李 城 杨德胜
(重庆市智翔铺道技术工程有限公司 重庆 400064)
我国早期建设的水泥混凝土路面已经进入养护阶段,对水泥路面进行“白改黑”加铺是提高路面服务质量的有效手段,常见的加铺方法是对水泥路面病害进行处治后加铺沥青混凝土,厚度一般不小于10 cm[1].沥青超薄罩面摊铺厚度为15～20 mm,对路面标高影响小,超薄罩面耗费材料少,能够节约大量原材料和养护成本.刚性路面和柔性路面加铺超薄罩面的层间结合状态具有显著差异,由于沥青混凝土在施工时无法嵌入水泥混凝土内部形成连续嵌固结构,导致加铺层与原路面存在明显的界限.刚性路面加铺超薄罩面的层间黏结力主要来源于集料在水泥混凝土表面的锚固效果和黏结层的黏结作用,水泥路面的粗糙程度和黏结剂的黏结强度对养护效果有直接影响[2-5].
加铺超薄罩面前需对水泥路面表面进行处理并洒布黏结层,当层间黏结效果良好时,加铺层与水泥混凝土能够形成连续黏合的结构;当层间黏结效果不佳时,层间易发生剪切破坏[6].针对水泥路面加铺超薄罩面的层间黏结问题,文中就不同水泥路面预处理方法和层间黏结材料对黏结效果的影响进行试验,测试黏结剂与水泥基面的黏结强度.制备沥青-水泥混凝土组合结构试件,测试拉拔强度和剪切强度,推荐适合水泥路面超薄罩面养护的层间黏结方案.
1.1 原材料
层间黏结剂选用SBS改性乳化沥青、ES-2型改性乳化沥青稀浆封层、SBS改性沥青碎石封层、溶剂型黏结剂,其中溶剂型黏结剂是由橡胶、沥青、树脂和溶剂等材料混合制备而成的桥面防水黏结剂,材料技术指标见表1～3.
表1 改性乳化沥青技术指标
表2 SBS改性沥青技术指标
表3 溶剂型黏结剂技术指标
1.2 水泥基面预处理
室内成型水泥混凝土板,分别采用喷砂、拉毛和露石路面工艺,形成具有不同粗糙程度的水泥混凝土基面,见图1.喷砂工艺是以压缩空气为动力,带动磨料经充分混合后形成高速喷射束将磨料喷射到水泥混凝土表面,通过坚硬锐利的沙粒对表面的冲击、切削和摩擦,以实现提高表面构造和摩擦阻力的目的[7].拉毛是在混凝土初凝前,在混凝土表面拉毛形成纹深度1.5～3 mm的纹理构造[8].露石技术是在制作试件时将水泥混凝土拌和、振捣成型,待表面水干燥后在表面喷洒露石剂,在下层混凝土终凝后用水刷洗表面,露出均匀分布的2 mm左右高度粗集料表面[9].图1为水泥混凝土表面处理效果图.
图1 水泥混凝土表面处理效果
采用铺砂法测试三种处理方式的混凝土表面构造深度见表4.
表4 水泥混凝土表面构造深度测试结果
1.3 制作黏结强度试件
在车辙模具内浇筑水泥混凝土试件,对水泥混凝土表面进行喷砂、拉毛和露石处理,在处理后的水泥混凝土表面分别涂布改性乳化沥青、ES-2型改性乳化沥青稀浆封层、SBS改性沥青碎石封层、溶剂型黏结剂,各种黏结剂的用量见表5.
表5 防水黏结层材料及用量
分别制作黏结层-水泥基面拉拔试件、沥青层-黏结层-水泥基面组合拉拔试件和剪切试件,见图2.
图2 拉拔试件和剪切试件
试件制作方法如下.
1) 黏结层与水泥基面拉拔试验用以测试不同黏结层与水泥基面的拉拔强度,制作时将水泥板切割成100 mm×100 mm方形试件,在上层涂布黏结层;待黏结层破乳或养生形成强度后,将环氧树脂均匀涂抹在拉拔头底板并快速黏附在试件表面,并在常温条件下养生固化.
2) 组合结构试件是在水泥混凝土板上涂布黏结层,然后加铺2 cm厚的沥青混合料形成组合车辙试件.加铺层级配采用EMC-10,沥青为SBS改性沥青,油石比为5.5%,混合料级配见表6.
表6 EMC-10加铺层级配
制作组合结构拉拔试件时,将组合车辙试件切割成100 mm×100 mm方形试件,然后使用钻芯机钻取直径为50 mm的环形切口,钻芯深度至水泥基面内1～2 mm.将环氧树脂均匀涂抹在拉拔头底板并快速黏附在试件表面,黏附时要注意拉拔头与接口边缘对齐,不能将环氧树脂挤压进环形切口内,在常温条件下养生固化.制作组合结构剪切试件时,将组合车辙试件切割成150 mm×150 mm试件,用记号笔标记加铺层成型碾压方向作为剪切加载方向.
2.1 黏结剂用量的影响
为确定各黏结剂在水泥混凝土表面的最佳用量,在推荐的用量范围内设置表7的五种水平的黏结剂用量进行拉拔试验,试验温度为25℃,拉拔试验结果见图3.
表7 四种黏结剂的用量水平
图3 黏结剂用量对黏结强度的影响
由图3可知:黏结剂的拉拔强度均随黏结剂涂布量的增加呈先增大后减小的趋势,黏结剂存在最佳用量.改性乳化沥青、稀浆封层、溶剂型黏结剂和SBS沥青碎石封层分别在用量为0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2时的拉拔强度达到最大值.
