鋼橋面環氧瀝青防水粘結層耐久性影響分析

王 勝，葉 奮，武金婷，蔣國杰

（同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海201804）

鋼橋面瀝青鋪裝工程是國內工程界至今未能完全解決的難題，國內多家科研單位也做了大量的嘗試與試驗，試圖較好地解決這一難題，在實踐中也發現與總結了許多以往未遇到的新問題[1]。鋼橋面鋪裝層與鋼板之間的防水粘結層和防腐層的破壞是橋面鋪裝層破壞的主要引導因素之一。因此，防水粘結層的耐久性直接影響到橋梁的使用質量和橋梁的使用壽命。英國在1949年開始了一系列試驗來研究鋼橋面鋪裝，當時瀝青混合料在正交異性鋼橋面上的應用在德國、荷蘭、法國已得到了很好的發展[2]。

我國鋼橋面鋪裝是從上世紀八十年代開始的[3-4]，最早采用的防水粘結層是乳化瀝青或者改性乳化瀝青，但其使用壽命只有幾個月。為了提高防水粘結層的粘結性能，延長鋼橋面鋪裝的使用壽命，橋面鋪裝研究者們不斷改進防水材料。2000年，南京長江二橋研究人員在國內首次成功地使用美國生產的環氧瀝青混凝土對南京長江二橋進行了鋪裝，使用配套的環氧瀝青作為防水粘結材料。南京長江二橋橋面鋪裝的成功為我國鋼橋面鋪裝提供了新的鋪裝結構和新的防水粘結材料。

本文通過對比鋼橋面正交異性板的粘結材料，以環氧瀝青作為本文的試驗對象。選擇40°作為斜剪試驗的剪切角，利用MTS810（material testing system 810）試驗機、剪切儀和拉拔儀，對不同條件下橋面鋪裝層間的抗剪強度和粘結強度進行研究。通過室內模擬試驗，分析影響層間穩定性的因素，研究不同條件下抗剪強度和粘結強度的變化規律。

1 防水材料

目前，應用于正交異性鋼橋面鋪裝的粘結層材料按施工方法與材料特性的不同分為熱熔性粘結材料、溶劑型粘結材料和熱固性粘結材料3種[5]。熱熔型粘結材料由瀝青摻加樹脂和各種聚合物組成，具有一定的變形能力和防水封閉作用，但是在高溫下容易變軟造成鋼橋面瀝青鋪裝產生推移；溶劑型粘結材料一般多指乳化瀝青和可溶性橡膠瀝青，其在高溫時也容易軟化，并且材料內部含有熱敏性物質，遇攤鋪高溫時會釋放出氣體，從而使鋪裝層產生氣泡；熱固性粘結材料指環氧瀝青，它是將環氧樹脂加入瀝青中，經與固化劑發生固化反應，形成不可逆的固化物，同前兩類材料相比，這種材料無論在粘結能力、變形能力，還是在熱穩定性方面，都具有明顯優勢且使高溫時車轍與推移現象明顯減少。

根據國內外鋼橋面鋪裝防水粘結層材料的應用情況和發展方向，本文選用國產環氧瀝青作為試驗材料。環氧瀝青屬熱固性材料，一般分為A、B兩組分，它將環氧樹脂加入瀝青中，經與固化劑發生固化反應，形不可逆的固化物。這種材料無論在粘結能力、變形能力，還是在熱穩定性方面，都具有明顯優勢[6]。A組分的性能要求如表1所示，B組分的性能要求如表2所示。

表1 環氧瀝青A組分技術要求Tab.1 Technical requirements of GroupAof epoxy asphalt

表2 環氧瀝青B組分技術要求Tab.2 Technical requirements of Group B of epoxy asphalt

2 試驗方法

2.1 剪切試驗

根據噴砂除銹國標GB8923-88對鋼塊（5 cm×10 cm×10 cm）表面進行噴砂除銹，使其清潔度達到Sa2.5級，粗糙度控制在50～100 μm。試驗前將鋼塊置于40℃的烘箱中至少4 h去除鋼塊表面的水分。按照要求在已噴砂除銹的鋼板表面涂布環氧瀝青防水粘結層，用量為0.8 kg·m-2。然后裝入10 cm×10 cm×10 cm的模具中，將一定量環氧瀝青混合料裝入模具中，用靜壓法成型，使壓實后的瀝青混合料密度與設計密度相符。本文試驗使用的環氧瀝青混合料為EA-10。將壓實后的試件放置于120℃的烘箱中保溫6h，使環氧瀝青防水粘結層與環氧瀝青混合料完全固化。將成型好的試件根據試驗的需要，在MTS材料試驗機進行剪切試驗，加載速率為50 mm·min-1。抗剪強度：

