路橋鋪裝用彈性環氧材料研究

朱本瑋

摘要：通過對環氧材料粘接失效的界面應力分析，介紹了環氧鋪裝材料抗開裂能力的評價方法以及彈性環氧鋪裝材料的技術要求，最后簡述了幾種常用的彈性環氧路面鋪裝材料。

關鍵詞：鋪裝材料；界面應力；環氧粘接劑

中圖分類號：TQ433.4+37 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）08-0078-03

環氧樹脂具有良好的力學性能和粘接性能，廣泛用作膠粘劑、涂料、修補材料等。國外早就將環氧樹脂路面材料使用在高等級公路、飛機跑道方面以取代傳統的瀝青鋪裝。采用環氧樹脂路面材料建成的道路與傳統材料建造的相比，強度高、耐油性好、耐水性好、耐磨損、施工及維護方便（后期費用低）。國內從上世紀80年代后才開始用環氧樹脂進行建筑結構加固，近年來也逐漸用于地坪的加固修補。隨著國內建筑水平的提高，在高等級路面、橋面應用環氧樹脂已逐漸成為熱點。

本文對環氧樹脂材料固化過程和應用過程中的界面應力進行了初步分析，介紹了評價環氧材料抗開裂性能的評價方法、國外對路橋鋪裝用彈性環氧樹脂材料的技術要求和目前應用較為成熟的2種鋪裝用彈性環氧材料。

1 粘接界面應力分析

環氧樹脂材料的綜合性能遠優于混凝土材料，但在其修補混凝土基層特別是在修補較大面積混凝土時經常發生脫層現象。導致環氧樹脂砂漿與混凝土界面脫落的主要原因是粘接界面存在應力。這種應力一方面包括環氧樹脂砂漿固化過程中產生的收縮應力，另一方面包括在使用溫度變化時由于2種材料線脹系數不同產生的應力。

1.1 固化過程產生的應力

環氧樹脂固化反應是放熱反應，2組分混合后就開始發生化學反應，體系溫度升高，在達到放熱峰頂時體系的體積達到最大，然后固化反應減緩，體系緩慢降溫。在達到凝膠點前體系為能流動的液體，在凝膠點由液體變成膠體失去流動性。隨著體系溫度的降低，整個反應體系的體積縮小。凝膠點前體系處于液體狀態，體積收縮不會產生永久內應力；凝膠點后尤其是進入玻璃態后，由于聚合物內部結構調整以及溫度下降導致的體積收縮受到界面約束而在材料內部產生永久內應力。若內應力超過材料的本體強度或界面粘接強度，就會產生裂縫、脫粘、分層等形式的破壞[1]。

1.2 使用過程中環境溫度變化產生的應力

熱脹冷縮是材料固有的性能之一。鋪裝材料與基層材料的性能不同，線脹系數相差較大。因此在環境溫度變化時由于2種材料的尺寸變化不同而導致粘接界面會發生變化[2]。由于界面的約束，不可避免會在材料中產生內應力。內應力大小取決于線脹系數的差值以及溫度變化幅度。如果這種應力超過了任一材料的強度，就會導致粘接處材料破損或者界面脫層破壞。

2 鋪裝材料抗開裂能力評價

粘接界面應力影響因素較多，目前還沒有合適的方法直接測量界面應力。通過大量的測試試驗和建立數學模型進行應力分析，水利水電科學院采用圓環強化開裂試驗來評價環氧修補砂漿薄層結構抗裂性[3]。圓環法采用圓環試件，試件內環為混凝土，外環為1 cm厚的環氧砂漿薄層（見圖1），a=100 mm，b=160 mm，c=170 mm，軸向厚度B=60 mm。試件養護齡期為28 d 。試驗方法是將試件在-20 ℃靜置16 h，然后在80 ℃靜置8 h，作為一個循環。每個循環都需檢查試件的開裂情況，包括環氧砂漿薄層是否開裂、環氧砂漿與混凝土之間是否開裂等。若經10～15循環試件無裂縫，則認為環氧砂漿薄層滿足抗開裂要求。

美國ASTM D884標準也提供了一種評價環氧砂漿與粘接混凝土界面抗裂性的方法——熱相容性試驗方法，通過實驗手段直接反映環氧砂漿與基層能否滿足使用要求而不致脫落破壞[4]。實驗方法是在300 mm×300 mm×75 mm的混凝土上鋪裝15 mm厚環氧材料，常溫固化7 d。以-20 ℃/24 h+常溫/24 h為1個循環，如果經過5個循環粘接界面和材料本身無開裂或裂縫產生，則認為這種環氧材料具有較好的抗開裂能力，可用于混凝土橋面鋪裝。

