環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料與鋼橋面相互作用研究

杜建鑫

(天津市海河建設(shè)發(fā)展投資有限公司，天津 300380)

黏結(jié)層失效或脫層是鋼橋面瀝青混合料鋪裝主要破壞類型之一，也是鋼橋面鋪裝特有的一種破壞類型.黏結(jié)層設(shè)置在鋪裝層與鋼板之間.在行車荷載、溫度等共同作用下，鋼橋面鋪裝層與鋼板之間、黏結(jié)層與上鋪裝層之間都將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，引起較大的剪切變形.若黏結(jié)層與上鋪裝層之間的抗剪強度小于產(chǎn)生的剪應(yīng)力，上鋪裝層就會產(chǎn)生相對滑移，而黏結(jié)層因喪失聯(lián)結(jié)上鋪裝層與鋼板的能力而失效.若黏結(jié)層與鋼板之間的抗剪強度小于產(chǎn)生的剪應(yīng)力，黏結(jié)層就會與鋼板相脫離而成為脫層.鋪裝層與鋼板之間必需加鋪黏結(jié)層，一方面是為了保證鋪裝層與鋼板能組成一整體共同受力，另一方面則是鋪裝層與鋼板之間的黏結(jié)作用對保證整個鋼橋面鋪裝體系的復(fù)合作用以及在交通荷載作用下鋪裝層與鋼板之間的協(xié)調(diào)作用至關(guān)重要.鋪裝層與鋼板的復(fù)合作用不僅降低了瀝青混合料鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力，也降低了鋼橋面板內(nèi)部的應(yīng)力及板肋焊接處的應(yīng)力，因此，這種復(fù)合作用力對整個鋪裝體系的各部分的受力均是有利的.

目前，在修建的大跨徑鋼橋橋面瀝青混合料鋪裝體系中為了施工的方便，一般取消了防水層，而采用黏結(jié)性能、防水性能都好的材料作為黏結(jié)層，這樣黏結(jié)層就起雙層作用，即黏結(jié)和防水.黏結(jié)層一旦破壞，不但會增加鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力，而且會加速瀝青鋪裝層的破壞，同時可能意味著防水層的破壞，導(dǎo)致雨水、濕氣直接接觸鋼板而引起鋼板的銹蝕，從而影響整個橋梁結(jié)構(gòu)的強度[1].因此，黏結(jié)層的完好對改善鋼橋面鋪裝層的受力條件非常重要，也是確保鋼橋面鋪裝成功首要解決的問題，但這方面已做的工作還遠遠不夠，需要有更進一步的研究，開發(fā)功能更好的黏結(jié)層材料.

1 黏結(jié)層材料的研究與應(yīng)用概況

現(xiàn)今，應(yīng)用于正交異性鋼橋面瀝青鋪裝的黏結(jié)層材料按施工方法和材料特性的不同，可分為熱熔型黏結(jié)材料、溶劑型黏結(jié)材料、熱固性黏結(jié)材料三大類.

熱熔型黏結(jié)材料.一般由瀝青摻加樹脂和各種聚合物(如 EVA、PE、SBR)組成.這種材料具有一定的變形能力，能夠適應(yīng)在交通荷載作用下局部變形而引起的拉應(yīng)力的反復(fù)作用，也具有良好的防水封閉作用.但是，其最大的缺點是在高溫下容易變軟，黏結(jié)力下降，黏結(jié)層則由于變軟而成為軟弱層，導(dǎo)致瀝青鋪裝層在交通荷載下發(fā)生推移、開裂等損害.

溶劑型黏結(jié)材料.一般多指乳化瀝青和可溶性的橡膠瀝青.這種材料同樣也存在高溫穩(wěn)定性問題，在高溫時容易軟化，并且材料內(nèi)部含有熱敏感性物質(zhì)，遇攤鋪高溫時會釋放出氣體，從而使鋪裝層產(chǎn)生氣泡.

熱固性黏結(jié)材料.一般是指環(huán)氧瀝青和環(huán)氧樹脂膠黏劑.環(huán)氧瀝青是指將環(huán)氧樹脂加入到瀝青中，經(jīng)與固化劑反應(yīng)，形成不可逆的固化物，這種材料從根本上改變了瀝青的熱塑性質(zhì)而賦予瀝青全新的優(yōu)良物力力學(xué)性質(zhì).用環(huán)氧瀝青拌制的瀝青混凝土，其路用性能比普通瀝青混凝土優(yōu)異得多[2].

