焦伟立, 李 豪, 郭天帅, 管玉见, 位可可

(1.河南省濮新高速公路建设有限公司，河南 濮阳 457300；
2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000)

在混凝土桥面铺装结构中，防水粘结层是将混凝土桥面板和沥青混合料面层粘结成一个整体的重要组成[1-2]。防水粘结层粘结性能不足会导致路面裂缝、网裂和沥青面层整体推移等早期病害[3-9]，因此，需要对防水粘结层粘结性能进行检测。目前桥面铺装防水粘结层粘结强度的测量方法主要有2类[10]：①复合件拉拔、剪切强度测试。完成混合料面层摊铺的桥面铺装层进行钻孔取样，或者室内成型复合件，利用拉力试验机进行复合件拉拔或剪切强度测量，测试结果虽然精确，但结果较慢，影响后续施工进度。②附着力粘结强度测试。在喷洒完成的防水粘结层上，用高强度粘结剂将拉拔块直接粘结在上面，养护完成后，沿拉拔块边缘用刀切割一圈至混凝土桥面板，方法简便、迅速，但测试的是混凝土桥面板与拉拔块之间的粘结强度，并不能真实反映防水粘结层的粘结强度。更重要的是目前常用的现场测量方法均在特定温度下测试，未考虑环境温度的影响，无法做到真正意义的现场测量。

附着力拉拔强度是防水粘结层粘结强度常用的指标。根据混凝土桥面铺装结构及桥面受荷状态，复合件拉拔、剪切强度更能准确表征层间粘结强度，并且绝大部分标准和防水粘结层材料技术标准对粘结强度的规定同样采用标准温度条件下(20 ℃)防水粘结层复合件拉拔、剪切强度值。

依托高速公路实际工程，依据不同粘结强度指标，开发出一套迅速、可靠、能适应不同环境的粘结强度测试方法，测出环境温度下的附着力拉拔强度，通过一定方法转化为标准温度条件下(20 ℃)防水粘结层复合件拉拔、剪切强度值。

1.1 原材料

选取封层类和涂膜类2种防水粘结层类型，其中封层类包含橡胶沥青同步碎石封层和SBS改性沥青同步碎石封层，碎石选用4.75～9.5 mm单粒径碎石，碎石覆盖率为60%；
涂膜类包含高粘改性乳化沥青和水性环氧沥青；
橡胶沥青、SBS改性沥青、高粘乳化沥青和水性环氧沥青均为施工现场常用的防水粘结层材料，技术指标满足技术规范。

1.2 测试方法

粘结强度主要分为附着力拉拔强度、复合件拉拔强度和复合件剪切强度，附着力拉拔强度按《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777—2008)，复合件拉拔强度和复合件剪切强度按《道桥用防水涂料》(JCT 975—2005)进行不同温度下的试件成型和测试，如图1所示。其中，附着力拉拔强度试验采用的强度拉拔仪可同时用于室内和室外测量。

图1 粘结强度测试方法

1.3 结果判断方法

为保证人为干扰降至最低，每种粘结强度测试方法使用同一种仪器，试验结束后仔细观察断裂面产生的位置，断裂面可能出现在拉头处、铺装层内、胶粘剂、防水粘结层等部位，同时记录断裂面占整个试验面积的比例，综合判断检测结果的可靠性。

检测值作为测试材料粘结强度的判断为：①附着力拉拔强度，混凝土板与拉拔块表面均残留有粘结材料，断裂面出现在防水粘结层内部，同时混凝土板与沥青之间以及拉拔块与粘结剂之间等均未出现断裂面；
②复合件拉拔强度，混凝土板残留有粘结材料，混合料块完整存在，断裂面出现在防水粘结层界面，混凝土板和混合料块拉拔块之间的粘结剂未出现断裂面；
③复合件剪切强度，混合料块完整存在，剪切面出现在防水粘结层界面，如图2所示，每种测试材料有效平行值不少于6个。

图2 不同试验方法合格判断标准

为减少试验参数干扰，所有试验混凝土板均使用路面常用的0.8 mm构造深度，沥青用量为0.8 mm构造深度下的最佳沥青喷洒量，根据前期试验确定标准条件下橡胶沥青、SBS改性沥青、高粘乳化沥青和水性环氧沥青的最佳沥青喷洒量分别为1.4、1.4、1.0、1.0 kg/m2。

2.1 防水粘结层层间强度试验测试

以上述参数条件下成型试件，进行温度区间为5～45 ℃、间隔为5 ℃不同温度的附着力拉拔强度、复合件拉拔强度和复合件剪切强度等粘结性能试验，测试结果如表1所示。

表1 不同材料的粘结强度测试结果

由表1可知，随着温度逐渐升高，不同材料粘结强度急剧下降，温度超过45 ℃以后，不同类型的粘结强度测试结果均降至0.10 MPa以下，基本失去粘结性能，不再给予考虑。

