界面状况对钢桥面环氧树脂防水粘结层的影响研究

2020-12-23鲁国烽赵锋军陈宇博洪邵友

西部交通科技 2020年8期

鲁国烽赵锋军陈宇博洪邵友

摘要：为探究施工界面状况对钢桥面环氧树脂防水粘结层施工质量的影响，文章分析了不同湿度、灰层含量对防水粘结层拉拔强度的影响。结果表明：相对湿度和刮涂时间对拉拔强度的影响比较明显，在同一时间下，随着相对湿度的增加，拉拔强度总体上呈现减小的趋势;同一湿度条件下，拉拔强度随时间的增加而逐渐减小;环氧防水粘结层对于界面灰尘较为敏感，拉拔强度会随着界面灰层含量的增加随之减小，当灰尘含量在10 g/m2以下时，拉拔强度下降缓慢，而当灰尘含量大于10 g/m2时，拉拔强度下降明显。

关键词：防水粘结层;环氧树脂;施工界面状况;相对湿度;灰尘

中图分类号：U443.31A381363

0 引言

对于钢桥面铺装体系而言，沥青层与钢桥面板的有效粘结十分重要。为保证钢桥面板与铺装层能协同受力，通常在铺装层和钢桥面板之间铺设防水粘结层。防水粘结层除了具备“承上启下”的粘结作用外，还需具备防水防锈功能，为钢桥面板提供一层无渗透的屏障。由钢桥面防水粘结层功能丧失引发铺装体系病害的现象时有发生，国外如美国的Mackay Rioniterio大桥及澳大利亚西门桥。分析其原因，主要是防水粘结层的粘结能力下降导致钢桥面同铺装层发生相对位移。国内评价防水粘结层性能的研究主要集中在评价防水粘结层的力学性能、低温抗裂性、高温稳定性、不透水性、耐腐蚀性、吸水性、抗冻性以及耐疲劳性能等方面，并将研究成果用于评价防水粘结层性能的好坏，如黄卫等人采用拉拔、拉剪强度作为南京长江二桥防水粘结层检测依据[3]，余叔藩等人采用粘附力指标评价虎门大桥防水粘结层的性能等[4]。

在刮涂环氧树脂防水粘结材料之前，需要对钢桥面板进行喷砂除锈，喷砂除锈达到技术要求等级后，钢桥面板直接暴露在空气中，与空气中的水分、灰层等接触，随着时间的延长，喷砂除锈后的钢桥面板色泽会由光亮明洁逐渐变暗，易导致二次返锈，势必会对环氧树脂防水粘结层的强度造成影响。在《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》（JTG T3364-02-2019）中规定，当喷砂除锈达到粗糙度和清洁度要求后，4 h内必须刮涂防水材料，并未就施工时的湿度、钢桥面板的纳灰能力做出明确说明。

1 湿度对环氧树脂防水粘结层强度的影响分析

参考某地气象局公布的资料，年平均相对湿度76%，春季相对湿度最高，冬季相对湿度最低，结合某地工程施工时所处的季节，实测相对湿度最大可以达到90%，最小为45%，探究湿度对环氧树脂防水粘结层强度的影响，可以设计如下实验：

1.1 实验步骤

（1）用角磨机打磨30 cm×30 cm尺寸的钢板，使其达到Sa2.5级的现场喷砂除锈等级;用砂纸打磨拉拔试件底面2～3 min，然后用洁净棉布擦干。

（2）将钢板分别放置在相对湿度50%、60%、70%、80%、90%的恒温恒湿养护室中，每一组湿度共放置10块钢板，温度控制在30 ℃。

（3）按照放入养护室时间0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h在鋼板上依次刮涂43.2 g环氧防水粘结材料，每组时间设置2块钢板，每块钢板放置10个拉拔试件。

（4）养护3 d，测试拉拔强度。

拉拔强度测试方法如下：

环氧防水粘结层拉拔试验采用专用拉拔试验仪，其试验原理如图1所示，拉拔试件圆形拉头面积为500 mm2，当对拉拔试件施加竖直荷载力F时，按式（1）计算拉拔强度：

P=F/S（1）

式中：P——试件的拉拔强度，MPa;

F——对拉拔试件施加的最大荷载，N;

S——拉拔头粘结面面积，500 mm2;

1.2 试验结果及分析

将拉拔强度试验结果经散点图处理可得到图2～6。

按照狄克逊准则和修正后的贝赛尔公式计算不同湿度条件下、不同放置时间的拉拔强度代表值，取显著度α=0.05，得到表1及图7。

可以看出，相对湿度和刮涂时间对拉拔强度的影响比较明显。在同一时间下，随着相对湿度的增加，拉拔强度总体上呈现减小的趋势;同一湿度条件下，拉拔强度随时间的增加而逐渐减小。在前3 h内，各湿度条件下的拉拔强度值变化并不明显，以相对湿度50%和90%的强度为例，相对湿度由50%增加至90%时，拉拔强度最高损失12.6%，但4 h和5 h的拉拔强度值区别较大，相对湿度50%、60%、70%下的强度变化曲线大致相同，4 h和5 h强度值基本相同，均大于要求的4 MPa，相对湿度80%、90%的强度值均小于4 MPa的要求。以相对湿度50%和90%在4 h和5 h的拉拔强度作比较，4 h的强度由4.12 MPa降至3.12 MPa，强度损失24.3%，5 h的强度由4.14 MPa降至2.88 MPa，强度损失30.4%，较前3 h强度损失明显。

