基于性能综合比选的铺装界面粘结性能研究

徐学召，张治涛，耿瑞聪

（山东省路桥集团有限公司，山东 济南）

概述

由于桥隧建设的突飞猛进，铺筑于水泥混凝土基础上的沥青铺装越来越多，但是随着交通的飞速发展，高温重载交通环境逐渐增多，部分沥青铺装出现了泛白、车辙、推移和坑槽等病害，影响了铺装的正常使用。从病害原因分析的角度来看，以上病害的发生与防水粘结层的破坏均有或多或少的关系。防水粘结层破坏后，沥青铺装与水泥混凝土间的整体性降低，导致行车荷载无法完全向下传递，而且防水粘结层破坏后也会导致水进入铺装内部，在高温天气耦合作用下，铺装容易出现早期病害。因此，本文结合某大型工程，通过性能综合比选的方式，开展铺装界面粘结性能研究工作。

1 力学分析

根据依托工程的铺装结构建立力学分析模型，主要分析沥青铺装与水泥混凝土层间受力情况，其中沥青铺装层弹性模量取值范围为1 500 MPa，泊松比为0.35，水泥混凝土弹性模量取值为31 000 MPa，泊松比为0.15，见图1。

图1 铺装结构组合及有限元模型

力学分析结果见表1。

表1 有限元计算结果

由上述试验结果可知，依托项目上下铺装层间剪应力及铺装下层与调平层间剪应力均在纵向取得最大值，其中，上下铺装层间最大剪应力为0.17 MPa，铺装下层与调平层间最大剪应力为0.33 MPa，铺装下层与调平层间最大剪应力大于上下铺装层间最大剪应力。因此，应重点关注铺装下层与调平层间界面粘结性能，避免由于该界面处粘结性能不足而出现剪切推移破坏。根据上述力学分析结果，结合以往工程经验，本项目铺装下层与调平层间界面抗剪强度应不小于0.6 MPa。

2 防水粘结层性能研究

防水粘结层是连接铺装层与水泥混凝土基面的重要界面层，防水粘结层的性能将直接影响桥隧铺装层的使用耐久性。以往工程经验表明，桥隧铺装病害的主要原因之一是由于防水粘结层材料自身性能不足或在施工及服役过程被破坏等原因造成粘结失效，进而导致铺装层在行车荷载作用下发生剪切推移破坏。因此，防水粘结层材料需具备良好的施工和易性能、粘结和抗剪切性能、防水防渗性能、抗施工损伤性能、高/低温性能、变形协调性能及耐久性能等[1]。

基于上述性能要求，结合以往工程经验及现阶段国内应用较为成功的案例，本研究初步选定水性环氧沥青（1#）、二阶环氧树脂（2#）及SBS 改性沥青（3#）三种材料开展性能综合比选研究。

2.1 施工和易性

本研究参照GB 1728《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》[2]开展防水粘结层材料施工和易性研究，主要研究三种材料的25 ℃温度下的表干时间与实干时间，试验结果见表2。

表2 防水粘结层材料干燥时间

由试验结果可以看出，1#和2# 材料的表干时间和实干时间无明显差距，3#材料为沥青类材料，无需发生化学反应，降温后即可形成强度。总体而言，三种防水粘结层材料均具有较好的施工和易性。

2.2 粘结强度及剪切强度

本研究参照JTG/T 3364-02-2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》[3]开展防水粘结层材料粘结强度及45°剪切强度性能研究，试验结果见表3。

表3 防水粘结层材料强度性能

从粘结性能试验结果来看，2#材料的粘结强度和剪切强度试验结果最高，表明2#材料在25 ℃时具有更好的粘结性能。

2.3 耐高温性能

本研究参照JC/T 408-2005《水乳型沥青防水涂料》[4]，通过测定防水粘结层材料在110 ℃±2 ℃恒温烘箱中放置5 h 后的状态，研究三种材料的耐高温性能，试验结果见表4。

