混凝土橋面防水粘結(jié)層材料性能對比研究

李 義 杜紅艷

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068)

1 原材料技術(shù)指標(biāo)

本研究采用的防水粘結(jié)材料為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青以及SK-SBS改性瀝青。國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青由A、B兩組分組成，其中，A組分的技術(shù)指標(biāo)見表1，B組分的技術(shù)指標(biāo)見表2，日本環(huán)氧粘結(jié)劑由主劑、固化劑兩組分組成，其中，主劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)見表3，固化劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)見表4。日本環(huán)氧瀝青為日本環(huán)氧粘結(jié)劑和埃索-90#基質(zhì)瀝青按1:1的比例配制而成，其中，埃索-90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表5。SK-SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表6。

表1 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A組分技術(shù)指標(biāo)

表2 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A組分技術(shù)指標(biāo)

表3 日本環(huán)氧粘結(jié)劑主劑物理技術(shù)指標(biāo)

表4 日本環(huán)氧粘結(jié)劑固化劑劑物理技術(shù)指標(biāo)

表5 埃索-90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表6 SK-SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的A組分為環(huán)氧樹脂，B組分為固化組分。欲制備并研究環(huán)氧基防水粘結(jié)材料，首先應(yīng)確定A、B組分的比例，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他性能指標(biāo)的研究。本節(jié)采用幾種不同比例，通過鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn)，得出拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，綜合比較各比例下的鋼板間拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，確定出A、B組分的最佳比例。具體試驗(yàn)方法如下所示。

2.1 環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的制備方法

進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先需要制備國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青，具體方法如下:

(1)根據(jù)A、B兩組分比例，國產(chǎn)HLN-7611的兩組分比例 A:B 分別為:1:6.0、1:7.0、1:7.2、1:7.4、1:7.6、1:7.8 和1:8.0。日本環(huán)氧粘結(jié)劑的主劑和固化劑的比例A:B為1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1 和 1:1.2;日本環(huán)氧瀝青為日本環(huán)氧粘結(jié)劑與基質(zhì)瀝青按1:1的比例混合，其主劑和固化劑的比例與日本環(huán)氧粘結(jié)劑的比例相同)，分別計(jì)算出各種材料所需的相應(yīng)A、B組分的質(zhì)量及日本環(huán)氧瀝青需要的基質(zhì)瀝青的質(zhì)量。

(2)對于國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青，分別對稱好質(zhì)量的A、B組分進(jìn)行加熱并攪拌，使其溫度升至120℃，將已升至要求溫度的A、B組分混合，在120℃下用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3～5分鐘，使其混合均勻，制備成國產(chǎn)環(huán)氧瀝青;對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑，在室溫條件下將稱好質(zhì)量的A、B組分進(jìn)行混合，并用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3～5分鐘使其混合均勻，制備成日本環(huán)氧粘結(jié)劑;對于日本環(huán)氧瀝青，分別對稱好質(zhì)量的日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B組分進(jìn)行加熱并攪拌，使其溫度升至120℃，將已升至要求溫度的A、B組分混合，然后加到相應(yīng)質(zhì)量的基質(zhì)瀝青中，在120℃下用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3～5分鐘，使其混合均勻，制備成日本環(huán)氧瀝青。

1)拉剪試驗(yàn)

對于國產(chǎn)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青，稱量2.5g制備好的120℃下的不同比例的環(huán)氧瀝青，均勻涂抹于潔凈的鋼板表面，然后迅速與另一塊鋼板粘結(jié)在一起，并長寬對齊，用膠帶纏繞固定成型試件，防止瀝青在高溫下溢流。試件成型后，將其放入60℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化24h，然后將溫度升至120℃繼續(xù)養(yǎng)生12h。

對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑(常溫下的日本環(huán)氧粘結(jié)劑)，稱量2.5g制備好的不同比例的環(huán)氧粘結(jié)劑，均勻涂抹于潔凈的鋼板表面，然后迅速與另一塊鋼板粘結(jié)在一起，并長寬對齊，用膠帶纏繞固定成型試件，防止粘結(jié)劑溢流。試件成型后，將其放入40℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化養(yǎng)生48h。

圖1 拉剪試驗(yàn)試模

養(yǎng)生結(jié)束后，即可將試件放在所需要的試驗(yàn)溫度(20℃ ±1℃)下保溫4h，保溫結(jié)束后，將試件置于萬能拉力機(jī)上進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，拉剪速率為5mm/min，記錄試件破壞時(shí)的最大荷載。拉剪強(qiáng)度按式(1)計(jì)算:

