界面狀況對鋼橋面環氧樹脂防水粘結層的影響研究

魯國烽 趙鋒軍 陳宇博 洪邵友

摘要：為探究施工界面狀況對鋼橋面環氧樹脂防水粘結層施工質量的影響，文章分析了不同濕度、灰層含量對防水粘結層拉拔強度的影響。結果表明：相對濕度和刮涂時間對拉拔強度的影響比較明顯，在同一時間下，隨著相對濕度的增加，拉拔強度總體上呈現減小的趨勢;同一濕度條件下，拉拔強度隨時間的增加而逐漸減小;環氧防水粘結層對于界面灰塵較為敏感，拉拔強度會隨著界面灰層含量的增加隨之減小，當灰塵含量在10 g/m2以下時，拉拔強度下降緩慢，而當灰塵含量大于10 g/m2時，拉拔強度下降明顯。

關鍵詞：防水粘結層;環氧樹脂;施工界面狀況;相對濕度;灰塵

中圖分類號：U443.31A381363

0 引言

對于鋼橋面鋪裝體系而言，瀝青層與鋼橋面板的有效粘結十分重要。為保證鋼橋面板與鋪裝層能協同受力，通常在鋪裝層和鋼橋面板之間鋪設防水粘結層。防水粘結層除了具備“承上啟下”的粘結作用外，還需具備防水防銹功能，為鋼橋面板提供一層無滲透的屏障。由鋼橋面防水粘結層功能喪失引發鋪裝體系病害的現象時有發生，國外如美國的Mackay Rioniterio大橋及澳大利亞西門橋。分析其原因，主要是防水粘結層的粘結能力下降導致鋼橋面同鋪裝層發生相對位移。國內評價防水粘結層性能的研究主要集中在評價防水粘結層的力學性能、低溫抗裂性、高溫穩定性、不透水性、耐腐蝕性、吸水性、抗凍性以及耐疲勞性能等方面，并將研究成果用于評價防水粘結層性能的好壞，如黃衛等人采用拉拔、拉剪強度作為南京長江二橋防水粘結層檢測依據[3]，余叔藩等人采用粘附力指標評價虎門大橋防水粘結層的性能等[4]。

在刮涂環氧樹脂防水粘結材料之前，需要對鋼橋面板進行噴砂除銹，噴砂除銹達到技術要求等級后，鋼橋面板直接暴露在空氣中，與空氣中的水分、灰層等接觸，隨著時間的延長，噴砂除銹后的鋼橋面板色澤會由光亮明潔逐漸變暗，易導致二次返銹，勢必會對環氧樹脂防水粘結層的強度造成影響。在《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG T3364-02-2019）中規定，當噴砂除銹達到粗糙度和清潔度要求后，4 h內必須刮涂防水材料，并未就施工時的濕度、鋼橋面板的納灰能力做出明確說明。

1 濕度對環氧樹脂防水粘結層強度的影響分析

參考某地氣象局公布的資料，年平均相對濕度76%，春季相對濕度最高，冬季相對濕度最低，結合某地工程施工時所處的季節，實測相對濕度最大可以達到90%，最小為45%，探究濕度對環氧樹脂防水粘結層強度的影響，可以設計如下實驗：

1.1 實驗步驟

（1）用角磨機打磨30 cm×30 cm尺寸的鋼板，使其達到Sa2.5級的現場噴砂除銹等級;用砂紙打磨拉拔試件底面2～3 min，然后用潔凈棉布擦干。

（2）將鋼板分別放置在相對濕度50%、60%、70%、80%、90%的恒溫恒濕養護室中，每一組濕度共放置10塊鋼板，溫度控制在30 ℃。

（3）按照放入養護室時間0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h在鋼板上依次刮涂43.2 g環氧防水粘結材料，每組時間設置2塊鋼板，每塊鋼板放置10個拉拔試件。

（4）養護3 d，測試拉拔強度。

拉拔強度測試方法如下：

環氧防水粘結層拉拔試驗采用專用拉拔試驗儀，其試驗原理如圖1所示，拉拔試件圓形拉頭面積為500 mm2，當對拉拔試件施加豎直荷載力F時，按式（1）計算拉拔強度：

P=F/S（1）

式中：P——試件的拉拔強度，MPa;

F——對拉拔試件施加的最大荷載，N;

S——拉拔頭粘結面面積，500 mm2;

1.2 試驗結果及分析

將拉拔強度試驗結果經散點圖處理可得到圖2～6。

按照狄克遜準則和修正后的貝賽爾公式計算不同濕度條件下、不同放置時間的拉拔強度代表值，取顯著度α=0.05，得到表1及圖7。

可以看出，相對濕度和刮涂時間對拉拔強度的影響比較明顯。在同一時間下，隨著相對濕度的增加，拉拔強度總體上呈現減小的趨勢;同一濕度條件下，拉拔強度隨時間的增加而逐漸減小。在前3 h內，各濕度條件下的拉拔強度值變化并不明顯，以相對濕度50%和90%的強度為例，相對濕度由50%增加至90%時，拉拔強度最高損失12.6%，但4 h和5 h的拉拔強度值區別較大，相對濕度50%、60%、70%下的強度變化曲線大致相同，4 h和5 h強度值基本相同，均大于要求的4 MPa，相對濕度80%、90%的強度值均小于4 MPa的要求。以相對濕度50%和90%在4 h和5 h的拉拔強度作比較，4 h的強度由4.12 MPa降至3.12 MPa，強度損失24.3%，5 h的強度由4.14 MPa降至2.88 MPa，強度損失30.4%，較前3 h強度損失明顯。

