公路交通科技  2023, Vol. 40 Issue (5): 65-71

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黄明星, 陈栩, 曹超飞, 尚静, 任东亚.
HUANG Ming-xing, CHEN Xu, CAO Chao-fei, SHANG Jing, REN Dong-ya
动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性研究
Study on Water Stability of Waterproof Bonded Layer of Cement Concrete Bridge Deck Considering Dynamic Water Action
公路交通科技, 2023, 40(5): 65-71
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(5): 65-71
10.3969/j.issn.1002-0268.2023.05.009

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收稿日期: 2021-04-01
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黄明星, 陈栩, 曹超飞, 尚静, 任东亚. 动水作用下水泥混凝土桥面防水黏结层的水稳定性研究[J]. 公路交通科技, 2023, 40(5): 65-71.
HUANG Ming-xing, CHEN Xu, CAO Chao-fei, SHANG Jing, REN Dong-ya. Study on Water Stability of Waterproof Bonded Layer of Cement Concrete Bridge Deck Considering Dynamic Water Action[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(5): 65-71.
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
收稿日期: 2021-04-01
作者简介: 黄明星(1986-)，男，四川眉山人，硕士，高级工程师
通讯作者: 陈栩(1991-)，男，四川什邡人，博士
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    
Study on Water Stability of Waterproof Bonded Layer of Cement Concrete Bridge Deck Considering Dynamic Water Action
HUANG Ming-xing1, CHEN Xu2,3, CAO Chao-fei2,3, SHANG Jing2,3, REN Dong-ya2,3    
1. Sichuan Suiguang-Suixi 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 concrete bridge deck waterproof bonding layer under the action of dynamic water, the dynamic water action is simulated by using water sensitivity tester, the influences of 3 commonly used waterproof adhesive layer materials, i.e., AMP-100 bridge deck waterproof adhesive two-order reactive type), polymer modified asphalt-based fiber reinforced waterproof coating (polymer modified asphalt type) and SBS hot asphalt on the pall-out and shear strengths of the waterproof bonding layer of bridge deck under the water damage conditions of dry, vacuum immersion (long-term action), dynamic water (short-term action), dynamic water + immersion (short-term + long-term action) and freezing-thawing are comparatively analyzed respectively. The result shows that (1) The water damage conditions considering short-term + long-term effect weakens the mechanical properties of the waterproof adhesive layer the most, and has the most stringent requirements for the water damage resistance of the specimen, 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 reaction type, the weakening of (the 3.5th hour) dynamic water on the mechanical strength is about the 45th hour and the 46th hour of vacuum immersion. For the polymer modified asphalt type, the weakening of dynamic water on the mechanical strength is about the 36th hour and the 27th hour of vacuum immersion. For SBS hot asphalt, the weakening of dynamic water on the drawing strength is about the 30th hour of vacuum immersion, and the weakening of shear strength is greater than that of vacuum immersion. (3) When there is no water damage, the mechanical properties of the two-order reaction type are better than those of the polymer modified asphalt type, but the mechanical properties of the two-order reaction type are decays rapidly after being subjected to water damage, which is significantly poor than those of polymer modified asphalt. (4) The mechanical properties of SBS hot asphalt waterproof bonding layer are poor 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 bonded layer    dynamic water (short-term) action    immersion (long-term) action    
0 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的使用寿命[1-2]。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[4-8]。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[10-14]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[15-18]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、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[19-21]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. 1 Adhesion and cohesion failure mechanism
图选项

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。

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 F40—2004)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 1~3所示。指标要求参照《道桥用防水涂料》(JC/T975—2005)，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. 1 Main technical parameters of two-order reaction type
项目 指标要求 结果
固体含量/% ≥50 50.7
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
表选项

表 2 聚合物改性沥青主要技术参数 Tab. 2 Main technical parameters of polymer modified asphalt
项目 指标要求 结果
固体含量/% ≥50 51.3
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
表选项

表 3 SBS改性热沥青主要技术参数 Tab. 3 Main 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) 60~80 77.3
延度(5 ℃，5 cm/min)/cm ≮30 33.9
软化点/℃ ≮55 65
表选项

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25~60 ℃，加载水压为0~517 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。

图 2 试验装置 Fig. 2 Test device
图选项

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。

1.3 试验方法

为进一步探究干燥、冻融、真空浸泡、动水和动水+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。

表 4 不同水损害条件下不同作用时间的力学强度 Tab. 4 Mechanical strength under different moisture damage conditions at different time
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 h 4
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) 3
表选项

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 E20—2019)(征求意见稿)中T 0677和T0678，拉拔速率为(10±2) mm/min，剪切速率采用(50±2) 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. 5 Drawing and shear strength under different spraying amounts
喷洒量/(kg·m-2) 二阶反应型/MPa 聚合物改性沥青/MPa SBS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
0.5 0.793 2.154 0.764 2.145 0.514 1.464
1 0.887 2.513 0.945 2.462 0.587 1.826
1.5 0.904 2.587 0.654 2.256 0.546 1.887
2 0.797 2.231 0.531 1.984 0.531 1.614
最佳喷洒量/(kg·m-2) 1.281≈1.3 1.029≈1.0 1.303 ≈1.3
表选项

2 试验结果分析

图 3~5分别为二阶反应型、聚合物改性沥青和SBS热沥青在不同水损条件后的拉拔和剪切强度。由图 3~5可得：除SBS热沥青在不同水损条件后的剪切强度大小为干燥(对照组)>真空浸泡>动水>冻融>动水+浸泡外，其余防水黏结层材料在不同水损条件后的拉拔和剪切强度，均为干燥(对照组)>动水>真空浸泡>冻融>动水+浸泡，其中SBS热沥青在真空浸水作用后的剪切强度(1.713 MPa)略大于动水作用的剪切强度(1.651 MPa)。这是由于剪切强度同时取决于防水黏结层材料的黏结强度和接触面的摩擦系数，而接触面的摩擦系数离散性较大，因此剪切强度出现了较大的离散性，导致了SBS热沥青在动水和真空浸泡后的剪切强度大小出现异常，具体试验结果离散性如图 6所示。

