固化條件對(duì)二階固化防水粘接層粘層油性能測(cè)試的影響

張 煒,劉宇星,趙世琦

(北京金島奇士材料科技有限公司，北京 100083)

近年來，中國(guó)大跨徑橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，但橋面易發(fā)生早期破壞，尤其以鋪裝層破壞最為嚴(yán)重。而橋面鋪裝中防水粘接層的破壞則是導(dǎo)致鋪裝層病害的一個(gè)主要原因。橋面易出現(xiàn)的鼓包、網(wǎng)裂、龜裂、瀝青面層剝落、瀝青面層與橋面板脫離以及橋梁主體鋼筋銹蝕等病害均與橋面防排水能力直接相關(guān)[1]。在橋面鋪裝工程中防水粘結(jié)層的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,為了獲得更好的防水粘接效果，已有多種材料、技術(shù)路線或施工方案得到試驗(yàn)和采用[2-6]。

鋼橋面鋪裝工程中，典型鋪裝結(jié)構(gòu)由下到上依次是鋼橋面、環(huán)氧富鋅漆、防水粘接層、改性瀝青鋪裝下層、防水粘接層、改性瀝青鋪裝上層，在這種結(jié)構(gòu)中有2處界面都用到防水粘結(jié)劑。傳統(tǒng)的乳化瀝青或普通改性瀝青粘接層僅能提供不到0.3 MPa的粘接力和剪切力，其用于防水粘接層使用效果不夠理想。環(huán)氧樹脂改性瀝青也可用作防水粘接層且性能優(yōu)異[7-10]；但不管是溫拌類環(huán)氧瀝青(拌和溫度110～130 ℃)[11-13]，還是熱拌類環(huán)氧瀝青(拌和溫度160～180 ℃)[14-15]，都需要高溫拌合且對(duì)養(yǎng)護(hù)條件要求較高，其在一定程度上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工造成了不便。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能，附著能力強(qiáng)，且穩(wěn)定性好，其固化物通常質(zhì)地堅(jiān)硬，在建筑結(jié)構(gòu)加固及路橋修補(bǔ)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[16-19]。環(huán)氧樹脂經(jīng)增韌改性并結(jié)合特殊固化劑，通過配方設(shè)計(jì)可制得具有二階熱固性的界面防水粘結(jié)劑，即：撒布后在常溫下可以很快地表干固化(一階)，使得車輛和人員在該粘接層上作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生粘連；當(dāng)熱拌瀝青混合料鋪筑時(shí)，該粘接層在混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連并快速固化(二階)，進(jìn)而形成環(huán)氧材料的粘接層界面[20]。

本研究通過對(duì)工作中所接觸到的國(guó)內(nèi)外幾種環(huán)氧樹脂類防水粘層油進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)不同固化條件下各固化物的性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以供實(shí)際應(yīng)用參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

外來防水粘層油樣品WL-1、WL-2、WL-3和WL-4：工業(yè)品，前3種防水粘層油樣品樹脂A與固化劑B質(zhì)量比均為100∶100；WL-4樣品樹脂A與固化劑B質(zhì)量比為100∶90。自制防水粘層油FS-1、FS-2、FS-3和FS-4：工業(yè)品，北京金島奇士材料科技有限公司；其樣品樹脂A與固化劑B質(zhì)量比均為100∶100。本研究所用防水粘層油樣品均為環(huán)氧樹脂類型。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1試樣制備

環(huán)氧樹脂A和固化劑B2種組分在30～35 ℃烘箱中提前預(yù)熱，之后按設(shè)定計(jì)量比稱量，并邊攪拌邊抽真空至二者混合均勻且基本無氣泡，留出少量用于粘接打磨好的碳鋼試片；其余膠液倒入薄平板模具中，控制模腔厚度約2～2.3 mm。然后，鋼片和模具按照設(shè)定好的6種固化條件進(jìn)行固化，固化后的樣片冷卻到常溫后拆模取出用切刀裁成小啞鈴型樣條；樣條及鋼片放入23 ℃測(cè)試室恒溫后再進(jìn)行性能測(cè)定。