式中:P——拉剪強(qiáng)度，MPa;

F——最大荷載，N;

A——剪切面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果取3位有效數(shù)字，并以四個(gè)試件的算術(shù)平均值表示。

2)拉拔試驗(yàn)

對于國產(chǎn)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青，稱量4g制備好的120℃下的不同比例的環(huán)氧瀝青，均勻涂抹于潔凈的直徑為50mm的鋼板拉拔頭表面，然后迅速與另一直徑為50mm的拉拔頭粘在一起，上下對齊并用膠帶纏繞固定，以成型試件。試件成型后，將其放入60℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化24h，然后將溫度升至120℃繼續(xù)養(yǎng)護(hù)12h。

對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑，稱量4g制備好的常溫下的不同比例的環(huán)氧粘結(jié)劑，均勻涂抹于潔凈的直徑為50mm的鋼板拉拔頭表面，然后迅速將另一直徑為50mm的拉拔頭粘在該拉拔頭上，上下對齊并用膠帶纏繞固定，以成型試件。試件成型后，將其放入40℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化養(yǎng)生48h。

圖2 拉拔試驗(yàn)試模

養(yǎng)生結(jié)束后，即可將試件放在所需要的試驗(yàn)溫度(20℃ ±1℃)下保溫4h，保溫結(jié)束后，將試件置于裝有專用拉拔器具的萬能拉力機(jī)上進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔速率為5mm/min，記錄試件破壞時(shí)的最大荷載。拉拔強(qiáng)度按式(2)計(jì)算:

式中:P——拉拔強(qiáng)度，MPa;

F——試件最大荷載，N;

A——試件斷面面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果取3位有效數(shù)字，并以四個(gè)試件的算術(shù)平均值表示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的制備方法及鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn)方法，進(jìn)行防水粘結(jié)材料在不同組分比例下的拉剪和拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青組分比例的選擇

采用上述試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行不同組分比例下國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的拉剪及拉拔試驗(yàn)，得出國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，如圖3所示。

圖3 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖3可見，國產(chǎn)HLN-7611型環(huán)氧瀝青拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化存在一個(gè)峰值，兩組分比例(B:A)在7.2～7.8之間時(shí)，拉剪強(qiáng)度變化不大，且B:A為7.6時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值1.73MPa。同時(shí)，國產(chǎn)HLN-7611型環(huán)氧瀝青的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化也存在一個(gè)峰值，即B:A為7.6時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值3.77MPa。因此，根據(jù)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青拉剪和拉拔強(qiáng)度的變化規(guī)律，可確定A組分:B組分=1:7.6為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的最佳配比。

綜合國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青A組分與B組分之比為1:7.6時(shí)，拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。其原因?yàn)?對于一定量的A組分，需要適量的B組分，才能使其充分固化;當(dāng)B組分的量大于或者小于該定量時(shí)，均會(huì)對固化反應(yīng)有不利影響。故A組分:B組分=1:7.6為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的最佳配比。

(2)日本環(huán)氧粘結(jié)劑組分比例的選擇

采用上述試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行不同組分比例下日本環(huán)氧粘結(jié)劑的拉剪及拉拔試驗(yàn)，得出日本環(huán)氧粘結(jié)劑在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖4可見，日本環(huán)氧粘結(jié)劑拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化先增大后減小，存在一個(gè)峰值，在B:A為1.0時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值3.55MPa。同時(shí)，日本環(huán)氧粘結(jié)劑的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化趨勢與拉剪強(qiáng)度基本相同，在B:A為1.0時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值4.35MPa。因此，根據(jù)日本環(huán)氧粘結(jié)劑拉剪和拉拔強(qiáng)度的變化規(guī)律，確定日本環(huán)氧粘結(jié)劑的A組分環(huán)氧樹脂與B組分固化劑的最佳配比為1:1。

綜合日本環(huán)氧粘結(jié)劑的鋼板間拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)日本環(huán)氧粘結(jié)劑A組分與B組分之比為1:1時(shí)，拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。因?yàn)?，對于一定量的環(huán)氧樹脂，需要適量的固化劑，才能使其充分固化，形成性能優(yōu)良的材料;B組分含量多于或者低于最佳比例對應(yīng)的含量，均會(huì)對固化后生成的材料性能有消極影響。只有A、B兩組分的比例適當(dāng)，才能使制備的環(huán)氧粘結(jié)劑達(dá)到性能最佳。故A組分:B組分=1:1為日本環(huán)氧粘結(jié)劑的最佳配比。