图 3 二阶反应型拉拔和剪切强度 Fig. 3 Tensile and shear strengths of two-order reaction type
图选项

图 4 聚合物改性沥青拉拔和剪切强度 Fig. 4 Tensle and shear strength of polymer modified asphalt
图选项

图 5 SBS热沥青拉拔和剪切强度 Fig. 5 Tensle and shear strength of SBS hot asphalt
图选项

图 6 拉拔与剪切强度的变异系数 Fig. 6 Variation coefficient of tensile and shear strength
图选项

以上测试结果表明，更加符合路面实际情况的动水+浸泡(短期+长期作用)作用对防水黏结层的拉拔和剪切强度削弱最大，对试件抗水损害要求最苛严。这可能是由于其中的动水(短期)作用不仅能对防水黏结层造成冲刷，还能削弱沥青材料自身的内聚力，而浸泡(长期)作用又能削弱沥青类材料-集料之间的黏附力，文献[19-21]也有类似研究成果。此外，动水+浸泡(短期+长期)作用对桥面防水黏结层拉拔和剪切强度的削弱大于真空浸水、冻融等水损条件，也是桥面防水黏结层在符合设计、施工等相关规范要求的情况下，其防水黏结效果仍然频繁失效的重要原因之一，故推荐使用动水+浸水(短期+长期)作用来评价桥面防水黏结层的水稳定性。

为探明不同水损条件对防水黏结层力学强度削弱大小之间的关系，拟合了真空浸水和浸水(动水后)曲线，发现：对于二阶反应型，动水作用对拉拔和剪切强度的削弱分别约为真空浸泡第45 h和第46 h，冻融为浸水(动水后)作用的第24 h和第29 h；对于聚合物改性沥青，动水分别为真空浸泡作用第36 h和第27 h，冻融作用分别为浸水(动水后)作用的第40 h和第39 h；对于SBS热沥青，动水作用对拉拔强度的削弱约为真空浸泡第30 h，动水作用对剪切强度影响大于真空浸水，冻融作用分别为浸水(动水后)的第28 h和第27 h。具体如表 6所示。

表 6 不同水损条件对力学强度削弱大小的关系 Tab. 6 Relationship between different moisture-induced damage conditions and mechanical strength
防水黏结层种类 动水第(3.5 h)与浸水(真空后)第(48 h) 冻融第(40 h)与浸水(动水后)第(48 h)
拉拔强度/MPa 剪切强度/MPa 拉拔强度/MPa 剪切强度/MPa
二阶反应型 动水≈浸水
第45 h		 动水≈浸水
第46 h		 冻融≈浸水
第24 h		 冻融≈浸水
第29 h
聚合物改性沥青 动水≈浸水
第36 h		 动水≈浸水
第27 h		 冻融≈浸水
第40 h		 冻融≈浸水
第39 h
SBS热沥青 动水≈浸水
第30 h		 动水＞浸水
第48 h		 冻融≈浸水
第28 h		 冻融≈浸水
第27 h
表选项

图 7为不同防水黏结层在不同水损条件作用后的拉拔和剪切强度值，可知：二阶反应型在干燥条件下的拉拔和剪切强度均大于聚合物改性沥青；除在冻融条件下的拉拔强度大于聚合物改性沥青外，二阶反应型在所有水损害条件下的拉拔和剪切强度均小于聚合物改性沥青；SBS热沥青在任何条件下的拉拔和剪切强度，均小于二阶反应型和聚合物改性沥青。以上测试结果表明：从整体上看，二阶反应型虽然在干燥时的拉拔和剪切强度均大于聚合物改性沥青，但其抗水损害能力弱于聚合物改性沥青；无论是干燥还是水损作用后，SBS热沥青的拉拔和剪切强度均低于二阶反应型和聚合物改性沥青。

图 7 不同防水黏结层在不同水损条件的拉拔和剪切强度值 Fig. 7 Tensile and shear strength of different waterproof bond layers under different moisture damage conditions
图选项

3 结论

本研究对比分析了二阶反应型、聚合物改性沥青和SBS热沥青分别受到干燥(对照组)、冻融、真空浸水(长期作用)、动水(短期作用)和动水+浸水(短期+长期作用)等不同水损条件作用后，对拉拔和剪切强度造成的影响，得出了如下结论：

(1) 从整体上看，防水黏结层材料在不同水损条件作用后的拉拔和剪切强度大小均为干燥(对照组)>动水>真空浸泡>冻融>动水+浸泡。表明，更加符合路面实际情况的动水+浸泡(短期+长期作用)作用对防水黏结层的拉拔和剪切强度削弱最大，抗水损害要求最严苛，推荐该水损条件用于防水黏结层的水稳定性评价。

(2) 对于二阶反应型，动水作用第(3.5 h)对力学强度(拉拔和剪切强度)的削弱约为真空浸泡作用的第45 h和第46 h，冻融对力学强度的削弱约为浸水(动水后)的第24 h和第29 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，冻融为浸水(动水后)的第40 h和第39 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，冻融对力学强度的削弱约为浸水(动水后)的第28 h和第27 h。

(3) 从整体上看，虽然二阶反应型在干燥时的力学强度大于聚合物改性沥青，但其抗水损害能力弱于聚合物改性沥青，SBS热沥青的力学性能差于二阶反应型和聚合物改性沥青。

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