路橋鋪裝用彈性環(huán)氧材料研究

朱本瑋

摘要：通過對環(huán)氧材料粘接失效的界面應(yīng)力分析，介紹了環(huán)氧鋪裝材料抗開裂能力的評價方法以及彈性環(huán)氧鋪裝材料的技術(shù)要求，最后簡述了幾種常用的彈性環(huán)氧路面鋪裝材料。

關(guān)鍵詞：鋪裝材料；界面應(yīng)力；環(huán)氧粘接劑

中圖分類號：TQ433.4+37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）08-0078-03

環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能和粘接性能，廣泛用作膠粘劑、涂料、修補(bǔ)材料等。國外早就將環(huán)氧樹脂路面材料使用在高等級公路、飛機(jī)跑道方面以取代傳統(tǒng)的瀝青鋪裝。采用環(huán)氧樹脂路面材料建成的道路與傳統(tǒng)材料建造的相比，強(qiáng)度高、耐油性好、耐水性好、耐磨損、施工及維護(hù)方便（后期費(fèi)用低）。國內(nèi)從上世紀(jì)80年代后才開始用環(huán)氧樹脂進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)加固，近年來也逐漸用于地坪的加固修補(bǔ)。隨著國內(nèi)建筑水平的提高，在高等級路面、橋面應(yīng)用環(huán)氧樹脂已逐漸成為熱點(diǎn)。

本文對環(huán)氧樹脂材料固化過程和應(yīng)用過程中的界面應(yīng)力進(jìn)行了初步分析，介紹了評價環(huán)氧材料抗開裂性能的評價方法、國外對路橋鋪裝用彈性環(huán)氧樹脂材料的技術(shù)要求和目前應(yīng)用較為成熟的2種鋪裝用彈性環(huán)氧材料。

1 粘接界面應(yīng)力分析

環(huán)氧樹脂材料的綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土材料，但在其修補(bǔ)混凝土基層特別是在修補(bǔ)較大面積混凝土?xí)r經(jīng)常發(fā)生脫層現(xiàn)象。導(dǎo)致環(huán)氧樹脂砂漿與混凝土界面脫落的主要原因是粘接界面存在應(yīng)力。這種應(yīng)力一方面包括環(huán)氧樹脂砂漿固化過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，另一方面包括在使用溫度變化時由于2種材料線脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應(yīng)力。

1.1 固化過程產(chǎn)生的應(yīng)力

環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，2組分混合后就開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體系溫度升高，在達(dá)到放熱峰頂時體系的體積達(dá)到最大，然后固化反應(yīng)減緩，體系緩慢降溫。在達(dá)到凝膠點(diǎn)前體系為能流動的液體，在凝膠點(diǎn)由液體變成膠體失去流動性。隨著體系溫度的降低，整個反應(yīng)體系的體積縮小。凝膠點(diǎn)前體系處于液體狀態(tài)，體積收縮不會產(chǎn)生永久內(nèi)應(yīng)力；凝膠點(diǎn)后尤其是進(jìn)入玻璃態(tài)后，由于聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整以及溫度下降導(dǎo)致的體積收縮受到界面約束而在材料內(nèi)部產(chǎn)生永久內(nèi)應(yīng)力。若內(nèi)應(yīng)力超過材料的本體強(qiáng)度或界面粘接強(qiáng)度，就會產(chǎn)生裂縫、脫粘、分層等形式的破壞[1]。

1.2 使用過程中環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力

熱脹冷縮是材料固有的性能之一。鋪裝材料與基層材料的性能不同，線脹系數(shù)相差較大。因此在環(huán)境溫度變化時由于2種材料的尺寸變化不同而導(dǎo)致粘接界面會發(fā)生變化[2]。由于界面的約束，不可避免會在材料中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力大小取決于線脹系數(shù)的差值以及溫度變化幅度。如果這種應(yīng)力超過了任一材料的強(qiáng)度，就會導(dǎo)致粘接處材料破損或者界面脫層破壞。

2 鋪裝材料抗開裂能力評價

粘接界面應(yīng)力影響因素較多，目前還沒有合適的方法直接測量界面應(yīng)力。通過大量的測試試驗和建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，水利水電科學(xué)院采用圓環(huán)強(qiáng)化開裂試驗來評價環(huán)氧修補(bǔ)砂漿薄層結(jié)構(gòu)抗裂性[3]。圓環(huán)法采用圓環(huán)試件，試件內(nèi)環(huán)為混凝土，外環(huán)為1 cm厚的環(huán)氧砂漿薄層（見圖1），a=100 mm，b=160 mm，c=170 mm，軸向厚度B=60 mm。試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 。試驗方法是將試件在-20 ℃靜置16 h，然后在80 ℃靜置8 h，作為一個循環(huán)。每個循環(huán)都需檢查試件的開裂情況，包括環(huán)氧砂漿薄層是否開裂、環(huán)氧砂漿與混凝土之間是否開裂等。若經(jīng)10～15循環(huán)試件無裂縫，則認(rèn)為環(huán)氧砂漿薄層滿足抗開裂要求。

