新建高速鐵路環(huán)氧基材處理劑熱應(yīng)力對(duì)聚脲防護(hù)層附著力影響的研究

呂 平，朱 立，劉旭東，黃微波

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033;2.青島理工大學(xué) 功能材料研究所，山東 青島 266033)

如今防護(hù)層大量采用聚脲等有機(jī)高分子材料［1］，作為連接基材與防護(hù)層二者之間的基材處理劑，必須在各種環(huán)境條件下都具備較高的附著性。環(huán)氧體系由于物理性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛，而被大量采用。此外，基于聚脲防護(hù)層對(duì)于基材表面的表觀要求，環(huán)氧體系被大面積地刮涂在基材上，封閉針眼、孔洞等缺陷，新建高速鐵路以梁橋?yàn)橹?，每一段的橋面的防護(hù)層施工面積為32.0 m×8.8 m。

新建高速鐵路聚脲防護(hù)層施工中，曾在冬季出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象。本文從熱應(yīng)力角度出發(fā)，針對(duì)基材與環(huán)氧基材處理層的熱膨脹性系數(shù)存在的較大差異，研究環(huán)境溫度因素所造成的應(yīng)變應(yīng)力對(duì)于聚脲附著力的影響［2-3］。解釋聚脲防護(hù)層大面積脫落現(xiàn)象，為工程應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備及主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用在抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、邵氏硬度相接近的天然大理石板模擬新建高速鐵路C50高性能混凝土。在400 mm×300 mm大理石上刮涂環(huán)氧類基材處理劑涂層。表1為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)方法

涂層平面應(yīng)變測(cè)試，采用靜態(tài)應(yīng)變儀，使用四分之一橋路連接，大理石板中心點(diǎn)采取三片5 mm×30 mm應(yīng)變片貼直角應(yīng)變花的方式，采用摩爾應(yīng)變圓計(jì)算公式，得出最大主應(yīng)變 ε1、最小主應(yīng)變?chǔ)?和最大主應(yīng)變與0°應(yīng)變片(11號(hào))水平方向線(簡稱x軸)的夾角ψ，四角采用5 mm×3 mm應(yīng)變片的方式，其中 1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)為橫向布置，其余為豎向布置。如圖1所示，測(cè)試在常溫20℃ ～23℃和低溫-20℃ ～18℃下環(huán)氧平面涂層應(yīng)變情況，研究涂層中心點(diǎn)與四周的聯(lián)系與區(qū)別。表2是試驗(yàn)材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹性系數(shù)等參數(shù)。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 電阻應(yīng)變片的平面布置

表2 主要材料參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 常溫靜態(tài)應(yīng)變

2.1.1 中心點(diǎn)主應(yīng)變

圖2 常溫下環(huán)氧類基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律

常溫(20℃)下，環(huán)氧類基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律如圖2所示。圖2(a)是20℃常溫下環(huán)氧最大主應(yīng)變?chǔ)?隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律。從該圖中看出，微應(yīng)變?chǔ)?維持在 -5×10-6～20×10-6區(qū)間，在相對(duì)時(shí)間100～550 s里保持相對(duì)穩(wěn)定，由于受到周圍空氣流通及一定細(xì)微的溫度波動(dòng)，造成其微應(yīng)變的波動(dòng)，而這種微應(yīng)變的波動(dòng)幅度不大于20×10-6。圖2(b)是最小主應(yīng)變?chǔ)?的變化規(guī)律，該圖表明，ε2維持在 -20×10-6～0這個(gè)區(qū)間，且與 ε1變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。圖2(c)是最大主應(yīng)變與x軸的夾角變化規(guī)律，圖2(c)表明其變化規(guī)律與最大主應(yīng)變 ε1的變化規(guī)律相一致。圖2研究結(jié)果表明，在常溫下環(huán)氧類基材處理劑維持在較低的微應(yīng)變，其產(chǎn)生的應(yīng)力忽略不計(jì)，圖2中，相對(duì)時(shí)間為0.5 s等于實(shí)際時(shí)間5 s，下同。