1.2.2拉伸性能

參照GB/T 528—2009測(cè)試，拉伸速率分別采用500、100 mm/min。

1.2.3鋼-鋼拉伸剪切強(qiáng)度

按GB/T 7124—1986測(cè)試，拉伸速率5 mm/min。

1.2.4硬度

采用型號(hào)LX-A邵氏A型硬度計(jì)。

2 結(jié)果與討論

研究了環(huán)氧樹脂A組分和固化劑B組分混合后在常溫及略高于常溫的固化條件下的性能，選定了3種固化條件：常溫23 ℃固化7 d、溫度40 ℃固化1 d和溫度60 ℃固化4 d。常溫23 ℃固化7 d是檢測(cè)環(huán)氧樹脂類建筑結(jié)構(gòu)膠常用的固化條件；溫度40、60 ℃是模擬氣溫較高時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境溫度，在夏天中午太陽直射的情況下鋼板或者混凝土基材表面很容易達(dá)到60℃。按照一些樣品的使用說明，防水粘層油涂刷后的養(yǎng)護(hù)固化過程中存在粘接有效期限，在粘接有效期限內(nèi)完成后續(xù)的熱瀝青攤鋪工序以保證施工質(zhì)量；不同產(chǎn)品的粘接有效期會(huì)有區(qū)別，同一產(chǎn)品在不同溫度區(qū)間的粘接有效期也有差異，通常環(huán)境溫度低其粘接有效期限較長(zhǎng)，例如20～30 ℃溫度區(qū)間粘接有效期限可達(dá)3～4 d，而在40～50 ℃溫度區(qū)間粘接有效期限只有1～2 d。在實(shí)際工程施工過程中，基面涂刷防水粘層油后時(shí)常會(huì)遇到一些意外情況，導(dǎo)致無法在短期內(nèi)進(jìn)行隨后的熱瀝青攤鋪，防水粘層油施工面可能會(huì)在鋪裝后長(zhǎng)時(shí)間在環(huán)境溫度中保留，本文采用常溫固化7 d和60 ℃固化4 d工藝來盡量模擬極端情況下的條件。

2.1 常溫及略高于常溫的固化條件固化物的性能

將環(huán)氧樹脂A和固化劑B按照設(shè)定配比混合均勻，并在常溫23 ℃條件下養(yǎng)護(hù)7 d后的固化物性能如表1所示。

表1 不同配方固化物的性能(常溫23 ℃固化7 d)Tab.1 Properties of different formulations cured after 7 days at 23 ℃

由表1可知，經(jīng)常溫養(yǎng)護(hù)7 d后，所用的8種防水粘層油配方在拉伸速率為500 mm/min下測(cè)試，拉伸強(qiáng)度均超過3 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率超過200%；當(dāng)采用較慢的拉伸速率100 mm/min測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度會(huì)有不同程度降低，而斷裂伸長(zhǎng)率則比采用較快的拉伸速率測(cè)試時(shí)都有一定增加，因此對(duì)比不同配方性能時(shí)應(yīng)在同樣的拉伸速率下進(jìn)行測(cè)試才有可比性。從不同配方間對(duì)比也可以看出，通常固化物硬度越高的配方其粘接強(qiáng)度也會(huì)越高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也跟硬度有關(guān)聯(lián)，大致的規(guī)律是硬度越高拉伸強(qiáng)度越高，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率較低。然而，例如硬度較高的3個(gè)配方WL-4、FS-2和FS-4的拉伸強(qiáng)度均可達(dá)到7 MPa，但硬度最高的配方FS-4拉伸強(qiáng)度并不是最高的。

在溫度40 ℃條件下養(yǎng)護(hù)1 d后的固化物性能如表2所示。

表2 不同配方固化物的性能(40 ℃固化1 d)Tab.2 Properties of different formulations cured after 1 days at 40 ℃

由表2可知，適當(dāng)升高養(yǎng)護(hù)溫度至40 ℃并縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d，與常溫23 ℃固化7 d相比，8種配方的固化物拉伸強(qiáng)度、粘接性能和硬度都有不同程度降低；而斷裂伸長(zhǎng)率則相反，這可能是因?yàn)闇囟?0 ℃固化1 d時(shí)間較短，各配方的固化程度不如常溫23 ℃固化7 d和溫度40 ℃固化1 d的固化物更柔軟。這與不同配方的降低幅度也并不一致，且與各配方的固化速度不同有一定關(guān)系。

在溫度60 ℃條件下養(yǎng)護(hù)4 d后的固化物性能如表3所示。

表3 不同配方固化物的性能(60 ℃固化4 d)Tab.3 Properties of different formulations cured after 4 days at 60 ℃

由表3可知，進(jìn)一步升高養(yǎng)護(hù)溫度至60 ℃并養(yǎng)護(hù)4 d，與常溫23 ℃固化7 d相比，除個(gè)別配方外各配方的固化物拉伸強(qiáng)度、粘接性能和硬度都有不同程度地提高；而斷裂伸長(zhǎng)率則相反。這可能是因?yàn)楦?3 ℃固化相比，在溫度60 ℃下樹脂和固化劑分子鏈段更易活動(dòng)，經(jīng)4 d養(yǎng)護(hù)后各配方固化都比較充分所致。尤其是配方WL-4和FS-4，經(jīng)溫度60 ℃固化4 d后拉伸剪切強(qiáng)度都超過10 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到200%左右，且拉伸剪切強(qiáng)度都在15 MPa以上。

