鋼橋面鋪裝防水黏結層材料黏結性能影響因素分析

洪 亮，姑麗比婭·艾斯卡爾 ，劉書君

（1.新疆維吾爾自治區交通運輸工程質量監督局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

目前，我國大跨徑橋梁多采用正交異性鋼橋面加鋪瀝青面層形成的剛-柔復合結構[1-2]，且多處于濕度較大、溫度較高的跨江沿海地區[3]。調查研究發現[4-5]，多數鋼橋面鋪裝實體工程的使用壽命均難以達到設計年限，究其原因在于，一方面瀝青混凝土鋪裝結構層常處于高應力狀態，容易產生疲勞破壞[6]；另一方面在于施工過程中濕熱多雨氣候條件將使防水黏結層間存在一定量的水分，極易導致鼓包、脫層等病害[7]。同時，在重載交通的使用條件下，車輛行駛所產生的動水壓力將使浸入鋪裝層內部的水分進一步破壞鋪裝層與鋼橋面的黏結效應，并腐蝕鋼橋表面結構[8]。由此可見，水分對鋼橋面鋪裝體系的影響是不可輕視的，橋面防水黏結層的黏結強度較低或防水黏結層失效是鋼橋面鋪裝層水損害產生的主要原因之一[9]。

工程界對濕熱多雨地區鋼橋面鋪裝材料鼓包病害的產生機理以及瀝青混凝土鋪裝體系的黏結特性尚未清晰把握，適用于濕熱多雨氣候條件的鋼橋面鋪裝質量控制標準的研究仍處于起步階段，如何確保防水黏結層的黏結性能是亟待解決的問題。本文基于影響黏結性能的鋼橋面粗糙度、防水黏結材料各層用量、施工溫度、環境濕度關鍵因素考慮，進行不同試驗條件下的拉拔試驗，分析其對防水黏結層黏結性能的影響，旨在提高鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力以及控制其他病害發展。

1 試驗材料

表1 環氧富鋅漆技術指標

表2 防水層黏結層技術指標

本文采用的防水黏結體系由底漆、防水黏合層組成，不但能夠防止水分和氯離子對鋼橋面的腐蝕，而且具有良好的柔性和黏結效應。底漆材料為環氧富鋅漆，其性能技術指標如表1所示，防水黏結層材料的技術指標如表2所示。

2 拉拔試驗

防水黏結層黏結效果對鋼橋面和鋪裝層的結構聯合和整體性能具有至關重要的作用，其黏結效應可通過拉拔試驗進行評價[10]。拉拔試驗前先對鋼板表面進行拋丸處理，待清潔度和粗糙度滿足指標要求后，涂抹底漆、防水黏結層，用環氧黏結劑黏結拉頭后在萬能試驗機上進行拉拔試驗，其試驗機理和試驗裝置如圖1所示，拉頭直徑為50 mm，測得試驗拉拔力與拉頭底面面積之比為拉拔強度，拉拔強度越大說明黏結效應越好，其計算如式（1）所示。

式中：P為拉拔強度；F為試驗力；S為拉頭底面面積。

圖1 拉拔試驗示意圖

3 黏結性能的影響分析

3.1 鋼橋面板粗糙度

為模擬粗糙的鋼橋面板對防水黏結層的黏結效果，通過角磨機將100 mm×100 mm×5 mm的鋼板打磨成不同粗糙程度，其粗糙度采用Testex Press-O-Flim測試紙測定，然后涂抹60 μm的底漆，黏結拉頭后進行拉拔試驗。鋼板粗糙度及相應的拉拔強度如表3所示。

表3 鋼板表面粗糙度分級

通過表3可以看出，對于未打磨的鋼板而言，其拉拔強度處于較低水平。鋼板具有粗糙的表面，有利于底漆的黏結，粗糙度等級越高，拉拔強度越大。鑒于粗糙度達到Ⅲ級以后，拉拔強度增大幅度較小，考慮到現場施工時對鋼板表面粗糙度處理工程量以及經濟性，鋼橋面的粗糙度處理達到Ⅲ級即可。

