環境條件對自制環氧樹脂粘結劑性能的影響

劉攀，劉譽貴，郝增恒，2，盛興躍，李璐

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

防水粘結層能有效將瀝青混凝土鋪裝層與鋼橋面板粘結成整體，并起到防水作用[1-2]。目前國內應用較多的防水粘結層材料主要包括甲基丙烯酸甲酯材料、環氧樹脂、環氧瀝青、改性瀝青及溶劑型粘結劑等[3-5]。針對高韌性環氧瀝青[6]，開發出一種具有自主知識產權的環氧樹脂粘結劑。

在橋梁的實際服役過程中，防水粘結層會長期受到外界環境的影響[7-9]。然而有針對性地對鋼橋面防水粘結材料在不同環境條件下性能的研究及評價較少。本文針對自制環氧樹脂粘結劑，采用室內實驗研究不同環境條件對其粘結性能的影響，以期為其推廣和應用提供依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高韌性環氧瀝青混凝土EA10、環氧樹脂粘結劑(由主劑和硬化劑兩部分組成，其用量比為100∶50，常溫表干時間為1～2 d，常溫實干時間約為10 d)均為自制；環氧富鋅漆，由環氧樹脂、鋅粉、助劑及聚酰胺樹脂調配而成；氯化鈉、氫氧化鈉、硫酸、無水亞硫酸均為分析純；去離子水。

WDW-3100微機控制電子萬能試驗機；YHS-229WG微機控制電子萬能試驗機；HTF313C電熱鼓風干燥箱；HL1303C高低溫試驗箱；HDSS-II路面滲水儀；BT-60B鹽水噴霧試驗機；DZ11-2恒溫水浴箱等。

1.2 基本性能測試

主要對環氧樹脂粘結劑的拉伸性能、高溫性能、低溫性能、抗滲水性及耐腐蝕性等方面進行實驗研究。

1.3 環境條件對粘結性能的影響

目前，橋面鋪裝防水粘結層材料的粘結性能主要通過拉拔強度和剪切強度來評價。其中，拉拔強度主要表征防水粘結層垂直方向上的粘結性能。本文主要測試環氧樹脂粘結劑在不同環境條件下的拉拔強度，并以殘留拉拔強度比表征環境條件對其粘結性能的影響。準備若干個噴砂除銹90 mm×90 mm 的鋼板，使其潔凈度和粗糙度滿足Sa2.5的要求。先在鋼板上均勻涂布一層環氧富鋅漆，再涂布一層環氧樹脂粘結劑，隨后加鋪EA10，養護完畢后鉆心，形成一個直徑為50 mm的拉拔面，粘結拉拔頭(試件見圖1)。將試件放置在不同環境條件下，然后在實驗溫度下保溫4 h后進行拉拔實驗。

圖1 拉拔試件Fig.1 Pull-out specimen

2 結果與討論

2.1 基本性能實驗

2.1.1 力學性能 將環氧樹脂粘結劑成型為啞鈴形試件(見圖2)后進行拉伸實驗，實驗溫度(23±2)℃，拉伸速率200 mm/min。其拉伸強度為3.7 MPa，斷裂伸長率達180%以上，這表明環氧樹脂粘結劑的力學性能完全滿足要求。

圖2 啞鈴形試件Fig.2 Dumbbell shaped specimen

2.1.2 高溫性能 將環氧樹脂粘結劑放置于160 ℃ 下30 min或60 min及240 ℃下30 min，觀察表面現象，結果見表1。

由表1可知，環氧樹脂粘結劑具有十分優異的高溫耐熱性，均無粘手、起泡、流淌等現象，不僅能適用于環氧瀝青鋪裝體系或SMA鋪裝體系，還能適用于澆注式瀝青鋪裝體系的高溫施工環境。

表1 環氧樹脂粘結劑高溫性能實驗結果Table 1 Results of high temperature performance ofepoxy resin adhesive

2.1.3 低溫性能 將環氧樹脂粘結劑放置于-20、-10，-5 ℃下2 h，并將試件用金屬棒彎曲至180°，觀察有無裂紋現象，結果見表2。

表2 環氧樹脂粘結劑低溫性能實驗結果Table 2 Results of low temperature performance ofepoxy resin adhesive