2.2 經(jīng)過高溫150 ℃加熱固化條件固化物的性能

在實(shí)際施工中，因?yàn)榉浪硨佑屯克⒌铰贰蚧谋砻嫔洗浔砀珊筮€要在上面攤鋪熱拌瀝青混合料。熱拌瀝青混合料攤鋪時(shí)的溫度通常在150～180 ℃，高溫?zé)釣r青混合料接觸到已初步固化表干的防水粘層油后會(huì)迅速將其加熱到較高溫度并使其重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融并繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。此過程中，在經(jīng)攤鋪碾壓作用下骨料大顆粒嵌入防水粘接層中，形成均勻分布的抗剪力結(jié)構(gòu)體；同時(shí)，高溫加速二階反應(yīng)的快速進(jìn)行，生成彈塑性的防水粘接層，內(nèi)聚力進(jìn)一步提高，使面層瀝青混凝土與水泥混凝土之間形成良好的防水粘接層[21]。因此，前面研究中所用到的3種固化條件并不能代表防水粘層油在實(shí)際工況中最終所經(jīng)歷的固化過程，應(yīng)該額外增加在高溫下(150 ℃以上)經(jīng)過短時(shí)間加熱處理的固化階段，考慮到這個(gè)因素，下面的試驗(yàn)采用了3種比較有代表性的固化條件：23 ℃/1 d+150 ℃/1 h，23 ℃/4 d+150 ℃/1 h和60 ℃/1 d+150 ℃/1 h。

由表4可知，與常溫7 d固化工藝相比，經(jīng)過常溫固化1天再額外增加150 ℃/1 h高溫處理后，除了WL-4和FS-4這2個(gè)配方，其余高溫1 h處理后的各配方固化物的硬度、拉伸強(qiáng)度都明顯低于沒有經(jīng)過高溫處理的，尤其是WL-1和WL-2配方降低幅度非常大，WL-1的拉伸強(qiáng)度由常溫7 d的3.3 MPa降到只有0.29 MPa，WL-2的拉伸強(qiáng)度也由常溫7 d的5 MPa降到0.34 MPa；配方WL-3、FS-1、FS-2和FS-3的拉伸強(qiáng)度也有不同程度下降。經(jīng)過高溫處理后固化物明顯變得更柔軟，斷裂伸長(zhǎng)率也隨之增加，WL-1和WL-2的斷裂伸長(zhǎng)率甚至超過1 000%；配方WL-1、WL-2和WL-3的拉伸剪切強(qiáng)度略有降低，配方FS-1、FS-2和FS-3的拉伸剪切強(qiáng)度則略有提高。WL-4、FS-4這2個(gè)配方與其余6個(gè)配方的主要區(qū)別在于經(jīng)過高溫處理與否對(duì)固化物的拉伸強(qiáng)度和硬度影響不是很大，經(jīng)過高溫處理后拉伸剪切強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有一定增長(zhǎng)。

表4 不同配方固化物的性能(23 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.4 Properties of different formulations cured after 1 day at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表5可知，與經(jīng)23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化工藝的固化物性能對(duì)比，經(jīng)過23 ℃/4 d+150 ℃/1 h固化工藝的各配方固化物性能雖有差異,但相對(duì)比較接近，常溫固化4 d后再經(jīng)過高溫處理后固化物硬度也會(huì)明顯下降，其余各項(xiàng)性能也表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。這其中配方FS-1、FS-2和FS-3常溫固化4 d后再經(jīng)150 ℃/1 h處理比在常溫下只固化1 d后再經(jīng)150 ℃/1 h處理的固化物拉伸強(qiáng)度要高一些；而其余5個(gè)配方經(jīng)2種固化工藝處理后的拉伸強(qiáng)度相差不大。

表5 不同配方固化物的性能(23 ℃/4 d+150 ℃/1 h)Tab.5 Properties of different formulations cured after 4 days at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表4、表6可知，將第1階段的固化工藝由常溫23 ℃+/1 d調(diào)整到60 ℃固化1 d，同樣增加150 ℃/1 h的高溫處理過程，這2種固化工藝最終固化物的各項(xiàng)性能比較接近。

表6 不同配方固化物的性能(60 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.6 6 Properties of different formulations cured after 1 day at 60 ℃ and 1 hour at 150 ℃

