溫度對防水黏結材料性能影響的試驗分析*

劉攀， 岳曉文， 李凱， 盛興躍， 李璐， 全弘彬

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司， 重慶 401336；2.重慶交通大學， 重慶 400074)

防水黏結層能將瀝青砼鋪裝層與鋼橋面板黏結成整體，并起到防水作用。目前國內應用較多的防水黏結材料主要包括甲基丙烯酸甲酯材料、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青、改性瀝青及溶劑型黏結劑等，其中澆注式瀝青混合料鋪裝體系主要采用甲基丙烯酸甲酯材料，溫拌環(huán)氧瀝青混合料鋪裝體系主要采用環(huán)氧瀝青，熱拌環(huán)氧瀝青混合料鋪裝體系主要采用環(huán)氧樹脂。工程實踐和相關研究表明，防水黏結層是橋面鋪裝體系中最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦防水黏結層失效，將導致鋪裝層一系列病害，并影響橋梁通行能力。為保證鋼橋面板與鋪裝層的整體性，防水黏結材料與鋼橋面板之間及鋪裝層與鋪裝層之間必須具有優(yōu)異的黏結性能。除材料本身的性能及施工質量等因素外，外界環(huán)境同樣影響防水黏結材料的黏結性能，且其影響長期存在。其中溫度是影響防水黏結材料及瀝青混合料鋪裝層性能的關鍵因素，溫度升高，材料逐漸變軟，力學強度隨之衰減，進而影響鋪裝結構的黏結性能。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，澆注式瀝青混合料(GA)鋪裝體系和環(huán)氧瀝青混合料(EA)鋪裝體系在目前鋼橋面鋪裝中占80%以上。該文針對3種防水黏結劑，通過室內試驗研究不同溫度對這兩種鋼橋面鋪裝體系黏結性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1) 選擇3種鋼橋面防水黏結材料進行試驗，分別為二階環(huán)氧黏結劑(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司研制，下稱自研)、美國環(huán)氧黏結劑(美國Chem Co System公司研制)和日本環(huán)氧黏層油(日本大有建設株式會社TAF研制)，其組成及養(yǎng)護條件見表1，基本性能見表2。

表2 防水黏結材料的基本性能

表1 防水黏結材料的組成及養(yǎng)護條件

(2) GA-10所用瀝青為聚合物復合改性瀝青，SMA-10所用瀝青為高彈改性瀝青，EA-10所用瀝青分別為高韌性環(huán)氧瀝青(自研)、美國環(huán)氧瀝青(美國Chem Co System公司)和日本環(huán)氧瀝青(日本大有建設株式會社TAF)。粗、細集料均采用玄武巖，堅硬，無雜質，無結團現(xiàn)象，其技術指標均滿足要求。混合料級配見圖1，其中GA-10的油石比為7.7%(拌和溫度240 ℃)，SMA-10的油石為6.0%(拌和溫度180 ℃)，EA-10的油石比為6.6%(美國EA-10的拌和溫度120 ℃，自研EA-10和日本EA-10的拌和溫度170 ℃)。鋪裝層瀝青混合料性能指標見表3。

圖1 混合料級配曲線

表3 鋪裝層瀝青混合料的性能指標

1.2 試驗方法

通過室內拉拔試驗和剪切試驗，分別測試不同溫度下防水黏結體系和鋪裝組合結構的拉拔強度、剪切強度，評價橋面鋪裝防水黏結材料的黏結性能。

(1) 噴砂除銹使90 mm×90 mm鋼板潔凈度與粗糙度滿足Sa2.5的要求，先均勻涂布環(huán)氧富鋅漆，再涂布防水黏結材料，隨后采用輪碾法加鋪面層鋪裝材料。

(2) 按照35 mm鋪裝下面層混合料+防水黏結材料+35 mm鋪裝上面層混合料成型車轍板，切割成90 mm×90 mm組合結構試件(見圖2)。其中二階環(huán)氧黏結劑、美國環(huán)氧黏結劑和日本環(huán)氧黏層油的涂布量均為0.50 kg/m3。試件完全固化后，在20、30、40、50、60和70 ℃溫度下保溫5 h以上，通過萬能試驗機進行拉拔試驗和剪切試驗。

圖2 拉拔剪切試件(單位：mm)