由表2可知，環氧樹脂粘結劑的低溫柔韌性符合要求。

2.1.4 抗滲水性 將環氧樹脂粘結劑均勻涂布在300 mm×300 mm的牛皮紙上，表干后將其平鋪在車轍板模具底部，成型混合料后，用路面滲水儀檢測30 min后牛皮紙的透水情況，結果見表3。

表3 環氧樹脂粘結劑抗滲水性實驗結果Table 3 Results of impermeability ofepoxy resin adhesive

由表3可知，環氧樹脂粘結劑用量在0.2 kg/m2以下時，牛皮紙出現潮濕，防水效果較差；當其用量達到0.3 kg/m2及以上時，防水效果良好。實際工程中，可根據橋面實際情況及經濟效益，綜合確定合理的用量，但不應低于0.3 kg/m2。

2.1.5 耐腐蝕性 將環氧樹脂粘結劑放置在2%NaCl溶液、2%NaOH溶液及2%H2SO4溶液中7 d，觀察表面狀況，結果見表4。

表4 環氧樹脂粘結劑耐腐蝕性實驗結果Table 4 Results of corrosion resistance ofepoxy resin adhesive

由表4可知，環氧樹脂粘結劑無論在鹽溶液，還是堿溶液或酸溶液，均表現出良好的耐化學腐蝕性。

2.2 不同環境條件影響實驗

主要對環氧樹脂粘結劑在鹽霧環境、酸霧環境、浸水環境、凍融環境、環境溫度及放置時間等環境條件下的粘結性能進行實驗研究。

2.2.1 鹽霧環境 采用氯化鈉溶劑配制的鹽霧溶液(pH值為6.5～7.2)，在環境箱內通過噴灑鹽霧溶液進行鹽霧實驗[8]。測試鹽霧實驗前后試件的25 ℃拉拔強度，結果見圖3。

圖3 鹽霧環境對試件粘結性能的影響Fig.3 Effect of salt spray on bonding performance of specimens

由圖3可知，隨著鹽霧實驗時間的延長，試件的拉拔強度逐漸下降。鹽霧實驗10 d后，其拉拔強度為3.71 MPa，殘留拉拔強度比為90.3%，表明鹽霧環境對其粘結強度并未有明顯影響。從拉拔實驗破壞現象來看，破壞薄弱面基本沒變，處于富鋅漆與鋼板之間，富鋅漆與環氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間。

2.2.2 酸霧環境 采用氯化鈉溶劑和無水亞硫酸溶劑配制的酸霧溶液(pH值為4.5)，在環境箱內通過噴灑酸霧溶液進行酸霧實驗[8]。測試酸霧實驗前后試件的25 ℃拉拔強度，結果見圖4。

圖4 酸霧環境對試件粘結性能的影響Fig.4 Effect of acid mist on bonding performance of specimens

由圖4可知，酸霧環境對試件粘結性能的影響同鹽霧環境是一致的，酸霧實驗10 d后，其拉拔強度為3.69 MPa，殘留拉拔強度比為88.9%，同樣并不顯著。從拉拔實驗破壞現象來看，破壞薄弱面也基本未變。酸霧實驗和鹽霧實驗進一步說明環氧樹脂粘結劑具有良好的耐化學腐蝕性。

2.2.3 浸水環境 將試件分別置于10，25，60 ℃的恒溫水浴中浸泡一定時間，測試水浴前后試件的25 ℃拉拔強度，結果見圖5。

圖5 浸水對試件粘結性能的影響Fig.5 Effect of immersion on bonding performance of specimens

由圖5可知，試件浸水后，其拉拔強度呈下降趨勢，且浸水時間越長或浸水溫度過高、過低，其拉拔強度就越小。10，25，60 ℃下浸水5 d后，試件的殘留拉拔強度比分別為89.9%，93.5%和84.4%，依舊保持良好的粘結性能。從拉拔實驗破壞現象來看，10 ℃和25 ℃浸水后，破壞薄弱面基本未變，但60 ℃浸水后，破壞薄弱面主要處于富鋅漆與鋼板之間及富鋅漆與環氧樹脂之間。整體來看，環氧樹脂粘結劑受浸水的影響較小。

