溫度對防水黏結(jié)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(shù)工程有限公司， 重慶 401336；2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

防水黏結(jié)層能將瀝青砼鋪裝層與鋼橋面板黏結(jié)成整體，并起到防水作用。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的防水黏結(jié)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(jié)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(guān)研究表明，防水黏結(jié)層是橋面鋪裝體系中最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦防水黏結(jié)層失效，將導(dǎo)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(jié)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(jié)性能。除材料本身的性能及施工質(zhì)量等因素外，外界環(huán)境同樣影響防水黏結(jié)材料的黏結(jié)性能，且其影響長期存在。其中溫度是影響防水黏結(jié)材料及瀝青混合料鋪裝層性能的關(guān)鍵因素，溫度升高，材料逐漸變軟，力學(xué)強(qiáng)度隨之衰減，進(jìn)而影響鋪裝結(jié)構(gòu)的黏結(jié)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(jié)劑，通過室內(nèi)試驗研究不同溫度對這兩種鋼橋面鋪裝體系黏結(jié)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(jié)材料進(jìn)行試驗，分別為二階環(huán)氧黏結(jié)劑(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司研制，下稱自研)、美國環(huán)氧黏結(jié)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(shè)株式會社TAF研制)，其組成及養(yǎng)護(hù)條件見表1，基本性能見表2。

表2 防水黏結(jié)材料的基本性能

表1 防水黏結(jié)材料的組成及養(yǎng)護(hù)條件

(2) GA-10所用瀝青為聚合物復(fù)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(shè)株式會社TAF)。粗、細(xì)集料均采用玄武巖，堅硬，無雜質(zhì)，無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，其技術(shù)指標(biāo)均滿足要求?；旌狭霞壟湟妶D1，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(biāo)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(biāo)

1.2 試驗方法

通過室內(nèi)拉拔試驗和剪切試驗，分別測試不同溫度下防水黏結(jié)體系和鋪裝組合結(jié)構(gòu)的拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度，評價橋面鋪裝防水黏結(jié)材料的黏結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)試件(見圖2)。其中二階環(huán)氧黏結(jié)劑、美國環(huán)氧黏結(jié)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(jī)進(jìn)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(jié)材料力學(xué)性能的影響

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

由圖3可知：溫度能顯著影響防水黏結(jié)劑的力學(xué)性能，3種材料均表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫感性。二階環(huán)氧黏結(jié)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(jié)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(jié)劑的拉伸強(qiáng)度逐漸下降，二階環(huán)氧黏結(jié)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(jié)劑則逐漸降低。同一溫度下，二階環(huán)氧黏結(jié)劑的拉伸強(qiáng)度大于美國環(huán)氧黏結(jié)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(jié)劑和二階環(huán)氧黏結(jié)劑的規(guī)律。整體而言，常溫下3種環(huán)氧黏結(jié)劑均表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，高溫下則明顯衰減。

圖3 溫度對防水黏結(jié)劑力學(xué)性能的影響(單位：mm)

3 溫度對防水黏結(jié)材料黏結(jié)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(jié)體系

測試鋪裝層GA-10防水黏結(jié)體系在不同溫度下的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖4。

圖4 溫度對鋪裝層GA-10防水黏結(jié)體系黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖4可知：隨著溫度升高，GA-10防水黏結(jié)體系的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(jié)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(nèi)部；溫度更高時，全部為混合料內(nèi)部破壞。對于GA-10防水黏結(jié)體系，不同溫度下3種防水黏結(jié)劑表現(xiàn)出的黏結(jié)性能差異較小，澆注式瀝青混合料GA-10的自身強(qiáng)度較低且溫感性較強(qiáng)，試驗結(jié)果并未反映其真實黏結(jié)強(qiáng)度。

3.1.2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA-10+SMA-10

測試鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA-10+SMA-10的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA+SMA黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖5可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA+SMA的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(nèi)部(40%)；溫度大于40 ℃時，主要為混合料內(nèi)部破壞(80%以上)。對于GA+SMA結(jié)構(gòu)，不同溫度下3種防水黏結(jié)劑表現(xiàn)出的黏結(jié)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(qiáng)度衰減明顯，基本為混合料內(nèi)部破壞。試驗結(jié)果同樣未反映其真實黏結(jié)強(qiáng)度。

3.1.3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA-10+EA-10

測試鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA-10+EA-10的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖6。

由圖6可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA+EA的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(nèi)部破壞，結(jié)果能較好地反映其真實黏結(jié)性能。對于GA+EA結(jié)構(gòu)，不同溫度下3種防水黏結(jié)劑表現(xiàn)出的黏結(jié)性能差異較小。

圖6 溫度對鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA+EA黏結(jié)強(qiáng)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(jié)體系

測試鋪裝層EA-10防水黏結(jié)體系的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖7。

圖7 溫度對鋪裝層EA-10防水黏結(jié)體系黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖7可知：隨著溫度升高，EA-10防水黏結(jié)體系的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度逐漸下降，但衰減幅度明顯小于GA-10防水黏結(jié)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(jié)劑之間或混合料EA-10與拉拔頭之間。與GA-10防水黏結(jié)體系不同，環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度高，試驗過程中基本未出現(xiàn)混合料內(nèi)部破壞。同一溫度下二階環(huán)氧黏結(jié)劑具有更高的黏結(jié)強(qiáng)度，即使溫度高達(dá)70 ℃，其拉拔、剪切強(qiáng)度仍能分別達(dá)到1.06和1.68 MPa。

3.2.2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA-10+EA-10

測試鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA-10+EA-10的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖8。

圖8 溫度對鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA+EA黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖8可知：隨著溫度升高，鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA+EA的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(jié)劑之間或混合料EA-10與拉拔頭之間，基本沒有混合料內(nèi)部破壞。不同于澆注式鋪裝體系，EA+EA的層間拉拔試驗結(jié)果能較好地反映其拉拔強(qiáng)度，但剪切試驗結(jié)果受環(huán)氧瀝青混合料中富余結(jié)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(jié)劑的黏結(jié)性能優(yōu)于美國環(huán)氧黏結(jié)劑和日本環(huán)氧黏層油，溫度越高越明顯，即使溫度高達(dá)70 ℃，其層間拉拔、剪切強(qiáng)度仍能分別達(dá)到0.64和5.51 MPa。

3.2.3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA-10+SMA-10

測試鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA-10+SMA-10的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖9。

由圖9可知：隨著溫度的升高，鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA+SMA的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(nèi)部破壞。試驗結(jié)果與鋪裝組合結(jié)構(gòu)GA+SMA相似，兩種結(jié)構(gòu)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(jìn)一步對比EA+EA的試驗結(jié)果，可看出層間黏結(jié)強(qiáng)度由自身強(qiáng)度更小的鋪裝層材料決定。

圖9 溫度對鋪裝組合結(jié)構(gòu)EA+SMA黏結(jié)強(qiáng)度的影響響

4 結(jié)論

(1) 3種環(huán)氧黏結(jié)劑均具有優(yōu)良的力學(xué)性能。溫度能顯著影響防水黏結(jié)劑的力學(xué)性能，隨著溫度升高，其拉伸強(qiáng)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(jié)劑的拉伸強(qiáng)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(jié)劑。

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

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