2 溫度對防水黏結材料力學性能的影響

將3種防水黏結劑成型為啞鈴形試件，固化完全后測試不同溫度下拉伸強度和斷裂伸長率，拉伸速率200 mm/min。試驗結果見圖3。

由圖3可知：溫度能顯著影響防水黏結劑的力學性能，3種材料均表現(xiàn)出較強的溫感性。二階環(huán)氧黏結劑和日本環(huán)氧黏層油均屬于環(huán)氧樹脂類材料，美國環(huán)氧黏結劑屬于環(huán)氧瀝青類材料，溫度對其拉伸性能的影響既有相似之處又有區(qū)別。隨著溫度升高，3種防水黏結劑的拉伸強度逐漸下降，二階環(huán)氧黏結劑和日本環(huán)氧黏層油的斷裂伸長率呈先增大后減小的趨勢，美國環(huán)氧黏結劑則逐漸降低。同一溫度下，二階環(huán)氧黏結劑的拉伸強度大于美國環(huán)氧黏結劑和日本環(huán)氧黏層油，斷裂伸長率則基本表現(xiàn)出日本環(huán)氧黏層油大于美國環(huán)氧黏結劑和二階環(huán)氧黏結劑的規(guī)律。整體而言，常溫下3種環(huán)氧黏結劑均表現(xiàn)出優(yōu)良的力學性能，高溫下則明顯衰減。

圖3 溫度對防水黏結劑力學性能的影響(單位：mm)

3 溫度對防水黏結材料黏結性能的影響

3.1 澆注式瀝青混合料鋪裝體系

3.1.1 鋪裝層GA-10防水黏結體系

測試鋪裝層GA-10防水黏結體系在不同溫度下的拉拔強度和剪切強度，結果見圖4。

圖4 溫度對鋪裝層GA-10防水黏結體系黏結強度的影響

由圖4可知：隨著溫度升高，GA-10防水黏結體系的拉拔強度和剪切強度顯著下降。溫度低于30 ℃時，拉拔試驗的破壞薄弱面基本處于富鋅漆與防水黏結劑之間(80%)；溫度為40～60 ℃時，其破壞薄弱面主要出現(xiàn)在混合料內部；溫度更高時，全部為混合料內部破壞。對于GA-10防水黏結體系，不同溫度下3種防水黏結劑表現(xiàn)出的黏結性能差異較小，澆注式瀝青混合料GA-10的自身強度較低且溫感性較強，試驗結果并未反映其真實黏結強度。

3.1.2 鋪裝組合結構GA-10+SMA-10

測試鋪裝組合結構GA-10+SMA-10的拉拔強度和剪切強度，結果見圖5。

圖5 溫度對鋪裝組合結構GA+SMA黏結強度的影響

由圖5可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結構GA+SMA的拉拔強度和剪切強度顯著下降。溫度低于30 ℃時，拉拔試驗的破壞薄弱面處于層間(60%)和混合料內部(40%)；溫度大于40 ℃時，主要為混合料內部破壞(80%以上)。對于GA+SMA結構，不同溫度下3種防水黏結劑表現(xiàn)出的黏結性能差異較小，主要原因為澆注式瀝青混合料GA-10和高彈瀝青混合料SMA-10是熱塑性材料，在高溫下自身強度衰減明顯，基本為混合料內部破壞。試驗結果同樣未反映其真實黏結強度。

3.1.3 鋪裝組合結構GA-10+EA-10

測試鋪裝組合結構GA-10+EA-10的拉拔強度和剪切強度，結果見圖6。

由圖6可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結構GA+EA的拉拔強度和剪切強度顯著下降，拉拔試驗的破壞薄弱面基本處于層間。和GA+SMA相比，GA+EA的上面層鋪裝材料由熱塑性的GA-10變?yōu)闊峁绦缘腅A-10，拉拔試驗時幾乎不會發(fā)生上面層混合料內部破壞，結果能較好地反映其真實黏結性能。對于GA+EA結構，不同溫度下3種防水黏結劑表現(xiàn)出的黏結性能差異較小。