美國ASTM D884標(biāo)準(zhǔn)也提供了一種評價環(huán)氧砂漿與粘接混凝土界面抗裂性的方法——熱相容性試驗方法，通過實驗手段直接反映環(huán)氧砂漿與基層能否滿足使用要求而不致脫落破壞[4]。實驗方法是在300 mm×300 mm×75 mm的混凝土上鋪裝15 mm厚環(huán)氧材料，常溫固化7 d。以-20 ℃/24 h+常溫/24 h為1個循環(huán)，如果經(jīng)過5個循環(huán)粘接界面和材料本身無開裂或裂縫產(chǎn)生，則認(rèn)為這種環(huán)氧材料具有較好的抗開裂能力，可用于混凝土橋面鋪裝。

3 路橋面環(huán)氧鋪裝材料技術(shù)要求

路橋面聚合物鋪裝層主要由環(huán)氧粘接劑和單粒徑碎石組成。其中樹脂類粘接劑與水泥混凝土、集料、鋼板等基材粘接性能好，如常溫下環(huán)氧的粘接強(qiáng)度高達(dá)20 MPa以上，可對橋面起到防水、保護(hù)等作用。鋪裝層一般采用薄層技術(shù)，單層厚度小于1 mm，但可以通過多層鋪裝來增加總的厚度。從上世紀(jì)70年代開始，相繼在橋面上采用甲基丙烯酸樹脂、聚酯和環(huán)氧樹脂混凝土取代原來的瀝青混凝土進(jìn)行鋪裝應(yīng)用。1995年美國交通與運(yùn)輸委員會（AASHTO）提出了技術(shù)要求《Guide Specifications for Polymer Concrete Bridge Deck Overlays》（AASHTO-AGC-ARTBA Task Force 34），要求用于混凝土橋面鋪裝的環(huán)氧材料性能必須達(dá)到表1指標(biāo)。

對聚合物薄層鋪裝應(yīng)用6～19年實例調(diào)查表明：上述3種材料中環(huán)氧粘接劑使用性能優(yōu)于其他2種材料，特別是低模量的環(huán)氧樹脂最合適混凝土薄層鋪裝，服役壽命長達(dá)10～15年甚至更長；開裂和脫層是聚合物薄層鋪裝的主要破壞形式；所有調(diào)查中沒有發(fā)現(xiàn)抗滑性能不足和耐紫外老化性不佳的問題。因此2007年AASHTO與ASTM標(biāo)準(zhǔn)共同提出了一個新標(biāo)準(zhǔn)，對相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)及要求作了修改（見表2）。

4 幾種常用道路鋪裝環(huán)氧材料介紹

4.1 環(huán)氧薄層鋪裝材料

通過采用聚氨酯、橡膠增韌等方法配制的彈性環(huán)氧材料具有韌性好、強(qiáng)度適中、粘接性能好的優(yōu)點(diǎn)，施工時將環(huán)氧樹脂膠粘劑涂刷于基面，再撒布高強(qiáng)度集料，待樹脂固化后形成一種高韌性、高強(qiáng)度、高抗滑的鋪裝功能表層[5]。相對于傳統(tǒng)的瀝青混合料或水泥混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，低模量彈性環(huán)氧樹脂鋪裝結(jié)構(gòu)的厚度通常小于1 cm，因此稱之為薄層鋪裝。這種材料使用壽命長達(dá)20年以上，是瀝青路面使用壽命的3倍以上，可常溫施工，固化速度快，對交通影響小，方便快捷。到一定使用年限后，只需在基層上再涂刷一層即可，因此后期維護(hù)非常方便。特別是鋪裝層整個厚度較小，大大減輕了固定荷載，對大跨度橋梁特別有利。

在上世紀(jì)70年代，彈性環(huán)氧等聚合物材料在橋面鋪裝領(lǐng)域的應(yīng)用在美國發(fā)展起來。美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會（AASHTO）于1995年發(fā)表了聚合物薄鋪應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。目前在美國聚合物薄鋪裝層在超過40個州的各類橋梁都有應(yīng)用，包括跨海大橋、公路橋梁、城市高架、FRP橋梁、吊橋、隧道等。美國西卡公司、BASF、DOW公司都有類似的產(chǎn)品。

國內(nèi)也有單位如武漢理工大學(xué)、長沙理工大學(xué)等[6，7]單位都進(jìn)行了此類產(chǎn)品的研發(fā)工作，并在一些運(yùn)行的橋梁上進(jìn)行了小面積的試驗路段施工，但由于目前此產(chǎn)品沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而且試驗路段實際運(yùn)行時間比較短，長時間的運(yùn)行效果尚有待觀察，因此彈性環(huán)氧薄層鋪裝材料仍處于小面積推廣實驗階段。

本文采用增韌劑、橡膠等對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，開發(fā)了一種性能優(yōu)良的JQ-105薄層鋪裝用彈性環(huán)氧鋪裝材料，其技術(shù)性能見表3。它粘接性能和柔韌性好，強(qiáng)度適中，可用于橋梁、路面修補(bǔ)，也可以修補(bǔ)環(huán)氧瀝青鋪裝層。

4.2 粘接層環(huán)氧材料

典型的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)是對鋼板進(jìn)行防銹處理后直接施工瀝青混凝土。由于瀝青混凝土與鋼板性能相差較大，2者結(jié)合面會發(fā)生脫層。經(jīng)過試驗，在鋼板上用彈性環(huán)氧材料（見表4）作為粘接層以緩沖2種材料的性能差異，增加鋪裝材料與橋面板的粘接性能，吸收沖擊荷載，減小荷載對粘接界面的影響，使用效果非常好，延長了瀝青混凝土鋪裝層的使用壽命[8]。

參考文獻(xiàn)

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