将各湿度不同时间下的拉拔强度通过数学分析软件进行回归分析，拟合的函数表达式见表2，其中t表示时间（h），y表示拉拔强度（ MPa）。

2 灰尘对环氧树脂防水粘结层强度的影响分析钢桥面的层间不良粘结易导致剪切滑移及推移病害，在钢桥面铺装施工中发现：钢桥面板与防水粘结层接触处易受到灰尘的干扰，如悬浮在空气中的灰尘颗粒及施工车辆的扬尘等，这些因素都会造成层间的污染和粘结不良，从而影响铺装层的使用性能。探讨钢桥面板-环氧树脂防水粘结层界面的灰尘含量对粘结强度的影响程度，即环氧防水粘结层的纳灰能力很有必要。

2.1 试验步骤

（1）用角磨机打磨30×30 cm钢板8块，用洁净棉布擦拭干净;用砂纸打磨拉拔试件底面2～3 min，用洁净棉布擦干。

（2）在钢板上均匀撒布收集到的粒径为0.3 mm以下路面灰尘0 g/m2、5 g/m2、10 g/m2、15 g/m2、20 g/m2，每组灰尘放置2块钢板。

（3）在钢板上依次刮涂43.2 g环氧防水粘结材料，每块钢板放置10个拉拔试件，放入30 ℃烘箱中养护。

（4）养护3 d以后，测试拉拔强度，计算方法同式（1）。

2.2 试验结果及分析

将拉拔强度试验结果经散点图处理可得到图8。

按照狄克逊准则和修正后的贝赛尔公式计算不同灰尘含量情况下的拉拔强度代表值，取显著度α=0.05，得到表3：

为使灰尘含量对环氧防水粘结层拉拔强度的影响更加明显，将拉拔强度和灰尘含量关系绘制如图9。

從图中可以看出，随着灰尘含量的增加，环氧防水粘结层拉拔强度呈逐渐降低的趋势，当灰尘含量在0～10 g/m2时，曲线变化较为平缓，从10 g/m2开始至20 g/m2，曲线下降趋势明显，下降幅度达到49.15%，且灰尘含量达到20 g/m2时，环氧防水粘结层的拉拔强度则下降到4 MPa以下，不符合设计的要求。

将5种灰尘含量的破坏界面进行分析，可以得出结论：0 g灰尘时，破坏界面为钢板—防水粘结层，且破坏界面钢板面积占到95%以上;5 g/m2灰尘破坏界面为钢板—防水粘结层，破坏界面钢板防水粘结层占50%，防水粘结层占50%;10 g/m2灰尘破坏界面为钢板—防水粘结层，破坏界面钢板防水粘结层占30%，防水粘结层占70%;15 g/m2破坏界面为钢板—防水粘结层，破坏界面防水粘结层占90%以上;20 g/m2破坏界面为防水粘结层内聚破坏，即防水粘结层占100%，且破坏界面能明显看见灰尘颗粒。由于灰尘的存在，不利于固化后的环氧树脂形成三维交联网络结构或使固化物交联密度下降，导致在环氧树脂与钢桥面板之间形成软弱界面层，使得拉拔强度会随着灰尘含量的增加而下降。

环氧防水粘结层对于界面灰尘较为敏感，拉拔强度会随着界面灰层含量的增加随之减小，灰尘含量在10 g/m2以下时，拉拔强度下降缓慢，灰尘含量大于10 g/m2时，拉拔强度下降明显;同时也具备一定的纳灰能力，当界面灰尘在15 g/m2以下时，环氧防水粘结层粘结强度始终能保持4 MPa以上。

3 结语

通过分析施工界面状况对环氧树脂防水粘结层施工质量影响，可以得到以下结论：

（1）相对湿度和刮涂时间对拉拔强度的影响比较明显，在同一时间下，随着相对湿度的增加，拉拔强度总体上呈现减小的趋势;同一湿度条件下，拉拔强度随时间的增加而逐渐减小，并得到了不同湿度下拉拔强度同时间的回归方程。

（2）环氧防水粘结层对于界面灰尘较为敏感，拉拔强度会随着界面灰层含量的增加随之减小，灰尘含量在10 g/m2以下时，拉拔强度下降缓慢，灰尘含量>10 g/m2时，拉拔强度下降明显，同时也具备一定的纳灰能力;当界面灰尘在15 g/m2以下时，环氧防水粘结层粘结强度始终能保持4 MPa以上。

参考文献：

[1]许颖.钢桥面铺装使用情况调查及病害分析[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[2]JTG T3364-02-2019，公路钢桥面铺装设计与施工技术规范[S].

[3]黄卫，钱振东，程刚.大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装研究[J].科学通报，2002，47（24）：1 894-1 895.

[4]余叔藩，陈仕周，陈献南.大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术[J].中国公路学报，1998（3）：34-35.

[5]丁振良.误差理论与数据处理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.

[6]陈平，刘胜平，王德中.环氧树脂及其应用[M].北京：化学工业出版社，2011.