橋面鋪裝防水粘層滲水、積水分析與評價方法

劉夢梅, 韓 森, 楊 赫, 吳曉明, 牛冬瑜

(特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室(長安大學)， 西安 710064)

混凝土橋面鋪裝的許多病害均與防水粘結層橫向抗?jié)B水性能有關，諸如裂縫、擁包、推移、車轍和水損害等[1-4]. 當雨水通過路面缺陷或路邊緣等通道滲入到防水層，在層間橫向流動、集聚，加之行車荷載壓力，極易造成橋面局部“冒水”等病害[5-6]. 且水長期集聚在層間，對粘層的粘結性及耐久性均有不利影響，進而造成結構性破壞的隱患[7].

2000年，丹麥道路研究所(DRI)意識到水泥混凝土橋面防水層的重要性，提出了一系列橋面防水試驗規(guī)程和指標[8]. 美國、瑞士等國家也相繼在實際調(diào)查的基礎上，提出了較完善的室內(nèi)粘層防水性能評價方法[9-11]. 然而，雖然中國橋面鋪裝組合結構的發(fā)展已相對成熟，但對橋面防水粘結層的研究更多集中在粘結層材料的開發(fā)，評價方法仍局限于拉拔、剪切等力學性能試驗，忽視了防水粘結層橫向抗?jié)B水性能的重要性[12]. 因此，亟待對橋面鋪裝防水粘層滲水、積水機理、測試方法及評價指標進行系統(tǒng)研究. 本文引入數(shù)字圖像處理技術，獲取層間空隙分布特征，用于分析粘層滲水、積水問題，并通過室內(nèi)橫向滲水試驗驗證了其合理性，為混凝土橋面鋪裝防水粘層提供了一種精度高，信息量大，操作簡單的滲水、積水現(xiàn)象分析方法.

1實 驗

1.1 原材料與試件制備

本文采用克練70#瀝青、SBS改性瀝青及SBS改性乳化瀝青為膠結料，其基本技術性質(zhì)見表1. 試驗中，石料采用石灰?guī)r，其表觀相對密度為2.612 g/cm3，壓碎值為50%，洛杉磯磨耗值為25.2%，吸水率為0.89%，針片狀石料數(shù)量占百分比為11.2%. 礦粉采用石灰?guī)r礦粉.

表1 膠結料的技術性質(zhì)

1.2 試件制備及試驗方案

如圖1所示，制備用于模擬橋面鋪裝的復合板試件. 水泥混凝土底層用于模擬橋面板，對其表面進行拉毛處理，平均構造深度為0.9 mm. AC-20混凝土上層用于模擬橋面鋪裝中面層，防水粘結層采用中國實際工程中常用的5種粘層：1)4.75同步碎石防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性瀝青，并在其表面撒布4 kg/m2的4.75 mm粒徑石灰?guī)r集料，碎石覆蓋率約為70%. 2)9.5同步碎石防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性瀝青，且與4.75同步碎石一致，為保證碎石覆蓋率約為70%，9.5 mm粒徑石灰?guī)r集料撒布量為6 kg/m2. 3)AC-5防水粘層. 選用克煉70#基質(zhì)瀝青，集料與礦粉均使用石灰?guī)r. 油石比為6.6%，級配見表2, 其攤鋪厚度為10 mm. 4)稀漿封層防水粘層. 選用SBS改性乳化瀝青，油石比為7.2%, 集料、礦粉的選擇和攤鋪厚度與AC-5混合料一致, 級配見表2. 5)改性乳化瀝青防水粘層. 均勻灑布1.0 kg/m2的SBS改性乳化瀝青.

成型復合板養(yǎng)生7 d后，對其進行鉆芯. CT掃描試件為直徑100 mm的圓柱體，滲水試驗試件為橫截面140 mm×140 mm的長方體.