2.2 各强度指标之间关系的构建

2.2.1 复合件拉拔强度-附着力拉拔强度计算模型

根据表1的试验结果，对比不同材料相同温度下复合件拉拔强度与附着力拉拔强度之间的关系，如图3所示。利用Origin选择不同的拟合模型对橡胶沥青、SBS改性沥青、高粘乳化沥青和水性环氧沥青4种不同沥青材料复合件拉拔强度-附着力拉拔强度计算模型进行拟合，利用相关系数R2选择精确度最高、相关性最好的拟合计算模型，不同沥青材料复合件拉拔强度-附着力拉拔强度计算模型为

y=0.008 1x2+0.662 3x-0.032 1R2=0.984 3

(1)

图3 复合件拉拔强度-附着力拉拔强度的强度拟合结果

y=0.619 3x2+0.277 0x+0.006 6R2=0.997 8

(2)

y=1.395 7+0.525 3ln(x+0.024 1)R2=0.992 9

(3)

y=1.217 3+0.457 4ln(x+0.026 0)R2=0.990 2

(4)

式中,y为复合件拉拔强度；
x为附着力拉拔强度。

由以上拟合结果可知，2类防水粘结层复合件拉拔强度随附着力拉拔强度的变化情况呈现出不同的特点，其中封层类防水粘结层复合件拉拔强度与附着力拉拔强度呈二次函数关系，涂膜类防水粘结层复合件拉拔强度与附着力拉拔强度呈对数函数关系。究其原因，在于与涂膜类防水粘结层相比，碎石的撒布降低了封层类防水粘结层结合料与沥青铺装层结合料之间的有效粘结面积，而在计算复合件拉拔强度时并未考虑碎石对粘结面积的影响，最终导致2类防水粘结层复合件拉拔强度与附着力拉拔强度呈现出不同的拟合结果。

2.2.2 复合件剪切强度-附着力拉拔强度计算模型

根据表1的试验结果，对比不同材料相同温度下复合件剪切强度与附着力拉拔强度之间的关系，如图4所示。利用Origin拟合出的橡胶沥青、SBS改性沥青、高粘乳化沥青和水性环氧沥青4种不同沥青材料复合件剪切强度-附着力拉拔强度计算模型为

y=0.243 1x2+0.726 5x-0.157 0R2=0.997 5

(5)

图4 复合件剪切强度-附着力拉拔强度的强度拟合结果

y=0.702 6x2+0.538 8x+0.219 5R2=0.998 2

(6)

y=2.461 3+0.756 2ln(x+0.000 1)R2=0.987 0

(7)

y=2.569 5+0.827 7ln(x+0.018 7)R2=0.986 8

(8)

式中,y为复合件剪切强度；
x为附着力拉拔强度。

由以上拟合结果可知，2类防水粘结层复合件剪切强度随附着力拉拔强度的变化情况同样呈现出不同的特点，其中封层类防水粘结层复合件剪切强度与附着力拉拔强度呈二次函数关系，涂膜类防水粘结层复合件剪切强度与附着力拉拔强度呈对数函数关系，这同样与碎石的撒布改变了封层类防水粘结层结合料与沥青铺装层结合料之间的有效粘结面积有关。

2.3 各强度指标之间关系的验证

为了验证各强度指标之间关系的合理性，根据附着力拉拔强度测试结果，利用拟合式(1)～式(8)计算不同温度下的复合件拉拔强度和复合件剪切强度。依托工程白天地表温度大部分处于10～40 ℃之间，选择每隔10 ℃形成一定的梯度，除去标准条件温度(20 ℃)，即将10、30、40 ℃作为指标验证温度，进而研究验证各强度指标之间关系。为提高验证结果准确性，指标验证温度不参与拟合计算，10、30、40 ℃下的复合件拉拔强度和剪切强度实测值对比结果如表2所示。

表2 不同温度下粘结强度实测与计算结果的比较

由表2可知，除40 ℃下，橡胶沥青和SBS改性沥青的复合件拉拔强度相对误差较大外，其余强度值偏差均小于5%，该回归计算公式是合理的。式(1)～式(8)可用作附着力拉拔强度对复合件拉拔强度、剪切强度的强度指标转换。

3.1 温度修正系数

将试件表面20 ℃下粘结强度作为标准强度，以某一温度下粘结强度作分母，20 ℃下的粘结强度作为分子，见式(9)～式(11)，计算得到该温度下的温度修正系数，计算结果见表3。

(9)

(10)

(11)

表3 不同温度的温度修正系数K

由以上计算结果可知，在5～40 ℃温度区间内，相同温度和强度指标下，作为热沥青碎石封层的橡胶沥青和SBS改性沥青的温度修正系数K较接近；
同样作为水性材料的高粘改性乳化沥青和水性环氧沥青在5～40 ℃温度区间，相同强度指标下的温度修正系数K也具有较高一致性，并且随着温度升高修正系数差异逐渐增大。