圖6 溫度對鋪裝組合結構GA+EA黏結強度的影響

3.2 環(huán)氧瀝青混合料鋪裝體系

3.2.1 鋪裝層EA-10防水黏結體系

測試鋪裝層EA-10防水黏結體系的拉拔強度和剪切強度，結果見圖7。

圖7 溫度對鋪裝層EA-10防水黏結體系黏結強度的影響

由圖7可知：隨著溫度升高，EA-10防水黏結體系的拉拔強度和剪切強度逐漸下降，但衰減幅度明顯小于GA-10防水黏結體系，其拉拔破壞薄弱面基本處于富鋅漆與鋼板之間、富鋅漆與防水黏結劑之間或混合料EA-10與拉拔頭之間。與GA-10防水黏結體系不同，環(huán)氧瀝青混合料強度高，試驗過程中基本未出現(xiàn)混合料內部破壞。同一溫度下二階環(huán)氧黏結劑具有更高的黏結強度，即使溫度高達70 ℃，其拉拔、剪切強度仍能分別達到1.06和1.68 MPa。

3.2.2 鋪裝組合結構EA-10+EA-10

測試鋪裝組合結構EA-10+EA-10的拉拔強度和剪切強度，結果見圖8。

圖8 溫度對鋪裝組合結構EA+EA黏結強度的影響

由圖8可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結構EA+EA的拉拔強度和剪切強度逐漸下降，其拉拔破壞薄弱面基本處于混合料與防水黏結劑之間或混合料EA-10與拉拔頭之間，基本沒有混合料內部破壞。不同于澆注式鋪裝體系，EA+EA的層間拉拔試驗結果能較好地反映其拉拔強度，但剪切試驗結果受環(huán)氧瀝青混合料中富余結合料的影響明顯大于其真實值。同一溫度下二階環(huán)氧黏結劑的黏結性能優(yōu)于美國環(huán)氧黏結劑和日本環(huán)氧黏層油，溫度越高越明顯，即使溫度高達70 ℃，其層間拉拔、剪切強度仍能分別達到0.64和5.51 MPa。

3.2.3 鋪裝組合結構EA-10+SMA-10

測試鋪裝組合結構EA-10+SMA-10的拉拔強度和剪切強度，結果見圖9。

由圖9可知：隨著溫度的升高，鋪裝組合結構EA+SMA的拉拔強度和剪切強度顯著下降。溫度低于30 ℃時，拉拔試驗的破壞薄弱面基本處于層間；溫度大于40 ℃時，主要為混合料內部破壞。試驗結果與鋪裝組合結構GA+SMA相似，兩種結構的上面層鋪裝材料均采用SMA-10，區(qū)別僅在于下面層鋪裝材料。進一步對比EA+EA的試驗結果，可看出層間黏結強度由自身強度更小的鋪裝層材料決定。

圖9 溫度對鋪裝組合結構EA+SMA黏結強度的影響響

4 結論

(1) 3種環(huán)氧黏結劑均具有優(yōu)良的力學性能。溫度能顯著影響防水黏結劑的力學性能，隨著溫度升高，其拉伸強度明顯衰減，表現(xiàn)出較明顯的溫感性。在同一溫度下，二階環(huán)氧黏結劑的拉伸強度最大，斷裂伸長率則小于日本環(huán)氧黏層油和美國環(huán)氧黏結劑。

(2) 溫度會顯著影響防水黏結劑的黏結性能，隨著溫度升高，其黏結性能逐漸下降。對于同一防水黏結體系或鋪裝組合結構，日本環(huán)氧黏層油的溫感性強于美國環(huán)氧黏結劑和二階環(huán)氧黏結劑；對于同一防水黏結劑，GA-10的溫感性明顯強于EA-10，GA+SMA的溫感性強于GA+EA和EA+SMA，EA+EA則較弱。不同溫度下二階環(huán)氧黏結劑均表現(xiàn)出十分優(yōu)異的黏結性能，完全能滿足鋼橋面鋪裝的使用要求。

(3) 防水黏結體系的黏結性能與防水黏結材料自身強度、防水黏結材料與鋼橋面板之間的結合強度、鋪裝層與防水黏結材料之間的結合強度及鋪裝層的自身強度都有較大關系，鋪裝組合結構的黏結性能主要與防水黏結材料自身強度、鋪裝層與防水黏結材料之間的結合強度及鋪裝層的自身強度密切相關。溫度是影響上述強度的重要因素。