將各濕度不同時間下的拉拔強度通過數學分析軟件進行回歸分析，擬合的函數表達式見表2，其中t表示時間（h），y表示拉拔強度（ MPa）。

2 灰塵對環氧樹脂防水粘結層強度的影響分析 鋼橋面的層間不良粘結易導致剪切滑移及推移病害，在鋼橋面鋪裝施工中發現：鋼橋面板與防水粘結層接觸處易受到灰塵的干擾，如懸浮在空氣中的灰塵顆粒及施工車輛的揚塵等，這些因素都會造成層間的污染和粘結不良，從而影響鋪裝層的使用性能。探討鋼橋面板-環氧樹脂防水粘結層界面的灰塵含量對粘結強度的影響程度，即環氧防水粘結層的納灰能力很有必要。

2.1 試驗步驟

（1）用角磨機打磨30×30 cm鋼板8塊，用潔凈棉布擦拭干凈;用砂紙打磨拉拔試件底面2～3 min，用潔凈棉布擦干。

（2）在鋼板上均勻撒布收集到的粒徑為0.3 mm以下路面灰塵0 g/m2、5 g/m2、10 g/m2、15 g/m2、20 g/m2，每組灰塵放置2塊鋼板。

（3）在鋼板上依次刮涂43.2 g環氧防水粘結材料，每塊鋼板放置10個拉拔試件，放入30 ℃烘箱中養護。

（4）養護3 d以后，測試拉拔強度，計算方法同式（1）。

2.2 試驗結果及分析

將拉拔強度試驗結果經散點圖處理可得到圖8。

按照狄克遜準則和修正后的貝賽爾公式計算不同灰塵含量情況下的拉拔強度代表值，取顯著度α=0.05，得到表3：

為使灰塵含量對環氧防水粘結層拉拔強度的影響更加明顯，將拉拔強度和灰塵含量關系繪制如圖9。

從圖中可以看出，隨著灰塵含量的增加，環氧防水粘結層拉拔強度呈逐漸降低的趨勢，當灰塵含量在0～10 g/m2時，曲線變化較為平緩，從10 g/m2開始至20 g/m2，曲線下降趨勢明顯，下降幅度達到49.15%，且灰塵含量達到20 g/m2時，環氧防水粘結層的拉拔強度則下降到4 MPa以下，不符合設計的要求。

將5種灰塵含量的破壞界面進行分析，可以得出結論：0 g灰塵時，破壞界面為鋼板—防水粘結層，且破壞界面鋼板面積占到95%以上;5 g/m2灰塵破壞界面為鋼板—防水粘結層，破壞界面鋼板防水粘結層占50%，防水粘結層占50%;10 g/m2灰塵破壞界面為鋼板—防水粘結層，破壞界面鋼板防水粘結層占30%，防水粘結層占70%;15 g/m2破壞界面為鋼板—防水粘結層，破壞界面防水粘結層占90%以上;20 g/m2破壞界面為防水粘結層內聚破壞，即防水粘結層占100%，且破壞界面能明顯看見灰塵顆粒。由于灰塵的存在，不利于固化后的環氧樹脂形成三維交聯網絡結構或使固化物交聯密度下降，導致在環氧樹脂與鋼橋面板之間形成軟弱界面層，使得拉拔強度會隨著灰塵含量的增加而下降。

環氧防水粘結層對于界面灰塵較為敏感，拉拔強度會隨著界面灰層含量的增加隨之減小，灰塵含量在10 g/m2以下時，拉拔強度下降緩慢，灰塵含量大于10 g/m2時，拉拔強度下降明顯;同時也具備一定的納灰能力，當界面灰塵在15 g/m2以下時，環氧防水粘結層粘結強度始終能保持4 MPa以上。

3 結語

通過分析施工界面狀況對環氧樹脂防水粘結層施工質量影響，可以得到以下結論：

（1）相對濕度和刮涂時間對拉拔強度的影響比較明顯，在同一時間下，隨著相對濕度的增加，拉拔強度總體上呈現減小的趨勢;同一濕度條件下，拉拔強度隨時間的增加而逐漸減小，并得到了不同濕度下拉拔強度同時間的回歸方程。

（2）環氧防水粘結層對于界面灰塵較為敏感，拉拔強度會隨著界面灰層含量的增加隨之減小，灰塵含量在10 g/m2以下時，拉拔強度下降緩慢，灰塵含量>10 g/m2時，拉拔強度下降明顯，同時也具備一定的納灰能力;當界面灰塵在15 g/m2以下時，環氧防水粘結層粘結強度始終能保持4 MPa以上。

參考文獻：

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收稿日期：2020-05-10