桥面铺装层间防水与抗剪能力的研究
关于桥面铺装防水沥青层对路面抗剪能力影响的研究
卓武极南海军朱宏伟
宁波天意钢桥面铺装技术有限公司
摘要：桥面铺装防水固然重要，但层间设置沥青防水粘结层不仅要考虑防水问题，还要重视界面剪切问题。本文通过不同温度和不同材料的界面压剪对比试验得出规律性结论，界面防水粘结沥青洒布量过大会导致层间抗剪能力的降低，特别对于那些高温地区重载车辆较多的桥面铺装来说，选用实际沥青量较小的改性乳化沥青应比较适宜。
关键词：桥面防水；界面粘结；界面抗剪；改性沥青
0 引言
桥面铺装，特别是钢桥面沥青混凝土铺装，其使用条件比一般沥青混凝土道路的路面要复杂许多，不妥当的铺装设计或施工经常导致桥面沥青铺装层过早地出现推移、车辙和开裂等多种病害，这种病害又多发生于我国南方高温多雨的经济较发达地区，不仅影响了交通通行的安全，也给大桥的管理单位增加了维修费用和麻烦。其中路面水对铺装结构的影响已引起众多技术人员的注意，桥面防水问题往往被提到很高的层面加以重视。在铺装层下撒布防水沥青即可以防水又可以起到层间上下粘结的作用，因此成为通常被采用的防水措施，有些铺装设计为强调防水，把沥青的洒布量定的较大，有时超过1.2kg/㎡。
沥青路面夏季高温季节的路表温度可达65°C，因为沥青类材料随温度升高粘附能力降低的特性，这样的做法也引起了人们的另一种担心，即防水粘结沥青会不会在铺装层间起润滑作用，削弱桥面铺装层的抗剪能力？特别是这层防水沥青距铺装顶面较近的位置以及桥面铺装有较多重载车辆通过的时候。
本文对这种担忧进行了专门剪切试验研究和对比，希望由此得出有工程意义的结论。
1 试验
1.1 试验方法和仪器
本试验采用常规的马歇尔试模成型试件，采用本公司自制的压剪模具在压力机作用下实现斜向压剪，受剪的位置是沥青铺装上面层与下面层之间。如图1所示。
1.2 原材料
沥青铺装上面层采用100px厚的SMA13混合料，下面层采用树脂沥青混凝土RA05，交界面的沥青材料分别采用高粘改性沥青和乳化改性沥青，材料性能如下表
1.3 操作步骤
按图1所示，先用马歇尔法成型RA05，然后按涂布量要求涂刷高粘改性沥青或乳化沥青，然后用马歇尔法成型上面层SMA13。试件养生达到规定强度后备用。在压剪试验开始前将试件放置于烘箱中保温2小时，使其达到试验规定的温度条件，随后将试件置于压剪模具中承压。记录压力机的读数，折算成界面剪力和法向压力，计算界面压剪应力。
1.4 试验结果
a)、界面涂布高粘改性沥青
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 25 | 20mm/min | 9.31 | 8103 | 1.15 | 涂布量0.7kg/㎡ |
2 | 25 | 9.31 | 1.15 | |||
3 | 25 | 10.82 | 1.34 | |||
平均值 | 9.81 | 1.21 | ||||
1 | 25 | 20mm/min | 7.80 | 8103 | 0.96 | 涂布量1.0kg/㎡ |
2 | 25 | 8.76 | 1.08 | |||
3 | 25 | 6.90 | 0.85 | |||
平均值 | 7.82 | 0.96 | ||||
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 40 | 20mm/min | 4.81 | 8103 | 0.59 | 涂布量0.7kg/㎡ |
2 | 40 | 6.60 | 0.80 | |||
平均值 | 5.71 | 0.70 | ||||
1 | 40 | 20mm/min | 5.68 | 8103 | 0.70 | 涂布量1.0kg/㎡ |
2 | 40 | 5.76 | 0.71 | |||
平均值 | 5.72 | 0.70 | ||||
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 60 | 20mm/min | 4.33 | 8103 | 0.53 | 涂布量0.7kg/㎡ |
2 | 60 | 4.01 | 0.49 | |||
