高密實抗滲瀝青混凝土橋面防水結構層性能研究

顏華平 曾成福

(1.江西省交通投資集團南昌北管理中心 南昌 330000; 2.江西省交通工程集團有限公司 南昌 330000)

近年,許多混凝土橋面在遠未達到設計使用壽命之前產生嚴重病害。經發現,大部分是由于防水系統失效,在凍融循環過程中,水分滲透到橋面導致了惡化速度增加[1-2]。此外,冬季用于防止危險路段的融雪劑或除冰鹽滲透到橋面,導致鋼筋腐蝕,削弱了橋梁的結構完整性[3]。鋪設不透水的瀝青混凝土結構是防止水和氯化物滲入橋面的一種有效方法。同時,在橋面防水黏結層失效情況下能夠保證橋梁不受水和氯化物的影響。

橋面防水常見的做法是在混凝土結構層和瀝青層之間作防水黏結層[4]。防水黏結層的材料種類繁多,部分防水材料本身質量不過關、與界面黏結不好或耐久性差,造成橋梁使用中起不到防水作用,引起橋面水損害、梁體腐蝕鋼筋,嚴重影響了結構的承載力、安全性和耐久性等[5]。另外,通過實際應用發現,在鋪筑瀝青混凝土路面時,防水黏結層容易被高溫破壞和粗集料穿刺,導致橋梁防水系統失效[6]。

本研究提出一種高密實抗滲瀝青混凝土橋面防水結構層(BDWSC)(見圖1),以防止水滲入橋面。BDWSC具有高壓實度和低空隙率,主要是通過改進的級配實現,從而達到不透水性。另外,為了保證BDWSC能夠有效承受交通荷載作用,采用高黏度改性瀝青和高模量劑,以提高BDWSC瀝青混合料的抗車轍性能[7]。BDWSC作為不透水的磨損層,將保護橋梁結構免受凍融和腐蝕相關的損害,有助于延長橋梁使用壽命,降低維修成本。

圖1 高密實抗滲瀝青混凝土橋面防水結構層示意圖

1 試驗材料

采用粒徑9.5～13.2,4.75～9.5 mm玄武巖粗集料,和粒徑0～4.75 mm石灰巖細集料。瀝青采用PG76-22的SBS改性瀝青,并在設計配合比下成型BDWSC瀝青混合料試件。瀝青混合料中摻加高模量外加劑,以保證瀝青混合料具有足夠的抗車轍能力。粗集料基本技術指標見表1,瀝青基本性能見表2,BDWSC瀝青混合料級配見圖2。

表1 粗集料的技術指標

表2 SBS改性瀝青的性能

圖2 級配組成

2 試驗方法

采用SCB半圓彎曲試驗對BDWSC瀝青混合料的斷裂性能進行評價,采用FN流動次數試驗評價BDWSC瀝青混合料的抗車轍性能。通過SCB半圓彎曲試驗可以得到瀝青混合料的柔性指數FI,用以評價瀝青混合料的抗裂性能。另外,通過開發的降雨模擬試驗,對BDWSC瀝青混合料的抗滲性能進行定量評價,降雨模擬試驗可以很好地模擬實際工況下橋面的滲水情況。在試驗前,采用Superpave旋轉壓實儀(SGC)制備半圓彎曲(SCB)、流動次數(FN)和降雨模擬試件。試件的瀝青含量分別為7.5%,8.0%,8.5%。每種瀝青含量分別制備4個試件用于SCB試驗,制備3個試件用于FN試驗,制備3個試件用于降雨模擬試驗。

2.1 SCB半圓彎曲試驗

對于SCB試驗,首先將瀝青混合料壓實成直徑×高度=150 mm×130 mm尺寸的樣品。然后使用高精度鋸將每個壓實樣品切割成4個直徑為150 mm、厚度為(57±2) mm的半圓試件。采用超薄金剛石切割片在半圓試件的中部位置切割(15±0.5) mm切口深度的縫。試驗在25 ℃下進行,在測試的前一天將試件放在恒溫箱中。將半圓形試件平置于2個底部支撐滾軸上,上部居中位置采用1個圓柱加載條對試件施加垂直荷載,加載速率為0.5 mm/min,見圖3。試驗過程中采集荷載與位移,得到荷載-位移曲線。當荷載降至0.5 kN以下時,試驗停止。

圖3 SCB半圓彎曲試驗

柔性指數FI為斷裂能(Gf)與荷載-位移曲線拐點處斜率之比。FI可以表征瀝青混合料的脆性,FI值越低,瀝青混合料越脆,裂縫擴展速率更快。Gf為試件斷裂功與開裂區面積之比,斷裂功Wf由試驗得到的曲線下面積和曲線延伸面積的總和。曲線延伸面積通過使用系數為-2的冪函數來推斷得到。通過下面公式計算瀝青混合料的柔性指數FI。

(1)

(2)

(3)

式中:FI為柔性指數;Gf為斷裂能,kJ/m2;abs(m)為荷載-位移曲線拐點處斜率絕對值,kN/mm;Wf為斷裂功,kJ;r為試件半徑,m;a為切口深度,m;t為試件厚度,m;P為荷載,kN;u為位移,m。

2.2 流動次數試驗

對于流動次數FN試驗,旋轉壓實瀝青混合料尺寸為直徑×高度=150 mm×170 mm的樣品。然后對試件進行取芯和切割,獲得直徑×高度100 mm×150 mm的圓柱形試件。為了避免偏心受力,兩端橫截面應平行,高度允許誤差±0.5 mm。在試驗開始前施加5 kPa的應力穩壓5min,穩壓完成后,施加軸向應力600 kPa,采用0.1 s加載、0.9 s間歇的半正弦波荷載,試驗溫度為60 ℃。為了達到規定的試驗溫度,試件放在烘箱中至少加熱4 h,移入UTM環境箱中繼續保溫1 h后進行試驗。瀝青路面的永久變形有3個階段:遷移期、穩定期、破壞期。流動次數FN是在永久變形第二階段結束、第三階段開始時的加載周期。