2.2 不同基面处治方法测试结果
分别在喷砂、拉毛、露石和原状的四种水泥混凝土表面涂布改性乳化沥青,采用万能试验机测试拉拔强度和剪切强度,拉拔试验采用半径为25 mm的拉拔头,拉伸速率为(10±2) mm/min,试验温度为25℃;剪切试验采用组合结构试件,试件截面为150 mm×150 mm,加载速率为(50±5) mm/min,试验温度为25℃,试验结果见表8.
表8 不同处治基面的黏结强度 单位:MPa
由表8可知:经过不同工艺的表面处理后,层间的黏结强度都有所提高,黏结强度提高幅度在9.7%～32.3%,证明了基面的处理工艺对层间黏结的作用.采用喷砂工艺处理基面后的黏结强度提高了32.3%,明显高于其他处理工艺提高的幅度,说明喷砂工艺对于提高层间黏结强度的效果最佳.从剪切试验的结果看,基面的处理工艺对层间剪切强度的影响大于对黏结强度的影响.采用基面处理工艺后,剪切强度均大幅提高,拉毛处理使剪切强度提高了31.8%,采用喷砂工艺的提高幅度达到了68.2%,效果最佳.
2.3 不同黏结材料测试结果
采用上文所述的四种层间黏结材料和喷砂处理的水泥板制作拉拔试件和组合结构拉拔、剪切试件,测试黏结层与水泥混凝土表面的黏结强度,见表9.
表9 不同黏结剂的黏结强度 单位:MPa
由表9可知:不同试验条件下四种材料的拉拔强度与剪切强度具有一致的大小关系,均表现为溶剂型黏结剂>SBS沥青碎石封层>改性乳化沥青稀浆封层>改性乳化沥青,改性乳化沥青与改性乳化沥青稀浆封层的黏结强度差异较小.溶剂型黏结剂和SBS沥青碎石封层的黏结强度均优于改性乳化沥青,以组合试件为例,溶剂型黏结剂和SBS沥青碎石封层的拉拔强度是改性乳化沥青的2.9和1.7倍,剪切强度为4.3和2.5倍,溶剂型黏结剂具有最佳的黏结效果.此外,不同材料的剪切强度相对于拉拔强度表现出更加显著的差异性,组合结构剪切试验适合用于材料对黏结性能影响的差异性评价.
2.4 组合铺装结构黏结破坏影响因素分析
相关研究表明,距路表2～10 cm属于高剪应力区,对超薄罩面而言,由于摊铺厚度薄,外界气候条件对层间黏结剂的影响增大.针对水泥路面加铺超薄罩面的组合路面结构,设计了冻融循环、60 ℃浸水和车辙加载三种破坏条件,按照式(1)计算试件的残留剪切强度比RSSR(residual shear strength ratio).
(1)
式中:RRSSR为试件的残留剪切强度比,%;τ1为组合结构试件25℃条件下的剪切强度,MPa;τ2为试件经过养生破坏后的剪切强度,MPa.试验条件如下所述:
1) 冻融循环和60℃浸水养生参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0729—2000和T0709—2011的试验方法,将切割好的组合试件按照《规程》中的方法进行养生,测试剪切强度.
2) 车辙加载破坏试验参照《规程》中T0719—2011的试验方法,将组合车辙试件在60℃条件下进行车辙试验,模拟路面的加载情况,待试件冷却后将车辙加载区域切割成剪切试件并测试剪切强度.试验结果见表10.
表10 组合结构试件黏结破坏后的剪切强度
由剪切试验结果可知,冻融循环、浸水和车辙碾压对组合路面结构的层间黏结强度均有不利影响,车辙碾压后试件的RRSSR最小,水泥基面未处理时改性乳化沥青与溶剂型黏结剂的RRSSR降低至71.7%和75.8%,喷砂后为80.8%和81.5%.采用喷砂工艺对水泥混凝土表面进行处理能够提高组合结构试件的剪切强度,经过养生和破坏后,喷砂试件的RRSSR大于未进行表面处理的试件,喷砂处理提高了水泥混凝土表面的粗糙度,有利于层间黏结的耐久性.溶剂型黏结剂的剪切强度明显大于改性乳化沥青,养生破坏条件对残留剪切强度比的影响存在差异,60℃浸水养生后改性乳化沥青的RRSSR大于溶剂型黏结剂,冻融循环和车辙加载后溶剂型黏结剂的RRSSR较大.
1) 改性乳化沥青、稀浆封层、溶剂型黏结剂和SBS沥青碎石封层与水泥混凝土的拉拔强度均随涂布量的增加呈先增大后减小的趋势,分别在用量为0.5 kg/m2、0.8 cm、0.7 kg/m2、1.1 kg/m2时的拉拔强度达到最大值.
2) 对水泥混凝土进行喷砂、拉毛和露石处理能够提高层间黏结强度,喷砂工艺能够显著提升水泥混凝土表面的粗糙程度,对黏结强度的提升效果最好.
3) 拉拔与剪切试验结果表明,在相同试验条件下四种材料的层间黏结性能排序为溶剂型黏结剂>SBS沥青碎石封层>改性乳化沥青稀浆封层>改性乳化沥青,溶剂型黏结剂适合用于水泥混凝土路面的黏结层.
4) 组合结构试件经过冻融循环、浸水和车辙碾压后层间黏结强度明显降低,对水泥混凝土进行喷砂处理能够提高沥青-水泥组合结构试件的残留剪切强度比.溶剂型黏结剂经过养生破坏试验后黏结强度仍达到1 MPa以上,适用与重载和大纵坡等高剪切条件下的罩面加铺.
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