鋼橋面鋪裝防水黏結(jié)層材料黏結(jié)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(qū)交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆交通科學(xué)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(fù)合結(jié)構(gòu)[1-2]，且多處于濕度較大、溫度較高的跨江沿海地區(qū)[3]。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)[4-5]，多數(shù)鋼橋面鋪裝實(shí)體工程的使用壽命均難以達(dá)到設(shè)計(jì)年限，究其原因在于，一方面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)層常處于高應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)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(jié)層間存在一定量的水分，極易導(dǎo)致鼓包、脫層等病害[7]。同時(shí)，在重載交通的使用條件下，車輛行駛所產(chǎn)生的動水壓力將使浸入鋪裝層內(nèi)部的水分進(jìn)一步破壞鋪裝層與鋼橋面的黏結(jié)效應(yīng)，并腐蝕鋼橋表面結(jié)構(gòu)[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(jié)層的黏結(jié)強(qiáng)度較低或防水黏結(jié)層失效是鋼橋面鋪裝層水損害產(chǎn)生的主要原因之一[9]。

工程界對濕熱多雨地區(qū)鋼橋面鋪裝材料鼓包病害的產(chǎn)生機(jī)理以及瀝青混凝土鋪裝體系的黏結(jié)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(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的研究仍處于起步階段，如何確保防水黏結(jié)層的黏結(jié)性能是亟待解決的問題。本文基于影響?zhàn)そY(jié)性能的鋼橋面粗糙度、防水黏結(jié)材料各層用量、施工溫度、環(huán)境濕度關(guān)鍵因素考慮，進(jìn)行不同試驗(yàn)條件下的拉拔試驗(yàn)，分析其對防水黏結(jié)層黏結(jié)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(fā)展。

1 試驗(yàn)材料

表1 環(huán)氧富鋅漆技術(shù)指標(biāo)

表2 防水層黏結(jié)層技術(shù)指標(biāo)

本文采用的防水黏結(jié)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(jié)效應(yīng)。底漆材料為環(huán)氧富鋅漆，其性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示，防水黏結(jié)層材料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2 拉拔試驗(yàn)

防水黏結(jié)層黏結(jié)效果對鋼橋面和鋪裝層的結(jié)構(gòu)聯(lián)合和整體性能具有至關(guān)重要的作用，其黏結(jié)效應(yīng)可通過拉拔試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)[10]。拉拔試驗(yàn)前先對鋼板表面進(jìn)行拋丸處理，待清潔度和粗糙度滿足指標(biāo)要求后，涂抹底漆、防水黏結(jié)層，用環(huán)氧黏結(jié)劑黏結(jié)拉頭后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，其試驗(yàn)機(jī)理和試驗(yàn)裝置如圖1所示，拉頭直徑為50 mm，測得試驗(yàn)拉拔力與拉頭底面面積之比為拉拔強(qiáng)度，拉拔強(qiáng)度越大說明黏結(jié)效應(yīng)越好，其計(jì)算如式（1）所示。

式中：P為拉拔強(qiáng)度；F為試驗(yàn)力；S為拉頭底面面積。

圖1 拉拔試驗(yàn)示意圖

3 黏結(jié)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(jié)層的黏結(jié)效果，通過角磨機(jī)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(jié)拉頭后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。鋼板粗糙度及相應(yīng)的拉拔強(qiáng)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(qiáng)度處于較低水平。鋼板具有粗糙的表面，有利于底漆的黏結(jié)，粗糙度等級越高，拉拔強(qiáng)度越大。鑒于粗糙度達(dá)到Ⅲ級以后，拉拔強(qiáng)度增大幅度較小，考慮到現(xiàn)場施工時(shí)對鋼板表面粗糙度處理工程量以及經(jīng)濟(jì)性，鋼橋面的粗糙度處理達(dá)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(jié)體系施工控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在鋼板打磨至Ⅲ級的基礎(chǔ)上，涂抹不 同 厚 度（40 μm、60 μm、80 μm、100 μm、120 μm）的底漆，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同底漆厚度條件下的拉拔強(qiáng)度

通過圖2可以看出，隨著底漆厚度的增加，拉拔強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)?shù)灼岷穸仍?0 μm時(shí)，拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大。隨著底漆厚度的增加，過厚的底漆將會導(dǎo)致拉拔試驗(yàn)的破壞面發(fā)生在底漆層間，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。

3.3 防水黏結(jié)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(jié)層厚度（0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5mm）條件下試件的拉拔強(qiáng)度。試驗(yàn)鋼板粗糙度均為Ⅲ級，底漆60 μm，涂抹不同厚度的防水黏結(jié)層后黏結(jié)拉頭，并養(yǎng)護(hù)12 h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 防水黏結(jié)層厚度與拉拔強(qiáng)度關(guān)系

可以看出，在同樣的防水黏結(jié)層厚度下，涂抹了底漆的結(jié)構(gòu)組合的拉拔強(qiáng)度較高，這也說明底漆有助于增強(qiáng)防水體系的黏結(jié)效應(yīng)，在施工時(shí)涂抹底漆不但起到防水保護(hù)鋼橋面的作用，還可以增強(qiáng)鋼橋面防水體系的黏結(jié)強(qiáng)度。防水層厚度較小時(shí)，未形成良好的黏結(jié)結(jié)構(gòu)層，因此抗拉強(qiáng)度較低。隨著防水層厚度的增加，拉拔強(qiáng)度增大，當(dāng)防水層厚度達(dá)到2.5 mm左右時(shí)，拉拔強(qiáng)度達(dá)到較大水平。防水層厚度持續(xù)增大，拉拔強(qiáng)度有所下降。

3.4 施工溫度

施工溫度影響防水黏結(jié)體系各結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而影響鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。在表面粗糙度達(dá)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(jié)層。各層涂抹前，將鋼板放在烘箱內(nèi)部進(jìn)行不同溫度下的養(yǎng)護(hù)1 h，各層涂抹完畢后在環(huán)境箱中保溫24 h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同試驗(yàn)溫度下的拉拔強(qiáng)度

通過圖4可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，拉拔強(qiáng)度逐漸降低，在常溫下（即25℃）其拉拔強(qiáng)度均較大。溫度一方面會影響材料的強(qiáng)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(dǎo)致其黏結(jié)力減小。拉拔強(qiáng)度與溫度成對數(shù)遞減關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均可達(dá)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(jié)體系的施工溫度均控制在25℃左右。

3.5 環(huán)境濕度

水分的存在導(dǎo)致防水黏結(jié)材料的黏結(jié)效應(yīng)降低，甚至導(dǎo)致層間黏結(jié)失效，因此需要研究環(huán)境濕度對防水黏結(jié)材料黏結(jié)強(qiáng)度的影響，從而對施工環(huán)境的濕度進(jìn)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(jié)層，在溫度為25℃，相對空氣濕度為40%、60%、80%、100%條件下養(yǎng)護(hù)試件24 h后測試?yán)螐?qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同環(huán)境濕度下的拉拔強(qiáng)度

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

4 結(jié)論

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