄武岩粗集料,和粒径0～4.75 mm石灰岩细集料。沥青采用PG76-22的SBS改性沥青,并在设计配合比下成型BDWSC沥青混合料试件。沥青混合料中掺加高模量外加剂,以保证沥青混合料具有足够的抗车辙能力。粗集料基本技术指标见表1,沥青基本性能见表2,BDWSC沥青混合料级配见图2。

表1 粗集料的技术指标

表2 SBS改性沥青的性能

图2 级配组成

2 试验方法

采用SCB半圆弯曲试验对BDWSC沥青混合料的断裂性能进行评价,采用FN流动次数试验评价BDWSC沥青混合料的抗车辙性能。通过SCB半圆弯曲试验可以得到沥青混合料的柔性指数FI,用以评价沥青混合料的抗裂性能。另外,通过开发的降雨模拟试验,对BDWSC沥青混合料的抗渗性能进行定量评价,降雨模拟试验可以很好地模拟实际工况下桥面的渗水情况。在试验前,采用Superpave旋转压实仪(SGC)制备半圆弯曲(SCB)、流动次数(FN)和降雨模拟试件。试件的沥青含量分别为7.5%,8.0%,8.5%。每种沥青含量分别制备4个试件用于SCB试验,制备3个试件用于FN试验,制备3个试件用于降雨模拟试验。

2.1 SCB半圆弯曲试验

对于SCB试验,首先将沥青混合料压实成直径×高度=150 mm×130 mm尺寸的样品。然后使用高精度锯将每个压实样品切割成4个直径为150 mm、厚度为(57±2) mm的半圆试件。采用超薄金刚石切割片在半圆试件的中部位置切割(15±0.5) mm切口深度的缝。试验在25 ℃下进行,在测试的前一天将试件放在恒温箱中。将半圆形试件平置于2个底部支撑滚轴上,上部居中位置采用1个圆柱加载条对试件施加垂直荷载,加载速率为0.5 mm/min,见图3。试验过程中采集荷载与位移,得到荷载-位移曲线。当荷载降至0.5 kN以下时,试验停止。

图3 SCB半圆弯曲试验

柔性指数FI为断裂能(Gf)与荷载-位移曲线拐点处斜率之比。FI可以表征沥青混合料的脆性,FI值越低,沥青混合料越脆,裂缝扩展速率更快。Gf为试件断裂功与开裂区面积之比,断裂功Wf由试验得到的曲线下面积和曲线延伸面积的总和。曲线延伸面积通过使用系数为-2的幂函数来推断得到。通过下面公式计算沥青混合料的柔性指数FI。

(1)

(2)

(3)

式中:FI为柔性指数;Gf为断裂能,kJ/m2;abs(m)为荷载-位移曲线拐点处斜率绝对值,kN/mm;Wf为断裂功,kJ;r为试件半径,m;a为切口深度,m;t为试件厚度,m;P为荷载,kN;u为位移,m。

2.2 流动次数试验

对于流动次数FN试验,旋转压实沥青混合料尺寸为直径×高度=150 mm×170 mm的样品。然后对试件进行取芯和切割,获得直径×高度100 mm×150 mm的圆柱形试件。为了避免偏心受力,两端横截面应平行,高度允许误差±0.5 mm。在试验开始前施加5 kPa的应力稳压5min,稳压完成后,施加轴向应力600 kPa,采用0.1 s加载、0.9 s间歇的半正弦波荷载,试验温度为60 ℃。为了达到规定的试验温度,试件放在烘箱中至少加热4 h,移入UTM环境箱中继续保温1 h后进行试验。沥青路面的永久变形有3个阶段:迁移期、稳定期、破坏期。流动次数FN是在永久变形第二阶段结束、第三阶段开始时的加载周期。

2.3 降雨模拟试验

采用自行开发的设备进行降雨模拟试验,该设备可以模拟自然降雨,不断使样品饱和。它主要由可调节的淋雨喷头、潜水泵、CS655湿度传感器和载物台组成,装置示意如图4。CS655湿度传感器嵌入在试件的抗渗沥青混凝土与水泥混凝土黏结界面,然后使用硅凝胶密封湿度传感器外露部位,以防止水从外部到达传感器,同时将传感器包裹在保鲜膜中,并安装保护罩,以进一步确保没有水分从试件的侧面或传感器的插入点到达传感器。CS655湿度传感器可以测量体积含水量,体积电导率和温度。用于测量的湿度传感器经过校准,每分钟读取1次湿度读数,并将读数导出到电子表格中。通过读取试件内的介电常数直接测量水分读数,然后将读数转换为体积含水量(m3/m3)。从输出数据中,可以随时间跟踪抗渗沥青混凝土与水泥混凝土界面上存在的水量,从而确定水完全渗透到试件中的时间。降雨模拟试验的试件尺寸为600 mm(长)×400 mm(宽)×200 mm(高),按照暴雨等级的自然降水量,试验设计洒水量为16.7 cm3/min。