2.1.2 四角微應(yīng)變

圖3是常溫20℃下大理石板四角的微應(yīng)變變化。從圖3可以看出，1號(hào)、7號(hào)和8號(hào)應(yīng)變片微應(yīng)變變化規(guī)律相接近，微應(yīng)變維持在 -25×10-6～0范圍內(nèi)，而3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)應(yīng)變片微應(yīng)變變化規(guī)律相接近，微應(yīng)變維持在-10×10-6～0范圍內(nèi)，在2 h內(nèi)，四角呈收縮應(yīng)變，且在80 min后收縮應(yīng)變?cè)黾?，以圖1應(yīng)變片橫豎布置所示，表明四角橫豎向布置區(qū)別不大。根據(jù)參考文獻(xiàn)［4-5］，各點(diǎn)變化規(guī)律可能與所測(cè)各點(diǎn)自身涂層的厚度等有關(guān)，四角的微應(yīng)變?cè)?5 min(相對(duì)時(shí)間510 s)后呈較大的下降趨勢(shì)，可能與同期最大主應(yīng)變?cè)黾映世鞝顟B(tài)有關(guān)，且四角受到邊界條件的約束，反而呈收縮微應(yīng)變。

由以上分析可知，常溫下環(huán)氧熱應(yīng)力對(duì)于聚脲附著力幾乎不產(chǎn)生影響。

圖3 常溫下四角環(huán)氧類基材處理層應(yīng)變變化規(guī)律

2.2 低溫靜態(tài)應(yīng)變

2.2.1 中心主應(yīng)變

圖4是環(huán)氧類基材處理劑低溫(-20℃)下中心的主應(yīng)變變化規(guī)律，圖4(a)是最大主應(yīng)變 ε1的變化規(guī)律，從圖中看出ε1隨時(shí)間收縮應(yīng)變呈遞增的變化規(guī)律，且整個(gè)過程伴隨著上下波動(dòng)，結(jié)合圖4(c)最大主應(yīng)變與x軸夾角的變化規(guī)律，可以得出，最大主應(yīng)變?cè)诘蜏叵率湛s應(yīng)變不斷增加的同時(shí)，其方向處在不斷往復(fù)的變化之中。圖4(b)是最小主應(yīng)變 ε2的變化規(guī)律，與ε1的變化規(guī)律相接近，表明主應(yīng)變呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，且不斷增加。

圖4 低溫下環(huán)氧類基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律

2.2.2 四角應(yīng)變

表3是低溫8 h后大理石四角微應(yīng)變。由表3可見，四角微應(yīng)變8 h后，仍維持在 -25×10-6～30×10-6區(qū)間內(nèi)，表明四角微應(yīng)變不大，這與中心點(diǎn)呈收縮應(yīng)變和受大理石邊界條件制約，二者因素共同作用有關(guān)。

表3 大理石板四角1號(hào)～8號(hào)低溫8 h后應(yīng)變 ×10-6

由于刮涂有環(huán)氧類基材處理劑的大理石板，很難測(cè)定其彈性模量及泊松比。以表2材料參數(shù)所示，假定彈性模量為100 GPa，泊松比 ν為0.3，測(cè)得最大剪切應(yīng)力在低溫下將達(dá)到2 MPa左右，根據(jù)文獻(xiàn)［6-7］，環(huán)氧類基材處理層對(duì)于混凝土基材的附著力比聚脲層對(duì)于基材處理層的附著力高，聚脲附著力在冬季受到低溫影響，前期附著力只有3 MPa左右，故而導(dǎo)致采用環(huán)氧類基材體系的聚脲層的大面積脫落。

3 結(jié)論

1)常溫(20℃)下，環(huán)氧類基材處理劑應(yīng)變不大，主應(yīng)變維持在-20×10-6～20×10-6范圍內(nèi)，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，對(duì)聚脲附著力沒有影響。

2)低溫(-20℃)下，由于環(huán)氧類基材處理劑與基材存在較大的熱膨脹性系數(shù)，8 h收縮應(yīng)變達(dá)到300×10-6，產(chǎn)生的熱應(yīng)力加上環(huán)氧體系自身交聯(lián)過程中由于低溫?zé)o法松弛而殘留的內(nèi)應(yīng)力，這二者應(yīng)力共同作用是造成聚脲涂層脫落的重要因素之一;同時(shí)冬季低溫狀況下，影響聚脲涂層與基材處理劑之間附著力發(fā)展，從而共同造成聚脲涂層的大面積脫落。

3)結(jié)構(gòu)因素是影響基材處理劑應(yīng)變一個(gè)重要的因素，在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。

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