3.2 温度修正模型

根据计算得到不同温度下的温度修正系数，建立温度修正模型，如式(12)所示。除粘结强度较低的情况外，将不同温度下测试得到的防水粘结层粘结强度修正为20 ℃下的标准粘结强度，使得设计、施工的检测结果具备可比性。

P20=Ki×PT

(12)

式中,P20为换算成常温20 ℃条件下的标准强度值；
PT为防水粘结层温度为T℃时实测的粘结强度；
Ki为粘结强度T℃时的温度修正系数，当T在2个温度之间时，系数采用内插的方法计算。

依托现场实际施工工程，进行防水粘结层粘结强度现场检测评定。粘结强度现场检测评定方法主要包含3部分内容：防水粘结层附着力拉拔强度和现场温度检测、不同强度指标之间的换算及温度修正、防水粘结层粘结强度评定。现场检测见图5，具体检测及评定流程如图6所示。

图5 防水粘结层附着力拉拔强度现场检测

图6 防水粘结层粘结强度现场检测及评定流程

4.1 附着力拉拔强度现场检测

按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)、《公路沥青铺装层层间结合质量技术要求》(DB 14/T 647—2012)等技术标准规定的方法，开展防水粘结层附着力拉拔强度现场检测，同时检测防水粘结层表面温度T，测试结果如表4所示。

表4 不同材料的附着力拉拔强度测试结果

4.2 各强度指标之间的换算及温度修正

根据防水粘结层现场附着力检测结果及其防水粘结层温度检测结果，结合上文构建的各强度指标之间的关系模型(式(1)～式(8))以及建立的温度修正模型，计算标准温度条件下(20 ℃)防水粘结层复合件拉拔、剪切强度值。具体计算过程可分为以下2种技术途径：

(1)途径1。首先根据温度T下现场检测得到的附着力拉拔强度，利用式(1)～式(8)换算出相同温度下复合件拉拔强度、剪切强度；
之后利用表3中的温度修正系数K，根据式(12)计算标准温度条件下(20 ℃)的复合件拉拔强度、剪切强度值。

(2)途径2。首先通过现场检测得到的附着力拉拔强度和温度T，选择表3中的温度修正系数K，根据式(12)计算标准温度条件下(20 ℃)的附着力拉拔强度值；
之后利用式(1)～式(8)换算标准温度条件下(20 ℃)的复合件拉拔、剪切强度值。

根据SBS改性沥青、热环氧沥青、高粘乳化沥青、水性环氧沥青4种常用的防水粘结层材料在10、27、40℃下的附着力拉拔强度测试结果，利用2种途径计算出的复合件拉拔和剪切强度如表5所示。

4.3 防水粘结层粘结强度评定

根据相关技术标准及施工现场对防水粘结层粘结强度在标准条件下(20 ℃)的技术要求，对比根据上述计算出的标准温度条件下(20 ℃)防水粘结层各强度计算结果，评定防水粘结层材料的粘结性能。

在防水粘结层施工现场设置混凝土板进行标准条件下(20 ℃)的复合件拉拔和剪切强度测试，并和2种计算结果作对比，结果如表5所示。

由表5可知，对不同的防水粘结层材料，2种方法测试结果除个别结果外，相对误差均在20%以下，均具有较高的准确性。整体而言，测试温度较低时方法1相对误差较小，具有更高的准确性；
温度较高时方法2精确度较高。这是因为计算过程涉及强度指标换算和温度修正2个过程，温度较低时粘结性能较高，强度指标换算导致的相对误差较低。因此，需要在修正为温度较高的标准条件(20 ℃)下的粘结强度前，在较低的测试温度T完成不同粘结强度类型的强度转化，即方法1；
测试温度较高时相反。

表5 粘结强度不同计算方法对比

通过4种防水粘结层室内试验和现场测试，得到不同温度下的附着力拉拔强度、复合件拉拔强度和复合件剪切强度等粘结性能指标；
构建复合件拉拔、剪切强度随附着力拉拔强度变化的拟合方程；
计算不同温度下的温度修正系数，建立温度修正模型；
根据现场测得的附着力拉拔强度，转化为标准温度条件下(20 ℃)的复合件拉拔、剪切强度，并与试验测试结果对比，得到如下结论:

(1)复合件拉拔、剪切强度随附着力拉拔强度变化呈现规律变化，与其建立的拟合方程具有良好的相关性。

(2)5～40 ℃温度区间，橡胶沥青和SBS改性沥青作为热沥青碎石封层，相同温度下温度修正系数K较接近；
同样作为水性材料的高粘改性乳化沥青和水性环氧沥青，温度修正系数K也具有较高一致性。

(3)该方法具有较高的准确性,整体而言，测试温度较低时(<20 ℃)方法1准确性更高，即完成不同粘结强度类型的强度转化，然后进行温度修正；
测试温度较高时(>20 ℃)采用方法2。

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