3.2 底漆厚度

底漆在鋼橋面鋪裝體系中主要起到防止鋼板生銹的作用，底漆的厚度也是防水黏結體系施工控制的一個重要環節。在鋼板打磨至Ⅲ級的基礎上，涂抹不 同 厚 度（40 μm、60 μm、80 μm、100 μm、120 μm）的底漆，進行拉拔試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同底漆厚度條件下的拉拔強度

通過圖2可以看出，隨著底漆厚度的增加，拉拔強度先增加后減小，當底漆厚度在60 μm時，拉拔強度達到最大。隨著底漆厚度的增加，過厚的底漆將會導致拉拔試驗的破壞面發生在底漆層間，導致抗拉強度降低。

3.3 防水黏結層厚度

基于在鋼板和防水層之間涂抹底漆和無底漆兩種形式，研究了不同防水黏結層厚度（0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5mm）條件下試件的拉拔強度。試驗鋼板粗糙度均為Ⅲ級，底漆60 μm，涂抹不同厚度的防水黏結層后黏結拉頭，并養護12 h后進行拉拔試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 防水黏結層厚度與拉拔強度關系

可以看出，在同樣的防水黏結層厚度下，涂抹了底漆的結構組合的拉拔強度較高，這也說明底漆有助于增強防水體系的黏結效應，在施工時涂抹底漆不但起到防水保護鋼橋面的作用，還可以增強鋼橋面防水體系的黏結強度。防水層厚度較小時，未形成良好的黏結結構層，因此抗拉強度較低。隨著防水層厚度的增加，拉拔強度增大，當防水層厚度達到2.5 mm左右時，拉拔強度達到較大水平。防水層厚度持續增大，拉拔強度有所下降。

3.4 施工溫度

施工溫度影響防水黏結體系各結構層的黏結強度，進而影響鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。在表面粗糙度達到Ⅲ級的鋼板上涂抹60 μm厚的底漆，然后涂抹2.5 mm的防水黏結層。各層涂抹前，將鋼板放在烘箱內部進行不同溫度下的養護1 h，各層涂抹完畢后在環境箱中保溫24 h后進行拉拔試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同試驗溫度下的拉拔強度

通過圖4可以看出，隨著試驗溫度的升高，拉拔強度逐漸降低，在常溫下（即25℃）其拉拔強度均較大。溫度一方面會影響材料的強度形成，另一方面，作為感溫材料，隨著溫度升高，材料逐漸軟化導致其黏結力減小。拉拔強度與溫度成對數遞減關系，相關系數均可達0.99以上。為確保鋼橋面鋪裝層具有較好的抵抗水損害能力，防水黏結體系的施工溫度均控制在25℃左右。

3.5 環境濕度

水分的存在導致防水黏結材料的黏結效應降低，甚至導致層間黏結失效，因此需要研究環境濕度對防水黏結材料黏結強度的影響，從而對施工環境的濕度進行控制。控制鋼板表面的粗糙度為Ⅲ級，鋼板上涂抹60 μm厚的底漆和2.5 mm的防水黏結層，在溫度為25℃，相對空氣濕度為40%、60%、80%、100%條件下養護試件24 h后測試拉拔強度，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同環境濕度下的拉拔強度

通過圖5可以看出，相對空氣濕度增大。防水黏結體系的拉拔強度逐漸下降。空氣相對濕度超過60%以后，拉拔強度下降幅度相對變大。因此在施工時要注意控制施工現場的空氣濕度，如果濕度較大，則要通過養生技術手段嚴格控制環境濕度，確保施工環境的相對濕度不超過60%。

4 結論

鋼橋面鋪裝防水黏結層的施工控制需從鋼橋面處理到黏結層鋪設層層控制。施工時對鋼橋表面打磨處理并涂抹環氧富鋅底漆有利于提高防水黏結層的黏結強度，底漆涂抹不宜過厚，控制在60 μm即可，防水黏結層的厚度可控制在2.5 mm左右。施工時確保施工溫度控制在25℃～40℃，環境的相對濕度不超過60%，在這種環境條件下施工，防水黏結層不單具有較高黏結強度。