本文主要研究環(huán)氧樹脂膠黏劑與鋼橋面之間的作用機理，所以只討論該種類黏結(jié)劑.環(huán)氧樹脂膠黏劑(包括環(huán)氧富鋅漆)，一般是由環(huán)氧樹脂、固化劑兩部分組成，同時可以根據(jù)實際的需要摻加改性劑，如增韌劑或是填料.目前，比較有代表性的是上?；靥旎ば虏牧嫌邢薰旧a(chǎn)的623環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，其常溫抗剪強度高達 12 MPa，70 ℃時也有 1.6 MPa，但是其高溫(160 ℃)抗剪強度只有0.2 MPa左右.也有某些鋼橋面鋪裝采用“環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠＋單一粒徑碎石”結(jié)構(gòu)形式作黏結(jié)層，如西陵長江大橋，采用的是長沙理工大學(xué)直道鋼橋面鋪裝研究組自行開發(fā)的環(huán)氧樹脂膠黏劑(25 ℃抗剪強度為 6.64 MPa，70 ℃抗剪強度為 7.09 MPa)作黏結(jié)層，但是效果不是很好，原因主要是其高溫抗剪強度低，160 ℃時的抗剪強度僅為0.1 MPa.瀝青混合料高溫攤鋪時，橋面溫度往往高達160 ℃甚至更高，在這種情況下，黏結(jié)層由于自身黏結(jié)力的急劇下降，很容易在施工荷載產(chǎn)生的復(fù)合作用力下與鋼橋面脫離，同時被黏附的單一粒徑石料部分也因黏結(jié)層黏結(jié)強度的急劇下降而被剝離，喪失聯(lián)結(jié)瀝青混合料與鋼板的能力，這樣，黏結(jié)層成了滑移層，導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生推移和開裂等病害.

2 環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料的工作溫度研究

鋼材的熱容較小，鋼板溫度隨氣溫的變化較為劇烈，這種情況是一般瀝青路面及室內(nèi)模擬試驗所不能達到的.同時，大跨徑鋼橋一般建在跨海、跨江、或跨湖的地方，風(fēng)荷載幾乎時時存在，加之沒有樹木植被遮陽，橋面在太陽下暴曬，鋪裝層和鋼板的表面溫度均遠高于氣溫.重慶公路科學(xué)研究所曾經(jīng)對廈門海滄大橋進行過觀測，在氣溫為 34 ℃時，鋪裝表面混凝土內(nèi)的溫度高達 69.5 ℃，鋼板表面也達到 62 ℃，即使在夜間，橋面板及鋪裝層溫度也較氣溫高出4～5 ℃.在南京二橋橋面鋪裝的設(shè)計中，南京位于江蘇省西南部，屬于亞熱帶向中亞熱帶過渡氣候，年極端最高溫度為 43 ℃，年極端最低氣溫為-14 ℃，東南大學(xué)課題組選擇的橋面鋪裝使用的設(shè)計溫度范圍為-15～＋70 ℃；西陵長江大橋的極端最高溫度為43.9 ℃，極端最低氣溫為-9.8 ℃，而佛山市和順至北窖公路主干線工程海八路立交 WN 匝道所在地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，極端最高氣溫為 38.7 ℃，極端最低溫度為-1 ℃，顯然-5～＋70 ℃是環(huán)氧樹脂膠黏劑長期服務(wù)條件下所必需經(jīng)受的[3].瀝青混合料高溫攤鋪時，鋼橋橋面板溫度往往高達160 ℃甚至更高，在這種情況下，若直接在采用環(huán)氧膠黏劑＋單一粒徑碎石的黏結(jié)層上進行瀝青混合料的攤鋪，則要求環(huán)氧膠黏劑在 160 ℃甚至更高的條件下仍保持有較高的力學(xué)性能，否則黏附的單一粒徑石料部分因黏結(jié)層黏結(jié)強度的急劇下降在攤鋪的復(fù)合作用力下被剝離，喪失聯(lián)結(jié)瀝青混合料與鋼板的能力.這樣，黏結(jié)層成了滑移層，導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生推移和開裂等病害.因此，本文將環(huán)氧樹脂膠黏劑的長期使用溫度定為-5～＋70 ℃，短期使用溫度為160 ℃，且時間定為 t≤10 min.

3 抗拔強度抗剪強度方面的要求

如何保證鋪裝層和鋼板之間牢固耐久的黏結(jié)力，以及鋪裝層能否適應(yīng)鋼板復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，一方面取決于鋪裝層材料自身的強度和韌性，另一方面還取決于鋪裝層與鋼板以及鋪裝上下層間的黏結(jié)作用.鋪裝層和鋼板之間由于黏結(jié)力散失而脫層是橋面鋪裝損壞的一種主要現(xiàn)象，而鋪裝層與鋼板之間的脫層可認為橋面鋪裝的完全破壞.一旦出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，鋪裝層本身將很快發(fā)生破壞，鋪裝層在荷載的作用下對鋼板的沖擊會破壞鋼板防銹層，鋼板表面在空氣和水分的作用下會發(fā)生銹蝕.因此，鋪裝層與鋼板之間的良好結(jié)合是橋面鋪裝與鋼板面協(xié)同工作的關(guān)鍵.從國內(nèi)外鋼橋面瀝青鋪裝的破壞情況看，黏結(jié)層的設(shè)計不當(dāng)被認為是鋪裝層破壞的主要原因之一，如澳大利亞 West Gate 橋，其鋼橋面采用的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝曾產(chǎn)生過脫層破壞現(xiàn)象，我國較早修建的北江馬房大橋、虎門大橋等也都產(chǎn)生過這樣的破壞.由現(xiàn)場破壞調(diào)查可知，鋪裝層和鋼板之間黏結(jié)力的喪失主要發(fā)生在瀝青混合料和防銹層之間，也就是說，黏結(jié)層的黏結(jié)強度不夠.由此可見，鋪裝層與鋼橋面板、鋪裝上下層之間的黏結(jié)是鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)之一.根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，要求黏結(jié)層材料與鋼板之間的抗拔強度Pt滿足：①25 ℃，≥4.0 MPa；②70 ℃，≥4.0 MPa；160 ℃，≥2.0 MPa.