2.2.4 凍融環境 在氣溫較低時，雨水會在橋面鋪裝層內部凍結，待氣溫回升后形成凍融，降低防水粘結層的粘結強度。將試件飽水后放入-18 ℃冰箱保持16 h，60 ℃水浴恒定24 h，25 ℃水浴2 h，記為一個凍融循環。測試凍融循環前后試件的25 ℃拉拔強度，結果見圖6。

圖6 凍融循環對試件粘結性能的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw on bonding performance of specimens

由圖6可知，凍融循環對試件的粘結性能有一定影響，凍融循環后，其拉拔強度降低，且凍融循環次數越多，拉拔強度越小。5次凍融循環后，其殘留拉拔強度比依然可以達到80%以上。從拉拔實驗破壞現象來看，凍融后試件的破壞薄弱面主要處于富鋅漆與鋼板之間及富鋅漆與環氧樹脂之間。說明環氧樹脂粘結劑能很好地抵御凍融循環對其粘結性能帶來的破壞。

2.2.5 環境溫度 溫度升高，防水粘結材料逐漸變軟，溫度下降，防水粘結材料逐漸變脆，這都將影響其粘結性能[10]。測試不同環境溫度下試件的拉拔強度，結果見圖7。

圖7 環境溫度對試件粘結性能的影響Fig.7 Effect of temperature on bonding performance of specimens

由圖7可知，環境溫度會顯著影響試件的粘結性能，當溫度從10 ℃上升至20 ℃時，其拉拔強度略有增大；當溫度>30 ℃時，其拉拔強度逐漸下降。60 ℃時試件的拉拔強度降至1.18 MPa，70 ℃時降至0.78 MPa，高溫下其殘留拉拔強度比僅為30%～40%。從拉拔實驗破壞現象來看，10～30 ℃時，試件的破壞薄弱面處于富鋅漆與鋼板之間、富鋅漆與環氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間；而高溫下，試件的破壞薄弱面主要在富鋅漆與環氧樹脂之間。說明自制環氧樹脂粘結劑的粘結性能隨著溫度的升高而逐漸降低，表現出較明顯的感溫性。不過即使在70 ℃下，環氧樹脂粘結劑的粘結性能仍能滿足相關技術要求。

2.2.6 放置時間 將試件放置于戶外，模擬防水粘結層在自然條件下受到陽光、溫度、空氣、降雨等各種環境變化的影響。測試放置不同時間后試件的25 ℃拉拔強度，結果見圖8。

圖8 放置時間對試件粘結性能的影響Fig.8 Effect of placing time on bonding performance of specimens

由圖8可知，隨著放置時間的延長，試件的拉拔強度并未出現明顯衰減，放置180 d后，其拉拔強度為3.61 MPa，殘留拉拔強度比依然高達85%以上。從拉拔實驗破壞現象來看，破壞薄弱面同樣處于富鋅漆與鋼板之間、富鋅漆與環氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間。上述結果也從側面反映出環氧樹脂粘結劑具有良好的耐久性。

3 結論

環氧樹脂粘結劑具有良好的力學性能、高溫性能、低溫性能、抗滲水性、耐腐蝕性和粘結性能，其各項性能均滿足相關技術要求。常溫下環氧樹脂粘結劑的拉拔強度可達4.0 MPa以上，表現出十分優異的粘結性能。隨著環境溫度升高，環氧樹脂粘結劑的粘結性能隨之下降，當環境溫度達到60 ℃以上時，其殘留強度比僅為30%～40%。而溫度過低同樣將影響環氧樹脂粘結劑的粘結性能，但并不顯著。環氧樹脂粘結劑在不同環境條件下(鹽霧環境、酸霧環境、浸水環境、凍融環境)均表現出優異的粘結性能。放置時間對環氧樹脂粘結劑的粘結性能影響也較小，表現出良好的耐久性。整體而言，不同環境條件下，環氧樹脂粘結劑的粘結性能完全能滿足鋼橋面鋪裝防水粘結層的使用要求。