表2 AC-5和稀漿封層級配

Tab.2 Gradation of AC-5 and slurry seal

混合料類型不同篩孔石料的通過率/%9.5 mm4.75 mm2.36 mm1.18 mm0.6 mm0.3 mm0.15 mm0.075 mmAC-5100956545302012.57.5稀漿封層1009577.557.5402415.510

圖1 復合板試件示意圖

如圖2(a)所示，采用YXLON Y.CT Modula掃描儀對試件進行圖像采集，自上而下掃描,間距為0.1 mm，總量程為60 mm. 為研究防水粘層及其與上下層過渡區(qū)域的空隙分布狀態(tài)，選取深度為40～60 mm掃描段為本文分析對象，對其進行數(shù)字圖像分析. 掃描儀放大倍數(shù)可達200倍，精度為10 μm，滿足數(shù)字圖像處理技術要求.

除此之外，利用HS-ST型粘層滲水儀[13]，對5種典型復合板試件進行粘層橫向滲水試驗，旨在直觀評價不同橋面鋪裝粘層防水性能，并建立層間滲水與空隙分布特征的相關關系. 如圖2(b)所示，HS-ST型粘層滲水儀主要由量筒、水壓傳感器和滲水模擬箱組成，量筒的量程為500 mL. 粘層滲水儀是在常規(guī)路面滲水儀的基礎上改進而來，將層間滲水模擬箱與常規(guī)路面滲水儀通過膠管連接，且對模擬箱與膠管的連接面四周進行蠟封處理，以保證水是從層間滲出[14]. 試驗中，為分析不同水壓力對層間滲水的影響，分別設置了40、70 cm的水頭高度，并記錄試驗持續(xù)5 min后各粘層的滲水量.

(a) CT掃描儀 (b) 粘層滲水儀

2 防水粘層數(shù)字圖像處理分析

2.1 防水粘層數(shù)字圖像采集及處理原理

數(shù)字圖像處理技術具有突出的直觀表現(xiàn)能力，能夠準確、客觀地反映橋面鋪裝防水粘層的空隙分布特征. 數(shù)字圖像通常指用有限數(shù)組來表示的圖像. 將圖像連續(xù)空間離散化，產(chǎn)生有限個離散點，每個離散點代表一個像素，即圖像處理的最小單元. 通過對圖像進行數(shù)字化，可將一張圖片轉(zhuǎn)化為M×N的數(shù)字矩陣，數(shù)字圖像矩陣為

(1)

式中f(x,y)為任意坐標(x,y)點處的亮度值或灰度值.

本文利用CT掃描儀對試件進行圖像采集，且為了研究防水粘層及其與上下層過渡區(qū)域的空隙分布狀態(tài)，選取深度為40～60 mm掃描段為本文研究對象，對其進行數(shù)字圖像分析. CT掃描基本原理：X射線由射線源發(fā)出，經(jīng)過準直儀準直后穿透物質(zhì)，由于不同材質(zhì)對射線的吸收程度有所差異，穿過物體時X射線發(fā)生不同程度的衰減. 故CT可通過X射線穿過非均質(zhì)物質(zhì)的衰減規(guī)律，來區(qū)分掃描對象內(nèi)部的不同物質(zhì)，X射線衰減公式為

(2)

式中：Iout為X射線射出強度，Iin為X射線射入強度，μ為物體的X射線衰減系數(shù)，L為X射線穿過物體距離.

衰減后的X射線經(jīng)由探測系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)化為電子信號，輸入計算機中排列成若干個基本單元數(shù)字矩陣，稱為“體素”. 然后通過模擬轉(zhuǎn)換器對體素矩陣進行處理，讀取體素中的灰度值，并將灰度值以矩陣形式排列成微小單位，稱為“像素”，進而得到CT圖像.

數(shù)字圖像處理首先采用中值濾波法對圖像進行去噪處理，相對完整保留了圖像細節(jié)分布特征. 基于X射線穿透物質(zhì)強度衰減原理可知，CT圖像顏色越淺代表密度越大，反之顏色越深即密度越小. 因此，圖像中顏色最深的部分代表空隙，灰度圖像如圖3所示. 為后續(xù)準確獲取粘層空隙分布指標，需識取圖像中的空隙. 本文采用最大類間方差法(OTSU)進行分割處理，提取空隙目標區(qū)域，空隙二值圖像如圖4所示.