黏結(jié)層的黏結(jié)強度不僅僅指抗拔強度，還包括抗剪強度，而鋼橋面瀝青鋪裝成敗與否的首要問題是如何解決鋪裝層與光滑的鋼板表面之間的界面抗剪力不足的問題.在南京長江二橋橋面鋪裝方案中，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)，考慮水平力作用(摩擦系數(shù)為 0.5)，采用有限元分析計算，常溫時鋼板與鋪裝層間的最大剪應(yīng)力為0.48 MPa，60 ℃時為0.33 MPa，但考慮到疲勞的因素，黏結(jié)層的抗剪強度應(yīng)達到實際剪應(yīng)力的幾倍以上.

4 黏結(jié)材料抗拉抗剪數(shù)值分析

在對環(huán)氧樹脂類黏性材料的研究中，發(fā)現(xiàn)跟傳統(tǒng)瀝青鋪裝相比，該材料能更好的與正交互異鋼板相互作用，根據(jù)切應(yīng)力互等定理，其自身的膨脹系數(shù)與鋼板膨脹系數(shù)的不同而造成的材料層間的剪切力遠遠小于荷載帶來的層間剪應(yīng)力.為了滿足環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑與鋼板的協(xié)同作用的要求，這里重點討論抗拔和抗剪兩個性能指標.

本文通過研究，提出了鋼橋面瀝青鋪裝對界面黏結(jié)層使用溫度、抗拔強度、抗剪強度的性能要求[4]，相應(yīng)的指標匯總見表1.

表1 環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料的技術(shù)要求

針對黏結(jié)材料的特點，采用了長沙理工開發(fā)的DLERA、上海回天 623結(jié)構(gòu)膠、環(huán)氧富鋅漆、環(huán)氧瀝青、某高強改性瀝青等五種黏結(jié)劑進行了數(shù)據(jù)對比[5].表2、表3分別是抗剪強度和拉拔強度值[6].

建立圖表視圖，可以看到彼此間的對比效果，如圖1-2所示.

從圖1-2可知，就本文提出的抗剪、抗拔強度要求而言，在常溫條件下，只有DLERA、上?；靥?23結(jié)構(gòu)膠能滿足，而在 70 ℃和 60 ℃高溫條件下，僅DLERA能夠滿足要求.環(huán)氧富鋅漆在常溫時的抗剪、抗拔強度分別為1.35 MPa和2.03 MPa，70 ℃時分別為0.9 MPa和1.06 MPa，160 ℃時沒有強度.現(xiàn)在的鋼橋面瀝青鋪裝傾向于取消環(huán)氧富鋅漆作為防銹層，其原因是高溫混合料攤鋪時鋼橋面溫度過高，環(huán)氧富鋅漆在高溫下的抗剪、抗拔強度不夠而容易被施工荷載所破壞，成為薄弱層；雖然環(huán)氧瀝青在常溫條件下有較高的抗剪、抗拔強度，但是 70 ℃時只有 0.97 MPa、1.48 MPa；測試的改性瀝青為國內(nèi)某橋使用的高強改性瀝青，70 ℃時的抗剪強度僅為 0.36 MPa，這是因為瀝青類黏結(jié)劑屬于熱塑性材料，在高溫條件下會軟化，從而導(dǎo)致強度的大幅度下降.

表2 不同黏結(jié)材料拉剪強度

表3 各種類黏結(jié)材料拉拔強度

圖1 不同黏結(jié)材料在不同溫度下的拉剪強度

圖2 不同黏結(jié)材料在不同溫度下的拉拔強度

5 結(jié) 論

(1)橋面鋪裝層與鋼橋面的黏結(jié)問題是鋼橋正常工作的重大問題，若黏結(jié)層與上鋪裝層之間的抗剪強度小于產(chǎn)生的剪應(yīng)力，上鋪裝層就會產(chǎn)生相對滑移，而黏結(jié)層因喪失聯(lián)結(jié)上鋪裝層與鋼板的能力而失效.若黏結(jié)層與鋼板之間的抗剪強度小于產(chǎn)生的剪應(yīng)力，黏結(jié)層就會與鋼板相脫離而成為脫層.

(2)黏結(jié)材料不僅需要在常溫下保證其工作性能，而且還要適應(yīng)鋼橋的溫度特性，在高溫甚至超高溫的狀態(tài)下滿足一定的抗剪、抗拉要求，才能不至于在正常運營和鋪裝過程中存在脫層隱患.

(3)現(xiàn)行黏結(jié)材料已經(jīng)不能滿足橋梁發(fā)展，尤其是鋼橋結(jié)構(gòu)的要求.需要在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上對環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料的配比、材料屬性進行改進測試，開發(fā)新型黏結(jié)材料.

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