(3)日本環(huán)氧瀝青組分比例的選擇

采用上述試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行不同組分比例下日本環(huán)氧瀝青的拉剪及拉拔試驗(yàn)，得出日本環(huán)氧瀝青在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 日本環(huán)氧瀝青A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖5可見，日本環(huán)氧瀝青拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化先增大后減小，存在一個(gè)峰值，在B:A為1.0時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值2.73MPa。同時(shí)，日本環(huán)氧瀝青的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化趨勢與拉剪強(qiáng)度相同，也存在一個(gè)峰值，即B:A為1.0時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值4.01MPa。

綜合日本環(huán)氧瀝青的鋼板間拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)日本環(huán)氧瀝青A組分與B組分之比為1:1時(shí)，拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。A組分環(huán)氧樹脂和B組分固化劑比例不同，所制備的環(huán)氧瀝青性能也各不相同，且相差較大，只有A、B兩組分的比例適當(dāng)，才能使制備的環(huán)氧瀝青達(dá)到性能最佳。對于一定量的基質(zhì)瀝青，需要加入適量的環(huán)氧樹脂和固化劑，才能使其充分固化，生成性能優(yōu)良的熱固性材料。因此，確定日本環(huán)氧瀝青的最佳配比為:A組分環(huán)氧樹脂與B組分固化劑的比例為1:1且環(huán)氧樹脂和固化劑之和與基質(zhì)瀝青的比例為1:1。

4 不同材料的拉剪和拉拔強(qiáng)度比較

采用上述試驗(yàn)方法，同時(shí)進(jìn)行SBS改性瀝青的鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn)，各防水粘結(jié)材料的最佳拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度如圖6所示。

由圖6可見，三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的鋼板間拉剪和拉拔強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青，且三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的拉剪和拉拔強(qiáng)度大小依次為:日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青和國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青，其中國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青降低約51%和37%，拉拔強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青降低約13%和6%，相差較小;日本環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑降低約23%和8%。

圖6 各防水粘結(jié)材料的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度比較關(guān)系圖

環(huán)氧基防水粘結(jié)材料與SBS改性瀝青的拉剪和拉拔強(qiáng)度之間存在很大差異，因?yàn)榄h(huán)氧基防水粘結(jié)材料為熱固性材料，SBS改性瀝青為熱塑性材料，而熱固性材料所能承受的破壞荷載大于熱塑性材料所能承受的荷載。

三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料之間性能存在差異，是因?yàn)槿N材料所采用的環(huán)氧樹脂和固化劑種類不同，分子內(nèi)化學(xué)鍵作用力不同，經(jīng)固化反應(yīng)后生成的固化產(chǎn)物性能也存在差異，且日本環(huán)氧粘結(jié)劑不摻加瀝青，環(huán)氧樹脂與固化劑能夠充分固化反應(yīng)，而另兩種材料中均需加入瀝青，瀝青的存在可能會(huì)對固化反應(yīng)有一定影響，最終造成三種環(huán)氧基材料性能的差異。

5 結(jié)論

本章分別對國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青等三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料進(jìn)行制備并比較測試其拉剪和拉拔強(qiáng)度性能。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A、B兩組分的最佳比例為1:7.6;日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B兩組分的最佳比例為1:1;日本環(huán)氧瀝青A、B兩組分的最佳比例為1:1，且環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青的比例為1:1。

(2)鋼板間拉剪和拉拔強(qiáng)度優(yōu)劣依次為:日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青、國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青，且三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青。

[1]季節(jié)，徐世法，羅曉輝.橋面鋪裝病害調(diào)查及成因分析[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16(3):33-39.

[2]Seible F，Latham C T.Analysis and design for structural conctete bridge deck overlays[J]Journal ofStructural Engineering，1994，19(2):2711-2728.

[3]顧興宇，王文達(dá).水泥混凝土橋面粘結(jié)層抗剪性能要求及簡化計(jì)算[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10(2):20-25.

[4]呂偉民.國內(nèi)外環(huán)氧瀝青混凝土材料的研究與運(yùn)用[J].石油瀝青，1994(3):11-15.

[5]王曉，程剛，黃衛(wèi).環(huán)氧瀝青混凝土性能研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，31(6):21-24.

[6]閔召輝.熱固性環(huán)氧樹脂瀝青及瀝青混合料開發(fā)與性能研究[D].南京:東南大學(xué)，2004.

[7]李喆.國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料在水泥混凝土橋面應(yīng)用研究[D].南京:東南大學(xué)，2005.