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橡膠瀝青碎石封層的層間結(jié)合穩(wěn)定性分析
在水泥混凝土橋梁工程的實(shí)際應(yīng)用中，瀝青混凝土鋪裝層往往會發(fā)生剝落、松散、擁包等早期病害。究其原因，主要是由于水泥混凝土橋面板與瀝青鋪裝層之間的碎石封層沒有起到良好的防水粘結(jié)效果，導(dǎo)致層間結(jié)合穩(wěn)定性不足從而發(fā)生破壞。碎石封層的層間結(jié)合穩(wěn)定性主要包括層間抗剪切強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。本文通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)來模擬層間實(shí)際受力狀況，系統(tǒng)研究影響橡膠瀝青層間結(jié)合穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素，了解其抗剪切強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，為現(xiàn)場應(yīng)用和施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。
一、層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分析
1、橡膠瀝青灑布量的確定
試驗(yàn)條件為：溫度60℃；剪切速率10mm·min-1；表面未撒碎石。為盡可能減少水泥混凝土表面狀況的差異對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在其表面涂一層環(huán)氧樹脂，固化前撒大量0.3~0.6mm的細(xì)砂，固化后將未粘住的砂清除。
試驗(yàn)過程：橡膠瀝青的灑布溫度為185℃~190℃，其用量選用1.2、1.5、1.8、2.1、2.5kg·m-2，相應(yīng)的碎石封層厚度約為1.2、1.5、1.8、2.1、2.5mm。
可以看出：當(dāng)橡膠瀝青用量在1.8kg·m-2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度τmax出現(xiàn)峰值，峰值左側(cè)τmax增加較緩，峰值右側(cè)τmax下降較快；當(dāng)橡膠瀝青用量超過2.1kg·m-2，層間抗剪強(qiáng)度值明顯降低，碎石封層此時(shí)可能成為滑動層；當(dāng)橡膠瀝青灑布量達(dá)到2.5kg·m-2時(shí)，從層間破壞特征來看，橡膠瀝青碎石封層與水泥混凝土試件及上層瀝青混凝土之間并未發(fā)生明顯的剪切破壞，而是由于碎石封層自身出現(xiàn)自由滑動而導(dǎo)致破壞。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮到實(shí)際施工時(shí)橋面粗糙程度的變異性和施工工藝，確定橡膠瀝青作為碎石封層的合適灑布量為1.6~2.0kg·m-2，灑布溫度為190℃~200℃。在實(shí)際工程中，具體撒布量應(yīng)視橋面粗糙狀況以及撒布碎石情況決定，粗糙程度較大或撒布碎石粒徑較小時(shí)取低值，反之則取高值。
2、碎石撒布工藝的優(yōu)化
采用瀝青材料作為橋面碎石封層，為防止在施工過程中出現(xiàn)運(yùn)輸車輛及攤鋪機(jī)粘輪現(xiàn)象而影響施工質(zhì)量，通常在噴灑完熱瀝青之后，撒布適量干燥潔凈的碎石，然后再用膠粉壓路機(jī)輕碾1~2遍。工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，撒布碎石有利于增大層間摩擦力，從而提高層間抗剪強(qiáng)度。
橡膠瀝青作為碎石封層同樣如此，通過試驗(yàn)來確定碎石撒布用量及粒徑對其層間抗剪強(qiáng)度的影響，從而提出針對性的技術(shù)措施來提高層間結(jié)合性能。試驗(yàn)條件為：室內(nèi)溫度60℃；剪切速率10mm·min-1；碎石撒布量為10kg·m-2；橡膠瀝青噴涂溫度為185℃~190℃；碎石撒布溫度為室溫。