圖3 CT掃描灰度圖

圖4 空隙二值圖

本實驗借助MATLAB軟件對圖像進行基于體數(shù)據(jù)的三維重建，即直接將檢測物質(zhì)的體元素，按設定的顏色和透明度，在不同的平面上顯示出來. 在處理過程中沒有對有效數(shù)據(jù)進行刪減，保留了物體更多的細節(jié)，能準確、詳細地表示物體的結構特征.

2.2 防水粘層數(shù)字圖像指標獲取

橋面鋪裝粘層的滲水性定義為不同水壓荷載作用下水流在介質(zhì)中的流通能力，其受諸多因素影響，包括瀝青含量、集料性質(zhì)、集料級配及水流路徑等. 而這些因素主要是通過改變空隙分布特性來影響粘層的滲透性. 故本文采用數(shù)字圖像處理技術獲取空隙相關體積指標(空隙率、空隙等效直徑、空隙數(shù)量)，并用于評價橋面鋪裝防水粘層抗?jié)B水能力.

2.2.1 空隙率

空隙率用于評價粘層層間空隙分布總狀態(tài). 在數(shù)字圖像中，分辨率代表垂直或水平方向上每英寸的像素點數(shù)量，計算公式為

(3)

式中R為分辨率，P為像素點.

通過MATLAB對粘層CT圖像進行分析，獲取每張圖像所有空隙對應的總像素點數(shù)，計算數(shù)字圖像的空隙率n的公式為

(4)

式中Pi為數(shù)字圖像中空隙對應的總像素點數(shù)，r為被掃描試件的實際半徑，本文為50 mm.

2.2.2 空隙數(shù)量

空隙數(shù)量即每張粘層CT圖像中含有的空隙總數(shù)量，能夠從數(shù)量級角度量化層間空隙分布狀況，研究不同粘層材料滲水、積水與粘層空隙數(shù)量的關系. 利用MATLAB軟件對防水粘層切面圖像進行處理，標記空隙并統(tǒng)計空隙數(shù)量. 具體過程如圖5所示，通過上述對圖像進行二值化處理后，混合料和空隙的像素值分別為0和1，二者輪廓界線清晰明了. 隨后，基于數(shù)字圖像連通分量的概念，采用圖5(a)所示的8鄰域數(shù)組結構標記法，使像素值相同的鄰域形成連通區(qū)域. 例如若(x,y)與(x+1,y+1)的像素值P、q相等，則這兩個像素連通. 每一個連通區(qū)域記為標識塊，即一個空隙. 最后如圖5(b)所示，遍歷圖像中所有標記塊，并對其進行數(shù)量統(tǒng)計.

(a) 8鄰域數(shù)組結構標記法 (b) 連通區(qū)域標記及統(tǒng)計

2.2.3 空隙等效直徑

由于層間空隙結構、形狀各異，無規(guī)則，為了直觀分析粘層空隙總體分布狀況，將N個實際空隙等效成N個等直徑圓，且粘層空隙的總面積不變，其原理如圖6所示. 空隙等效直徑可用于評價粘層空隙的總體分布面積，即粘層積水的儲存空間狀況，且材料的滲水性能受空隙等效直徑大小及分布的影響較大. 空隙等效直徑的計算公式為

(5)

式中：D為空隙等效直徑，mm；Si為CT圖像中單個空隙的面積，mm2；N為空隙的總數(shù)量.

圖6 空隙等效直徑原理

2.3 防水粘層數(shù)字圖像分析

2.3.1 二維數(shù)字圖像分析

圖7為5種典型防水粘結層試件自上而下在0～60 mm之間的試件內(nèi)部空隙率分布狀況. 其中，0～20 mm為AC-20表面區(qū)域，20～40 mm為AC-20中部區(qū)域，40～60 mm涵蓋所有粘層區(qū)域及粘層與上下板件的過渡區(qū)域.