表4 防水粘结层材料变形性能

由试验结果发现，所选三种防水粘结材料均具有良好的高温稳定性能，在110 ℃±2 ℃试验温度下均无流淌、滑动及滴落现象，能很好的抵抗沥青混料摊铺时带来的热冲击。

2.4 防水性能

本研究参照GB T 16777-2008《建筑防水涂料试验方法》[5]，测定三种材料的不透水性，试验结果见表5。

表5 防水粘结层材料不透水性

由试验结果可知，三种防水粘结层材料在原始状态下（未摊铺铺装上层）均具有较好的防水性能，可有效阻止面层水分下渗至铺装下层。

2.5 低温性能

铺装层与混凝土基层间及上下铺装层间界面在荷载条件下，追随混凝土基层发生协同变形。在冬季，温度的降低使防水粘结材料的拉伸强度降低，柔韧性变差，收缩变形甚至发生脆裂。因此，防水粘结层材料不仅要保证在不同温度使用条件下的界面强度，还应具备在追随混凝土基层发生挠曲变形后不发生断裂破坏，保持完整性的能力。本研究参照GB/T 328.14-2007《建筑防水卷材试验方法 第14 部分 沥青防水卷材 低温柔性》[6]中相关试验方法，测定三种材料的低温柔韧性，试验结果见表6。

表6 防水粘结层材料低温柔性

表7 不同粘结层材料性能比选

由试验结果可知，3 种材料在-20 ℃下经弯曲后仍然保持完好，未出现任何裂纹及断裂，表现出较好的低温柔韧性。

2.6 综合性能比选

基于上述各项性能检测结果，结合依托工程结构特点与服役环境特点，本项目应重点关注防水粘结层粘结强度与抗剪强度、高温性能、防水性能，根据不同指标的重要程度分别赋予各指标以相应的权重，加权平均计算三种材料的综合性能评分。

经综合计算三种材料的结强度与抗剪强度、低温性能、防水性能等，1#材料综合评分为94，2#材料综合评分为98，3#材料评分为92。因此，推荐材料2#材料（即二阶环氧）作为本项目的防水粘结层材料。

3 实体工程应用

南京燕子矶长江隧道是南京市内重要的过江通道之一，位于长江大桥和长江二桥之间，距离长江大桥7.4 km，距离长江二桥2.7 km，隧道长4 215 m。隧道路面铺装上面层为4 cm SBS 改性温拌阻燃沥青混凝土SMA-13，下面层为6 cm SBS 改性温拌中粒式混凝土AC-20C。隧道进出口段存在一定的光线明暗交替，车辆在隧道进出口段易出现频繁的制动及加速。此外，隧道进出口段往往存在较大纵坡。大纵坡及频繁的速度变化，均对隧道铺装层及粘结层性能提出了更高的要求。

本项目左线出口段K1+000～K1+060 段采用原设计防水粘结层及本研究推荐的二阶环氧作为防水粘结层，试验段总长度为60 m，总面积为240 m2，两种方案各施工30 m，试验段检测结果见表8。

表8 试验段拉拔强度检测结果

试验段实施检测结果表明，经本研究综合比选确定的二阶环氧粘结层粘结强度显著高于原设计粘层，其中防水粘结层与基面间粘结强度较原设计方案提升约95%，铺装下层与水泥混凝土基面间粘结前度较原设计方案提升约198%，二阶环氧具有更加优异的界面粘结性能。

4 结论

（1） 力学分析结果表明，依托项目上下铺装层间剪应力及铺装下层与调平层间剪应力均在纵向取得最大值，结合以往工程经验，本项目铺装下层与调平层间界面抗剪强度应不小于0.6 MPa。

（2） 综合选所选防水粘结材料的粘结强度、抗剪强度、高温性能、低温性能等各项性能，二阶环氧综合得分最高，推荐材料二阶环氧作为本项目防水粘结层材料。

（3） 实体工程应用效果表明，本研究优选的防水粘结层材料较原设计方案具有显著提升，可有效改善铺装层与混凝土基面间的界面粘结强度，降低铺装层发生剪切推移病害风险。