可以看出：通過撒布碎石能夠有效提高層間抗剪強(qiáng)度。如果碎石與橡膠瀝青本身粘結(jié)力不足，或?yàn)r青混凝土鋪裝層僅與碎石粘結(jié)而未與碎石封層粘結(jié)，那么橋面板、碎石封層及鋪裝層三者的整體性將會受到較大影響，從而將直接影響層間結(jié)合性能。受此啟發(fā)，將潔凈碎石在160℃~165℃環(huán)境下預(yù)熱4h后進(jìn)行撒布，以此提高碎石與橡膠瀝青的粘結(jié)效果。在同樣條件下進(jìn)行上述試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，撒布預(yù)熱處理后的碎石，能夠明顯增加橡膠瀝青碎石封層的層間抗剪強(qiáng)度。
為充分發(fā)揮橡膠瀝青碎石封層的層間粘結(jié)效果，建議在實(shí)際施工過程中撒布潔凈碎石，灑布量為10kg·m-2左右，并適當(dāng)增加橡膠瀝青的噴灑溫度和用量，具體用量根據(jù)碎石潔凈程度、撒布量及粒徑分布情況綜合確定。如果有條件的話，建議將撒布碎石在160℃~165℃環(huán)境下進(jìn)行預(yù)熱處理。
3、混凝土表面狀況對層間抗剪強(qiáng)度的影響
針對橡膠瀝青作為碎石封層，以層間抗剪強(qiáng)度最大為判據(jù)，通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)來確定混凝土橋面板的最佳處理狀況。
試驗(yàn)條件為：溫度為常溫25℃；剪切速率為10mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8kg·m-2；不撒布碎石。將橋面板處理成不同程度的粗糙面來考察其對抗剪切強(qiáng)度的影響，其中光滑面是指水磨石人工磨制；原狀是指成型后不做任何處理；粗糙面是通過表面噴砂處理來模擬橋面拉毛后的實(shí)際效果?；炷帘砻娲植诔潭龋脭[式摩擦儀測定的抗滑值表示。
隨機(jī)選取表面處理情況分別為光滑、原狀和粗糙狀況的試件進(jìn)行試驗(yàn)，從宏觀方面初步研究表面狀況對于層間剪切強(qiáng)度的影響情況。
可以看出，對不同的混凝土表面狀況，碎石封層在相同條件下的抗剪強(qiáng)度有一定差別，具體表現(xiàn)為原狀表面(即試件成型后未進(jìn)行過任何處理)層間抗剪強(qiáng)度最小，其次為經(jīng)打磨處理的光滑表面，抗剪強(qiáng)度最大的為經(jīng)過噴砂處理的粗糙表面。出現(xiàn)這種狀況的原因可能是：原狀混凝土表面有粘結(jié)力較小的浮漿或受到污染或有未清潔干凈的塵土等，減小了抵抗水平剪力的有效面積，在剪切作用下成為薄弱面，更容易被剪斷破壞；新鮮的光滑表面避免了原狀表面的上述現(xiàn)象，與橡膠瀝青的粘結(jié)力較大，層間抗剪強(qiáng)度增大；混凝土表面具有一定的粗糙程度，有利于增減層間摩擦力，從而提高抗剪強(qiáng)度。由此可以看出，水泥混凝土橋面板表面進(jìn)行噴砂處理對于提高層間剪切強(qiáng)度的重要性。
4、溫度對層間抗剪強(qiáng)度的影響
通過改變溫度條件來考察其對橡膠瀝青碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的影響，其中剪切速率固定為10mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8kg·m-2；不撒布碎石。
分析上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：橡膠瀝青材料在60℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別相當(dāng)于15℃和25℃時(shí)的1/4和1/3，說明碎石封層的層間抗剪強(qiáng)度隨溫度的變化較大，尤其是在高溫下的抗剪強(qiáng)度明顯降低。而這剛好與橋面主要集中在夏季高溫時(shí)發(fā)生推移、擁包等病害的情況相吻合。在夏季高溫季節(jié)，橡膠瀝青粘度降低，抗流動能力減小，導(dǎo)致與水泥混凝土橋面板之間的粘結(jié)力下降，從而使得橋面在夏季高溫時(shí)容易出現(xiàn)推移、擁包等病害。本項(xiàng)試驗(yàn)直接反映了高溫環(huán)境對橋面鋪裝層層間結(jié)合穩(wěn)定性的破壞作用，因此，當(dāng)選用橡膠瀝青作為碎石封層材料時(shí)，必須嚴(yán)格控制其在高溫狀態(tài)下的抗剪能力。
二、層間粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)分析
1、環(huán)境溫度對層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響