2.3 降雨模擬試驗

采用自行開發的設備進行降雨模擬試驗,該設備可以模擬自然降雨,不斷使樣品飽和。它主要由可調節的淋雨噴頭、潛水泵、CS655濕度傳感器和載物臺組成,裝置示意如圖4。CS655濕度傳感器嵌入在試件的抗滲瀝青混凝土與水泥混凝土黏結界面,然后使用硅凝膠密封濕度傳感器外露部位,以防止水從外部到達傳感器,同時將傳感器包裹在保鮮膜中,并安裝保護罩,以進一步確保沒有水分從試件的側面或傳感器的插入點到達傳感器。CS655濕度傳感器可以測量體積含水量,體積電導率和溫度。用于測量的濕度傳感器經過校準,每分鐘讀取1次濕度讀數,并將讀數導出到電子表格中。通過讀取試件內的介電常數直接測量水分讀數,然后將讀數轉換為體積含水量(m3/m3)。從輸出數據中,可以隨時間跟蹤抗滲瀝青混凝土與水泥混凝土界面上存在的水量,從而確定水完全滲透到試件中的時間。降雨模擬試驗的試件尺寸為600 mm(長)×400 mm(寬)×200 mm(高),按照暴雨等級的自然降水量,試驗設計灑水量為16.7 cm3/min。

圖4 降雨模擬示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 抗裂性能

SCB試驗結果見圖5。

圖5 不同瀝青含量的BDWSC柔性指數

如圖5所示,瀝青含量為8.5%(質量分數,下同)時,BDWSC瀝青混合料的柔性指數顯著高于瀝青含量為7.5%和8.0%時的柔性指數。當試件的瀝青含量為7.5%和8.0%,瀝青含量增加0.5%,導致柔性指數提高約25%;當瀝青含量為8.0%和8.5%時,瀝青含量增加0.5%,導致柔性指數提高約95%。結果表明,瀝青含量越高,BDWSC瀝青混合料的柔性指數越大,混合料的柔韌性越好,抗裂能力越強。當瀝青含量為8.5%時,柔性指數提升最顯著。

3.2 抗車轍性能

流動次數試驗結果見圖6。已有相關研究建議,對于年均交通量超過3 000萬 pcu的道路,最小流動次數FN要求為740[8]。

圖6 不同瀝青含量的BDWSC流動次數

由圖6可見,3種瀝青含量(7.5%,8.0%,8.5%)的FN值均大于740。瀝青含量為7.5%和8.0%的BDWSC瀝青混合料平均FN值分別為5 736和5 208。雖然在瀝青含量為8.5%時,瀝青混合料的平均FN值為1 262,顯著低于瀝青含量為7.5%和8.0%的FN值,但該結果仍大于推薦要求值740。結果表明,由PG76-22高性能改性瀝青和專門設計級配組成的高密度瀝青混合料具有優異的抗車轍性能,現場不會出現因車轍導致的路面失效問題。

3.3 抗滲性能

為了作試驗對比,制作空隙率為7%的AC瀝青混合料標準試件,并測量滲水性。AC試件在剛開始時無入滲,隨著時間推移,水很快開始滲透到達傳感器位置,體積含水量迅速增加。當傳感器周圍的瀝青混合料飽和后,體積含水量讀數趨于穩定,表示水已完全滲透到瀝青混合料中。對于BDWSC試件,在5 d測量分析期間,瀝青含量為8.0%和8.5%的試件均未發生滲透。7.5%瀝青含量的試件開始階段未出現入滲現象,但是到了80 h之后,含水量開始迅速增加,一直到測量結束時,試件還未達到完全飽和狀態。結果表明,在8.0%和8.5%瀝青含量的BDWSC瀝青混合料的微觀結構中,由于斷開的空隙通道網絡,從而形成了不透水的瀝青混合料。

為了更好地對比分析混合料的滲透性,分別繪制達到初始入滲的時間、50%總體積含水量(即50%飽和度)和95%總體積含水量的條形圖見圖7。由圖7可見,在試驗開始后的5 h,AC標準試件經歷了水分滲透。瀝青含量為7.5%的試件需要約34 h才能達到初始浸潤,而瀝青含量為8.0%和8.5%的試件在試驗期間均未出現入滲。

圖7 初始入滲時間

圖8列出了各混合料達到總體積含水量50%所需的時間。

圖8 50%飽和度入滲時間

由圖8可見,AC標準試件用了大約6 h達到50%的飽和度,而7.5%瀝青含量的樣品在初始浸潤后飽和的速度較慢,歷經107 h達到50%的飽和度。圖9列出了各混合料達到總體積含水量95%所需的時間。

圖9 95%飽和度入滲時間

由圖9可知,AC標準試件歷經大約24 h達到95%的飽和度。在5 d的測試期內,瀝青含量為7.5%、8.0%或8.5%的樣品均未達到總體積含水量的95%。

4 結論

1) 通過降雨模擬試驗,可以真實模擬自然降雨過程,能夠隨時間跟蹤瀝青混凝土中水量的動態變化過程。

2) BDWSC瀝青混合料具有優異的抗滲性,當瀝青含量在8.0%以上時,可以達到完全不透水。

3) BDWSC瀝青混合料不僅具有優異的抗滲性,同時具有優良的高溫穩定性、抗裂性能,作為高密實抗滲瀝青混凝土橋面防水結構層材料可以滿足道路使用性能要求。