平均值 | 4.17 | 0.51 | ||||
1 | 60 | 20mm/min | 3.65 | 8103 | 0.45 | 涂布量1.0kg/㎡ |
2 | 60 | 3.70 | 0.46 | |||
3 | 60 | 2.96 | 0.37 | |||
平均值 | 3.44 | 0.43 | ||||
b)、界面涂布沥青为改性乳化沥青
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 25 | 20mm/min | 11.03 | 8103
| 1.36 | 涂布量0.4 Kg/㎡ |
2 | 8.92 | 1.10 | ||||
3 | 8.64 | 1.01 | ||||
平均值 | 9.53 | 1.16 | ||||
1 | 25 | 20mm/min | 6.56 | 0.81 | 涂布量0.8 Kg/㎡ | |
2 | 7.02 | 0.87 | ||||
3 | 4.80 | 0.59 | ||||
平均值 | 6.12 | 0.76 | ||||
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 40 | 20mm/min | 6.24 | 8103
| 0.77 | 涂布量0.4 Kg/㎡ |
2 | 5.51 | 0.68 | ||||
3 | 5.72 | 0.71 | ||||
平均值 | 5.82 | 0.72 | ||||
1 | 40 | 20mm/min | 4.11 | 0.51 | 涂布量0.8 Kg/㎡ | |
2 | 4.73 | 0.58 | ||||
3 | 4.91 | 0.61 | ||||
平均值 | 4.58 | 0.57 | ||||
序号 | 试验温度 | 加载速度 | 斜剪压力（kN） | 剪切面面积（mm2） | 45度抗剪强度（Mpa） | 备注 |
1 | 60 | 20mm/min | 3.62 | 8103
| 0.45 | 涂布量0.4 Kg/㎡ |
2 | 4.35 | 0.54 | ||||
3 | 3.39 | 0.42 | ||||
平均值 | 3.79 | 0.47 | ||||
1 | 60 | 20mm/min | 2.54 | 0.31 | 涂布量0.8 Kg/㎡ | |
2 | 3.29 | 0.41 | ||||
3 | 2.63 | 0.32 | ||||
平均值 | 2.82 | 0.35 | ||||
2 试验结果的判读
从以上试验结果的表中我们至少得到了以下几个规律性的结论：
A、 当界面涂布是热沥青，
1涂布量一致时，高低温差异导致的界面抗剪能力相差分别是2.37倍（0.7kg/㎡）和2.23倍（1.0kg/㎡），
2涂布量不同导致的界面抗剪能力相差大约是20%，沥青涂布量小，抗剪能力高。
B、 当界面涂布是乳化改性沥青，
1涂布量一致时，高低温差异导致的界面抗剪能力相差分别是2.47倍（0.4kg/㎡）和2.17倍（0.8kg/㎡），
2涂布量不同导致的界面抗剪能力相差大约是13-15%，涂布量小，抗剪能力高。
C、 乳化改性沥青与热高粘沥青相比，其界面抗剪能力在常温及高温时均相差不大。最小的也有0.35Mpa。
3 原因分析和讨论
上述结果清晰地表明，层间防水沥青在温度高的时候因粘度下降变软，使层间抗剪能力削弱。沥青越多，影响越甚；当上面层SMA摊铺时，混合料的高温使界面撒布沥青融化，进入了铺装层底部的混合料中，使得上面层SMA混合料底部呈现蠕动滑移状态，也影响了铺装层的抗剪稳定。简单的计算可以发现，若界面撒布1.0kg/㎡的热沥青，相当于提高了上面层混合料约1%的用油量。因此，特别是当铺装上面层较薄（一般均不超过100px）、重载车较多的夏季高温时节，这种因撒布沥青可能引起的桥面铺装剪切稳定问题亦应引起工程技术人员的高度注意。
4 结论
桥面铺装防水固然是必要的，但设置沥青类层间防水粘结层时还应慎重考虑铺装层的界面剪切问题，对于高温且重载流量大的桥面薄层铺装来说，选用实际洒布量小的改性乳化沥青作为层间粘结材料，可能会比较适合。