式中：τ為抗剪強度，MPa；P為抗剪壓力，kN；α為剪切角，本試驗中為40°；A為剪切面面積，cm2。

2.2 拉拔試驗

拉拔試驗采用的鋼拔頭尺寸為9 mm×9 mm，加載速率為50 mm·min-1。當對試件加載荷載F時，粘結強度：

式中：σ為粘結強度，MPa；F為試件承受的最大拉力，kN；a為粘結面的長度，cm；b為粘結面的寬度，cm。

2.3 表面構造影響試驗

本試驗為了研究除銹不夠徹底或者鋼板生銹對防水粘結層的影響，分別選用不同構造深度和不同銹蝕程度的鋼板進行粘結強度試驗，試驗溫度為25℃。按照鋼板的銹蝕程度分為清潔度Sa2.5級和銹蝕程度FR-2級（表面生銹形成紅棕色銹層，銹層能遮蓋住原表面，均勻分布或散布，附著較好，用干燥的手輕輕擦拭時，只有少量脫落在手上留下痕跡）。并選用粗糙度<10 μm和粗糙度50～100 μm進行粘結強度對比試驗。

2.4 浸水試驗

為了檢驗防水粘結層抵抗水侵蝕的能力，即防水粘結層材料的隔水能力、與鋼板的結合性能，試驗溫度為70℃。試驗前將水箱溫度加熱至70℃，將成型好的試件放入70℃的恒溫水箱中。達到預定的時間后取出來在放在25℃的恒溫水箱中浸泡1 h，然后取出在25℃的氣溫條件進行剪切和拉拔試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 剪切試驗

鋼橋面鋪裝層承受的腐蝕環境主要有氣候環境如溫度、太陽光、紫外線等，介質環境如空氣成分、鋪裝層面汽車尾氣、雨水、汽車貨物污染物等[7]。作為防水粘結層，由于鋪裝上層將其覆蓋住，所以主要受到溫度和水的影響。根據國內某鋼箱梁橋對鋼橋面鋪裝實測的資料，當最高環境氣溫為34℃時，橋面鋼板表面和鋪裝表面混合料中的溫度分別為62℃和69.5℃。因此，本文選擇25℃、70℃作為環氧瀝青防水粘結層抗剪性能試驗溫度，每個試驗成型3個平行試件，試驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出，溫度對對防水粘結層的抗剪強度影響是非常大的，在25℃抗剪強度為4.65 MPa；當溫度為70℃時，抗剪強度急劇下降為0.84 MPa，下降幅度達81.94%。這說明雖然環氧瀝青在高溫情況下已經完全固化，但是高溫仍然能使環氧瀝青遭到破壞以致粘結層和鋼板之間的抗剪能力下降。

3.2 拉拔試驗

采用25℃和70℃作為試驗溫度。試塊分2種，一種為鋼塊，一種為環氧瀝青混凝土EA-10。粘結層的拉拔試驗結果如下圖2。

圖1 不同溫度下防水粘結層的抗剪強度Fig.1 Shear strength of waterproof bonding layer in different temperatures

圖2 不同溫度條件下防水粘結層拉拔強度對比Fig.2 Drawing strength of waterproof bonding layer in different temperature

由圖2可以看出，溫度對環氧瀝青防水粘結層的粘結強度影響非常大，對于鋼塊而言，25℃時的粘結強度達到6.11 MPa，當溫度上升到70℃時，粘結強度只有1.55 MPa，減少了74.6%；對于環氧瀝青混凝土塊而言，25℃時的粘結強度達到4.83 MPa，當溫度上升到70℃時，粘結強度只有0.81 MPa，減少了83.2%。對比環氧瀝青與鋼塊和環氧瀝青混凝土塊的粘結強度可知，無論是25℃還是70℃的條件下，與前者的粘結強度要明顯大于后者。