由圖7可知，5種類型防水層復合板的空隙率變化規(guī)律相似，即AC-20表面空隙率沿高度方向迅速降低；AC-20中部空隙率小且趨于穩(wěn)定；而40～60 mm區(qū)間空隙率突增，出現(xiàn)小峰值；空隙率越大，發(fā)生層間滲水的概率越高. 究其原因，復合板制備過程中，0～20 mm混合料表面裸露，且粗集料較多，集料間存在大量空隙，表面紋理豐富；20～40 mm細集料與膠結料填充粗集料間的空隙，混合料內(nèi)部相互嵌擠密實且分布較均勻，所以空隙率小、穩(wěn)定. 在40～60 mm之間，由于粘層上下界面分別與不同材質(zhì)板件粘結，為復合試件的薄弱面，加之粘層自身存在空隙，所以粘層的空隙率增大.

圖7 不同粘層空隙率

對圖7中粘層及其過渡區(qū)域進一步分析發(fā)現(xiàn)，相較于其他3種粘層，同步碎石封層的空隙率峰值相對較高，說明同步碎石粘層空隙分布豐富，易發(fā)生滲水病害. 且4.75同步碎石防水層空隙率突增范圍約為4.5 mm，而9.5同步碎石防水層約為9 mm，二者變化的高度區(qū)間均與其撒布碎石的粒徑大小相近. 從而可知，同步碎石防水層層間空隙率的變化范圍與集料粒徑選擇緊密相關.

圖8為粘層及其過渡區(qū)域空隙數(shù)量沿高度變化的分布狀況. 可知AC-5空隙數(shù)量最多，高達521個，稀漿封層次之335個，而4.75同步碎石、9.5同步碎石和改性乳化瀝青空隙數(shù)量相對較少且相近. 因為AC-5與稀漿封層級配偏細，相同面積條件下，集料數(shù)量相對較多，導致集料間微空隙相應增加；且小粒徑集料的比表面積相應增大，混合料中膠結料不足以填充集料間的微空隙. 而稀漿封層除級配因素外，其為保證良好的施工性能，按規(guī)范要求在拌合過程中添加了少量的水，并且乳化瀝青自身破乳也含有一定比例的水，養(yǎng)生過程中水分蒸發(fā)，導致稀漿封層內(nèi)部殘留大量微空隙. 因此，AC-5與稀漿封層粘層空隙數(shù)量豐富，存在層間滲水的隱患.

由圖9可知，4.75同步碎石和9.5同步碎石防水層的空隙等效直徑沿高度方向先增大后減小，其中，4.75同步碎石空隙等效直徑的變化范圍為0.75～2.68 mm，9.5同步碎石空隙等效直徑的變化范圍為1.15～2.63 mm. AC-5、稀漿封層和SBS改性乳化瀝青的空隙等效直徑較小，沒有明顯的峰值.

圖8 不同粘層空隙數(shù)量

圖9 不同粘層空隙等效直徑

綜合圖7～9分析發(fā)現(xiàn)，同步碎石空隙數(shù)量相對較少，而空隙率與空隙等效直徑相對較大，說明同步碎石防水層中的空隙尺寸較大. 這一現(xiàn)象不利于粘層防水，且為層間水提供了充足的儲水空間，易造成層間積水等隱患. AC-5與稀漿封層空隙數(shù)量大，但空隙率與空隙等效直徑相對較小，說明其內(nèi)部空隙分布密且小，這不利于粘層防水和力學性能. 但微空隙的毛細作用，能阻礙層間水的滲流，一定程度上延緩了層間滲水現(xiàn)象.