橡膠瀝青作為溫度敏感性材料，模量隨溫度發(fā)生較大的變化。在高溫季節(jié)下，其模量降低，與水泥混凝土橋面板的模量相差很大，導(dǎo)致層間粘結(jié)強(qiáng)度降低。本試驗(yàn)通過改變溫度條件來考察其對橡膠瀝青碎石封層層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響，其中拉拔速率為10mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8kg·m-2；水泥混凝土表面情況均為原狀即成型后不做任何處理。試驗(yàn)過程中的破壞面位置均在碎石封層與水泥混凝土面之間。
分析上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：橡膠瀝青材料在60℃時(shí)的層間粘結(jié)強(qiáng)度分別相當(dāng)于15℃和25℃時(shí)的1/7和1/4，說明其層間粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化較大，尤其是在高溫下的粘結(jié)強(qiáng)度明顯降低。這主要是因?yàn)樵诟邷貤l件下，橡膠瀝青本身流動性增大，粘度有所降低，直接導(dǎo)致層間結(jié)合性能下降，同時(shí)也說明，當(dāng)選用橡膠瀝青作為橋面碎石封層時(shí)，必須嚴(yán)格控制其在高溫條件下的粘度。
2、混凝土表面狀況對層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響
采用不同界面狀況的混凝土試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，以研究其對橡膠瀝青碎石封層層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)條件為：溫度為常溫25℃；拉拔速率固定為10mm·min-1；橡膠瀝青噴灑量為1.8kg·m-2；3種界面處理情況分別為光滑面、原狀面和粗糙面(其中光滑面是指用水磨石人工磨制，原狀是指成型后不做任何處理，為模擬橋面拉毛后的實(shí)際情況，粗糙面是指試件成型強(qiáng)度形成后的表面用噴砂處理)。試驗(yàn)過程中的破壞面位置均在碎石封層與水泥混凝土面之間。
結(jié)合界面處理情況對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對碎石封層與水泥混凝土的界面接觸方式進(jìn)行微觀分析，確定使層間粘結(jié)強(qiáng)度最大時(shí)的理想界面情況。
3種界面狀況進(jìn)行微觀分析：絕對光滑，碎石封層與混凝土的接觸面積較大，破壞面在平整的混凝土表面，雖然可能具有較大的粘結(jié)力，但是層間抗剪強(qiáng)度較小；絕對粗糙，由于混凝土表面存在較突出的凸起和凹陷，在拉拔時(shí)，其實(shí)只有凸起處才產(chǎn)生粘結(jié)力，而在凹陷處，可能存在空隙等不粘結(jié)的地方，對粘結(jié)力的貢獻(xiàn)很小；最佳組合方式，即符合接觸面積最大時(shí)粘結(jié)力最大的條件，這種不存在表面突變的波浪型混凝土表面可能就是能夠產(chǎn)生最大粘結(jié)力的表面。這對現(xiàn)場如何通過處理混凝土表面狀況來提高層間粘結(jié)強(qiáng)度有很好的指導(dǎo)意義。
三、結(jié)語
(1)考慮到實(shí)際施工時(shí)橋面粗糙程度的變異性和施工工藝，確定橡膠瀝青作為碎石封層的合適灑布量為1.6~2.0kg·m-2，灑布溫度應(yīng)為190℃~200℃。
(2)在實(shí)際施工過程中應(yīng)撒布潔凈碎石，撒布量為10kg·m-2左右，同時(shí)建議將撒布碎石在160℃~165℃環(huán)境下進(jìn)行預(yù)熱處理。
(3)橡膠瀝青作為橋面碎石封層，其層間粘結(jié)強(qiáng)度受到環(huán)境溫度和橋面混凝土表面處理狀況的影響，其中溫度對其影響最大。當(dāng)環(huán)境溫度從15℃上升到60℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度降低80%左右，因此建議采用60℃時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度來反映橡膠瀝青碎石封層的界面結(jié)合效果。
(4)混凝土表面狀況對層間粘結(jié)影響較大，為保證層間穩(wěn)定性，橋面板應(yīng)進(jìn)行拉毛處理。
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