图4 降雨模拟示意图

3 试验结果与分析

3.1 抗裂性能

SCB试验结果见图5。

图5 不同沥青含量的BDWSC柔性指数

如图5所示,沥青含量为8.5%(质量分数,下同)时,BDWSC沥青混合料的柔性指数显著高于沥青含量为7.5%和8.0%时的柔性指数。当试件的沥青含量为7.5%和8.0%,沥青含量增加0.5%,导致柔性指数提高约25%;当沥青含量为8.0%和8.5%时,沥青含量增加0.5%,导致柔性指数提高约95%。结果表明,沥青含量越高,BDWSC沥青混合料的柔性指数越大,混合料的柔韧性越好,抗裂能力越强。当沥青含量为8.5%时,柔性指数提升最显著。

3.2 抗车辙性能

流动次数试验结果见图6。已有相关研究建议,对于年均交通量超过3 000万 pcu的道路,最小流动次数FN要求为740[8]。

图6 不同沥青含量的BDWSC流动次数

由图6可见,3种沥青含量(7.5%,8.0%,8.5%)的FN值均大于740。沥青含量为7.5%和8.0%的BDWSC沥青混合料平均FN值分别为5 736和5 208。虽然在沥青含量为8.5%时,沥青混合料的平均FN值为1 262,显著低于沥青含量为7.5%和8.0%的FN值,但该结果仍大于推荐要求值740。结果表明,由PG76-22高性能改性沥青和专门设计级配组成的高密度沥青混合料具有优异的抗车辙性能,现场不会出现因车辙导致的路面失效问题。

3.3 抗渗性能

为了作试验对比,制作空隙率为7%的AC沥青混合料标准试件,并测量渗水性。AC试件在刚开始时无入渗,随着时间推移,水很快开始渗透到达传感器位置,体积含水量迅速增加。当传感器周围的沥青混合料饱和后,体积含水量读数趋于稳定,表示水已完全渗透到沥青混合料中。对于BDWSC试件,在5 d测量分析期间,沥青含量为8.0%和8.5%的试件均未发生渗透。7.5%沥青含量的试件开始阶段未出现入渗现象,但是到了80 h之后,含水量开始迅速增加,一直到测量结束时,试件还未达到完全饱和状态。结果表明,在8.0%和8.5%沥青含量的BDWSC沥青混合料的微观结构中,由于断开的空隙通道网络,从而形成了不透水的沥青混合料。

为了更好地对比分析混合料的渗透性,分别绘制达到初始入渗的时间、50%总体积含水量(即50%饱和度)和95%总体积含水量的条形图见图7。由图7可见,在试验开始后的5 h,AC标准试件经历了水分渗透。沥青含量为7.5%的试件需要约34 h才能达到初始浸润,而沥青含量为8.0%和8.5%的试件在试验期间均未出现入渗。

图7 初始入渗时间

图8列出了各混合料达到总体积含水量50%所需的时间。

图8 50%饱和度入渗时间

由图8可见,AC标准试件用了大约6 h达到50%的饱和度,而7.5%沥青含量的样品在初始浸润后饱和的速度较慢,历经107 h达到50%的饱和度。图9列出了各混合料达到总体积含水量95%所需的时间。

图9 95%饱和度入渗时间

由图9可知,AC标准试件历经大约24 h达到95%的饱和度。在5 d的测试期内,沥青含量为7.5%、8.0%或8.5%的样品均未达到总体积含水量的95%。

4 结论

1) 通过降雨模拟试验,可以真实模拟自然降雨过程,能够随时间跟踪沥青混凝土中水量的动态变化过程。

2) BDWSC沥青混合料具有优异的抗渗性,当沥青含量在8.0%以上时,可以达到完全不透水。

3) BDWSC沥青混合料不仅具有优异的抗渗性,同时具有优良的高温稳定性、抗裂性能,作为高密实抗渗沥青混凝土桥面防水结构层材料可以满足道路使用性能要求。