2.3.2 三維數(shù)字圖像分析

本文建立了粘層的空隙率分布特征三維重構模型，結果如圖10所示，藍色(深色)部分為粘層空隙結構. 由圖10中可清晰看出，同步碎石封層的空隙相對較大且集中，空隙連通程度較高；AC-5和稀漿封層的空隙小而密，分布均勻，空隙連通相對較少；而乳化瀝青封層空隙分布離散不均勻，連通空隙最少. 這與二維數(shù)字圖像分析結果相一致. 由此可以預測同步碎石抗?jié)B水能力最弱，且空隙體積較大，易于層間水的集聚流動，造成層間積水；AC-5與稀漿封層的防水能力介于同步碎石與SBS改性乳化瀝青之間，其內(nèi)部微空隙可以通過毛細作用延緩層間滲水，但已有研究發(fā)現(xiàn)其空隙率越大，混合料對應的力學性能越差[15-17]，故AC-5與稀漿封層的大量微空隙對層間力學性能有不利影響. 而SBS改性乳化瀝青大部分空隙不連通，可以有效抑制層間滲水.

圖10 不同粘層空隙三維結構圖

Fig.10 Three-dimensional structure diagram of pores in different interlayers

3 室內(nèi)橋面防水粘層橫向滲水試驗分析

為驗證數(shù)字圖像粘層空隙分布特征與實際粘層滲水、積水相關關系，本文設置了室內(nèi)粘層滲水試驗. 試驗中，分別選取40、70 cm兩種水頭高度，試驗結果見表3.其中70 cm水頭高度粘層滲水量y與相應的空隙分布特征(孔隙率x1、空隙等效直徑x2、空隙數(shù)量x3)的相關關系見表4.

表3 不同類型粘層的滲水量

表4 防水粘層滲水量與空隙分布特征的關系

Tab.4 Relationship between water seepage and pore distribution in waterproof interlayers

由表3可知：5種典型混凝土橋面鋪裝防水粘層的滲水試驗結果與數(shù)字圖像分析結論一致. 除改性乳化瀝青防水層和40 cm水頭高度的稀漿封層外，其余粘層均發(fā)生滲水現(xiàn)象. 同步碎石滲水量最大，AC-5滲水量次之，而稀漿封層在70 cm水頭高度條件下才發(fā)生滲水，因為水在稀漿封層的微空隙中不易流動，需要足夠的滲水壓力. SBS改性乳化瀝青防水層未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，說明SBS改性乳化瀝青防水層具有優(yōu)異的防水性能.

由表4可知：橋面鋪裝防水粘層的空隙率、空隙等效直徑與粘層滲水量有較好的正相關關系，相關系數(shù)R2分別為0.81、0.83，隨著空隙率和空隙等效直徑的增大，層間的滲水量增加. 而空隙數(shù)量指標與層間滲水的相關關系較差. 由于粘層滲水受層間空隙的大小、形狀、分布均勻性、空隙連通度、數(shù)量等因素綜合的影響，所以不能單獨采用空隙數(shù)量指標來評價層間的抗?jié)B水能力，但空隙數(shù)量可作為層間防水性能的輔助指標，如解釋空隙率較大的稀漿封層40 cm水頭高度條件下不發(fā)生滲水現(xiàn)象時，則需要輔加空隙數(shù)量指標，論證稀漿封層內(nèi)部為大量均勻分布的微孔隙，所以水不易滲透.

4 結 論

1)利用數(shù)字圖像處理技術量化了橋面鋪裝防水粘層的空隙分布狀態(tài)，提出空隙率、空隙數(shù)量、空隙等效直徑3項評價指標，為橋面鋪裝粘結層的選擇與施工質(zhì)量提供防水性能控制指標.

2)5種典型粘層中，同步碎石空隙分布豐富，空隙尺寸大，易于滲水、積水；AC-5和稀漿封層空隙分布密而小，延緩了滲水現(xiàn)象，抗?jié)B水能力優(yōu)于同步碎石；SBS改性乳化瀝青粘層的空隙率最小，防水能力好. 同時，通過空隙三維重構模型還發(fā)現(xiàn)，同步碎石封層空隙連通程度較高；AC-5和稀漿封層的微孔隙分布均勻，空隙連通較少；SBS乳化瀝青空隙分散且不均勻，連通最少.

3)粘層滲水試驗結果驗證了數(shù)字圖像分析方法的可靠性：同步碎石的滲水量最大，AC-5與稀漿封層次之，SBS改性乳化瀝青粘層幾乎不滲水. 且隨水壓力增大，滲水量增加.