3 路橋面環氧鋪裝材料技術要求

路橋面聚合物鋪裝層主要由環氧粘接劑和單粒徑碎石組成。其中樹脂類粘接劑與水泥混凝土、集料、鋼板等基材粘接性能好，如常溫下環氧的粘接強度高達20 MPa以上，可對橋面起到防水、保護等作用。鋪裝層一般采用薄層技術，單層厚度小于1 mm，但可以通過多層鋪裝來增加總的厚度。從上世紀70年代開始，相繼在橋面上采用甲基丙烯酸樹脂、聚酯和環氧樹脂混凝土取代原來的瀝青混凝土進行鋪裝應用。1995年美國交通與運輸委員會（AASHTO）提出了技術要求《Guide Specifications for Polymer Concrete Bridge Deck Overlays》（AASHTO-AGC-ARTBA Task Force 34），要求用于混凝土橋面鋪裝的環氧材料性能必須達到表1指標。

對聚合物薄層鋪裝應用6～19年實例調查表明：上述3種材料中環氧粘接劑使用性能優于其他2種材料，特別是低模量的環氧樹脂最合適混凝土薄層鋪裝，服役壽命長達10～15年甚至更長；開裂和脫層是聚合物薄層鋪裝的主要破壞形式；所有調查中沒有發現抗滑性能不足和耐紫外老化性不佳的問題。因此2007年AASHTO與ASTM標準共同提出了一個新標準，對相關的技術指標及要求作了修改（見表2）。

4 幾種常用道路鋪裝環氧材料介紹

4.1 環氧薄層鋪裝材料

通過采用聚氨酯、橡膠增韌等方法配制的彈性環氧材料具有韌性好、強度適中、粘接性能好的優點，施工時將環氧樹脂膠粘劑涂刷于基面，再撒布高強度集料，待樹脂固化后形成一種高韌性、高強度、高抗滑的鋪裝功能表層[5]。相對于傳統的瀝青混合料或水泥混凝土鋪裝結構，低模量彈性環氧樹脂鋪裝結構的厚度通常小于1 cm，因此稱之為薄層鋪裝。這種材料使用壽命長達20年以上，是瀝青路面使用壽命的3倍以上，可常溫施工，固化速度快，對交通影響小，方便快捷。到一定使用年限后，只需在基層上再涂刷一層即可，因此后期維護非常方便。特別是鋪裝層整個厚度較小，大大減輕了固定荷載，對大跨度橋梁特別有利。

在上世紀70年代，彈性環氧等聚合物材料在橋面鋪裝領域的應用在美國發展起來。美國國家公路與運輸協會（AASHTO）于1995年發表了聚合物薄鋪應用技術規范。目前在美國聚合物薄鋪裝層在超過40個州的各類橋梁都有應用，包括跨海大橋、公路橋梁、城市高架、FRP橋梁、吊橋、隧道等。美國西卡公司、BASF、DOW公司都有類似的產品。

國內也有單位如武漢理工大學、長沙理工大學等[6，7]單位都進行了此類產品的研發工作，并在一些運行的橋梁上進行了小面積的試驗路段施工，但由于目前此產品沒有相應的技術規范和設計標準，而且試驗路段實際運行時間比較短，長時間的運行效果尚有待觀察，因此彈性環氧薄層鋪裝材料仍處于小面積推廣實驗階段。

本文采用增韌劑、橡膠等對環氧樹脂進行改性，開發了一種性能優良的JQ-105薄層鋪裝用彈性環氧鋪裝材料，其技術性能見表3。它粘接性能和柔韌性好，強度適中，可用于橋梁、路面修補，也可以修補環氧瀝青鋪裝層。

4.2 粘接層環氧材料

典型的鋼橋面鋪裝結構是對鋼板進行防銹處理后直接施工瀝青混凝土。由于瀝青混凝土與鋼板性能相差較大，2者結合面會發生脫層。經過試驗，在鋼板上用彈性環氧材料（見表4）作為粘接層以緩沖2種材料的性能差異，增加鋪裝材料與橋面板的粘接性能，吸收沖擊荷載，減小荷載對粘接界面的影響，使用效果非常好，延長了瀝青混凝土鋪裝層的使用壽命[8]。

參考文獻

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[2]ACI 503R-93 Use of Epoxy Compounds with Concrete[R].

[3]郝巨濤，黃吳，買淑芳.聚合物砂漿薄層結構圓環強化開裂試驗方法的研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2009，7（3）：199-205.

[4]ASTM D884 Thermal Compatibility Between Concrete and an Epoxy-Resin Overlay[S].

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[6]方星，王昌興，磨煉同，等.薄層環氧鋪裝材料加速加載試驗研究[J].公路，2010（10）：214-219.

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[8]樊葉華，王敬民，陳雄飛，等.正交異性鋼橋面柔性防水粘接材料應用技術研究[J].交通運輸工程與信息學報，2007，5（2）：57-61.