上述的2大類固化工藝所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，直觀地表現(xiàn)出在溫度150 ℃條件下短時(shí)間的高溫處理過程對(duì)固化物性能的影響，在本研究所涉及的8種防水粘層油配方中，多數(shù)都在經(jīng)過高溫處理再恢復(fù)到常溫后會(huì)變得更柔軟，推測(cè)固化物在高溫加熱處理的過程中未反應(yīng)完的官能團(tuán)會(huì)繼續(xù)完成固化反應(yīng)，同時(shí)固化物中的某些結(jié)構(gòu)在高溫下也發(fā)生了不可逆的轉(zhuǎn)變或者破壞，導(dǎo)致經(jīng)過高溫處理后再降溫到常溫測(cè)試時(shí)固化物的性能與僅經(jīng)過溫度60 ℃以下固化歷程的差異顯著。少數(shù)配方如WL-4和FS-4之所以受影響不大，可能是由于其固化物中所含的主要鏈段結(jié)構(gòu)在高溫下不易發(fā)生轉(zhuǎn)變或者破壞所致。

2.3 不同固化條件所得固化物的熔融性能

上述已經(jīng)提到，防水粘層油撒布后可在常溫下表干 (一階)；而當(dāng)熱拌瀝青混合料鋪筑時(shí)，該粘接層在高溫混合料熱量作用下應(yīng)該能夠重新液化，這樣才能與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連 (二階)，冷卻到常溫后形成環(huán)氧/瀝青混合料的粘接界面。此外，防水粘層油受熱后的這種熔融過程應(yīng)該持續(xù)一定時(shí)間，使得隨后碾壓時(shí)骨料大顆粒可以嵌入熔化的防水粘接層中。基于以上考慮，通過對(duì)各種配方在經(jīng)歷不同固化過程后所形成的固化物的高溫熔融情況進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程是將各配方按設(shè)定比例混合后分到樣品杯中，按照預(yù)設(shè)有代表性的固化條件進(jìn)行固化，待達(dá)到相應(yīng)的固化時(shí)間后將固化物取出切碎重新放入樣品杯中；然后放置到已預(yù)熱到溫度150 ℃的烘箱中觀察其熔融情況，結(jié)果如表7所示。

表7 不同固化工藝各配方固化物的加熱熔融情況Tab.7 Melted states of different formulations cured after different process

由表7可知，有5個(gè)配方在設(shè)定的各種固化工藝處理后都能達(dá)到高溫加熱熔融的效果；另外3個(gè)配方在不同固化工藝處理后的加熱熔融程度上有一定區(qū)別。配方WL-3在23 ℃/1 d、40 ℃/1 d和60 ℃/1 d初固化后的固化物可以在溫度150 ℃加熱一段時(shí)間后完全融化；而經(jīng)過23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在溫度150 ℃加熱后只能達(dá)到部分熔化的狀態(tài)。針對(duì)配方WL-3，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要注意及時(shí)攤鋪熱瀝青混合料，如果防水粘層油涂刷后耽擱時(shí)間過長(zhǎng)，超過了粘接有效期限就會(huì)影響最終的粘接效果。配方FS-3的情況與WL-3的情況類似，經(jīng)過23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在溫度150 ℃加熱后完全不能熔融，粘接有效期限比WL-3更短。配方WL-4只在23 ℃/1 d和40 ℃/1 d這2種固化工藝處理后高溫加熱時(shí)可以達(dá)到部分熔化的狀態(tài)，其余工藝條件下高溫加熱后都完全不能熔融，這種配方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工不同工序間的緊密銜接配合要求就更高了，在實(shí)際施工中最終粘接效果很難保證符合預(yù)期要求。

3 結(jié)語

(1)對(duì)8種防水粘層油樣品在不同固化條件下的固化物性能進(jìn)行了測(cè)試，在溫度60 ℃以下的3種固化工藝所得試驗(yàn)結(jié)果隨固化溫度和固化時(shí)間不同有一定差別。而經(jīng)過較低溫度的初固化再進(jìn)行150 ℃高溫加熱處理1 h后，多數(shù)配方固化物比僅經(jīng)過60 ℃以下固化工藝的要更柔軟一些，且各項(xiàng)性能差別也較明顯，這可能與高溫下固化物中的某些結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的轉(zhuǎn)變或者破壞有關(guān)；

(2)對(duì)各種防水粘層油樣品在經(jīng)歷不同固化過程后所形成固化物的高溫熔融情況進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明不同配方的粘接有效期限長(zhǎng)短各有不同，在實(shí)際施工中應(yīng)留意根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境和所用產(chǎn)品性能調(diào)整施工工藝和各步驟工期要求；

(3)在防水粘層油產(chǎn)品實(shí)際性能檢測(cè)和技術(shù)要求中應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)條件明確制備樣條和試件時(shí)的具體養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以便于對(duì)比考察。