3.3 表面構造對粘結性能影響

鋼板表面的粗糙度各有不同，并且鋼板容易生銹，在實際工程應用中，鋼板的表面也存在具備除銹不夠徹底的情況[8]。為了研究這些因素對防水粘結層粘結強度的影響，本文對不同表面構造鋼塊進行了25℃拉拔強度試驗，試驗結果見表3。

表3 不同鋼板表面構造條件下的防水粘結層拉拔強度Tab.3 Drawing strength of waterproof bonding layer in different surface structure

由表3可知，鋼板的表面構造對防水粘結層的拉拔強度非常大。在25℃的條件下，粗糙度小于10 μm比粗糙度為50～100 μm的拉拔強度減小達81.7%，而生銹的情況下則比粗糙度為50～100 μm的拉拔強度減小48.9%。由此可見鋼板的表面構造對防水粘結層的拉拔強度影響非常大，在鋪粘結層前一定要做好噴砂除銹清潔工作。

3.4 浸水時間對粘結性能影響

鋪裝層是多孔質層，水可以通過瀝青混凝土鋪裝層的孔隙到達層下的防水粘結層和防腐層界面，并且水一旦進入鋪裝層下粘結層和防腐層界面后很難消散，這些水在汽車和橋面震動載荷等共同作用下腐蝕防水粘結層界面，破壞鋪裝層面。汽車灑落的機油或汽油均會與橋面瀝青發生溶脹和溶解作用，加劇瀝青混凝土鋪裝層的表面空隙，更加有利于水穿過鋪裝層。試驗測試了環氧瀝青在70℃水中，粘結性能和剪切性能隨著浸水時間的變化情況，結果見表4。

表4 不同浸水時間后防水粘結層剪切和拉拔試驗結果Tab.4 Drawing and shear strength of waterproof bonding layer in different soaking time

在浸水15 d的時間里，防水粘結層的抗剪強度隨著浸水時間的增加而逐漸降低，但是下降幅度不是很大。由此可見，水在高溫條件下，短期內并不會對防水粘結層的抗剪強度造成太大影響，15 d后降幅達4.3%。

浸水時間在2 d以內，防水粘結層的拉拔強度下降的幅度很小，僅為2.8%；浸水時間在5 d以后，防水粘結層的拉拔強度下降速度增快；15 d后下降幅度達30.8%。由此可以看出，環氧瀝青防水粘結層防水效果較好，雖然水在一定程度上降低了防水粘結層的粘結性能，但是其抗剪性能卻沒有下降很大。

4 結語

1）鋼板表面構造對防水粘結層拉拔強度影響很大，在攤鋪粘結層前一定要做好噴砂除銹清潔工作。

2）隨著溫度的升高，環氧瀝青防水粘結層的抗剪強度和拉拔強度迅速降低，且下降幅度較大。

3）隨著浸水時間的增加，環氧瀝青防水粘結層的抗剪強度和拉拔強度下降較慢，其中抗剪強度基本不變。

4）在對環氧瀝青防水粘結層進行設計時首先需要考慮的是溫度因素。

[1]趙鋒軍.鋼橋面鋪裝環氧防水粘結層材料與結構試驗研究[J].公路，2006（7）：81-83.

[2]陳志一.大跨徑正交異性鋼橋面鋪裝防水粘結層研究[D].西安：長安大學，2008：3-7.

[3]黃衛.潤揚長江公路大橋建設鋼橋面鋪裝[M].北京：人民交通出版社，2005：81-82.

[4]李洪濤.大跨徑懸索橋新型鋼橋面鋪裝結構研究[D].南京：東南大學，2005：2-3.

[5]龔謙.環氧樹脂在鋼橋橋面鋪裝中的應用研究[D].長沙：長沙理工大學，2006：7-10.

[6]于力.環氧瀝青在大跨徑鋼橋面粘結層中的應用研究[J].公路，2004（3）：56-57.

[7]沈承金.鋼橋面涂層腐蝕及其對瀝青混凝土鋪裝層界面弱化機理的研究[D].徐州：中國礦業大學，2009：18-20.

[8]DOWLING P J.The behavior of orthotropic steel deck bridge.developments in bridge design and construction[J].University College Cardiff，1971：557-576.