環(huán)氧薄層鋪裝材料耐候性試驗(yàn)研究

環(huán)氧薄層鋪裝材料耐候性試驗(yàn)研究

王興昌1,2，王凱3，范瑛1，磨煉同3

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430068； 2.武漢光谷建設(shè)投資有限公司，

武漢 430205； 3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430070)

摘要：通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)加速紫外老化試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)分析環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料的耐候性。經(jīng)過(guò)模擬9年的紫外老化效果和20次高低溫凍融循環(huán)后環(huán)氧鋪裝材料仍保持很好的拉拔強(qiáng)度。試驗(yàn)證實(shí)了環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料具有良好的抗紫外老化性、溫度收縮兼容性和耐候性，不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓妥贤饫匣a(chǎn)生粘結(jié)失效、集料脫落和脫層等嚴(yán)重問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧；薄層鋪裝；紫外老化；凍融

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.017

Abstract:The weathering resistance of thin epoxy overlay materials was investigated by using UV aging test and freezing and thawing test.After subjected to 9-year UV aging effect and 20 freezing and thawing cycles,the overlay still remained good pull-off strength.Test results confirmed that thin epoxy overlay materials have good UV aging resistance,temperature shrinkage compatibility and weathering resistance,which are important to prevent adhesion failure,loss of aggregate and debonding.

收稿日期：2015-02-27.

作者簡(jiǎn)介：王興昌(1972-)，高級(jí)工程師.E-mail:383727481@qq.com

Experimental Investigation of Weathering Resistance

of Thin Epoxy Overlay Materials

WANGXing-chang1,2,WANGKai3,FANYing1,MOLian-tong3

( 1.School of Civil Engineering and Architecture,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;

2.Wuhan Guanggu Construction and Investment Co,Ltd,Wuhan 430205,China;3.State Key

Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Key words:epoxy;thin overlay;UV aging;freezing and thawing

環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料主要由環(huán)氧黏結(jié)劑和單級(jí)配細(xì)骨料組成，攤鋪厚度小，能長(zhǎng)期保持良好抗滑和防水性能的新型罩面材料，主要用于水泥混凝土橋面修復(fù)、彩色路面和鋼橋面鋪裝[1-6]。該鋪裝材料采用冷涂方法進(jìn)行施工，即在路面或橋面上先涂上一層環(huán)氧膠黏，再撒布耐磨骨料經(jīng)環(huán)氧固化后而成。環(huán)氧黏結(jié)劑一般由環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合而成，盡管環(huán)氧黏結(jié)劑具有優(yōu)良的耐腐蝕性，同時(shí)與很多材料黏結(jié)強(qiáng)度高，但其在一定的溫度、濕度、紫外光等條件下也會(huì)發(fā)生腐蝕和降解使其力學(xué)性能降低。由于環(huán)氧薄層抗滑鋪裝層厚度(約3～10 mm)比傳統(tǒng)的瀝青混凝土鋪裝層(約30～100 mm)小，同時(shí)其作為表面層一直暴露在自然環(huán)境中，因此所用環(huán)氧黏結(jié)劑的耐老化性是影響鋪裝層使用壽命的一大因素。太陽(yáng)紫外線(xiàn)具有對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的降解作用，其原因是環(huán)氧樹(shù)脂中芳香族苯環(huán)結(jié)構(gòu)易吸收紫外線(xiàn)而發(fā)生氧化反應(yīng)，變色黃化就是直接的證據(jù)，因此有必要對(duì)環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料所用的環(huán)氧黏結(jié)劑進(jìn)行耐紫外老化試驗(yàn)研究。此外，路面需承受一年四季晝夜溫度周期性的變化，溫度的變化會(huì)引起材料不同程度上的膨脹或收縮變形，由于鋪裝層與基層材料的熱膨脹性能有差異，當(dāng)層間溫度應(yīng)力過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致脫層，因此有必要研究環(huán)氧薄層鋪裝材料的抗凍融性能。國(guó)內(nèi)外一些實(shí)體工程調(diào)查表明環(huán)氧薄層鋪裝材料的主要病害，如表面開(kāi)裂和脫層與材料耐候性有關(guān)，環(huán)氧材料低溫收縮變形性差和粘結(jié)不足是主要原因[3-6]。通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)加速紫外老化試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，分析環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料老化和凍融前后層間拉拔強(qiáng)度變化以檢驗(yàn)其耐候性。

1原材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原材料主要有改性環(huán)氧膠黏劑和耐磨骨料，其中環(huán)氧粘結(jié)劑不含溶劑、100%固含、固化后模量低、由環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑A、B兩組分組成，由武漢興正源路橋復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，所用耐磨骨料為玄武巖細(xì)集料，粒徑在2.36～4.75 mm之間。環(huán)氧抗滑薄層材料采用雙層施工，鋪裝層總厚度為7 mm，基層采用鋼板，尺寸為長(zhǎng)300 mm×寬300 mm×厚12 mm。施工時(shí)先對(duì)鋼板進(jìn)行表面處理，底涂層環(huán)氧膠用量為1.0 L/m2，玄武巖細(xì)骨料撒布用量為5.4 kg/m2；固化后回收多余骨料，涂抹第二層環(huán)氧膠黏劑，用量為2.0 L/m2，撒布玄武巖細(xì)骨料用量為7.6 kg/m2。固化后回收多余骨料，形成雙層環(huán)氧抗滑鋪裝層。

紫外老化試驗(yàn)一般可采用在自然環(huán)境條件下紫外老化試驗(yàn)和室內(nèi)加速紫外老化試驗(yàn)。后者一般采用人工方法，在室內(nèi)或設(shè)備內(nèi)模擬近似于大氣環(huán)境條件，并強(qiáng)化某些因素如幅照強(qiáng)度，以期在較短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果。自然紫外老化需要很長(zhǎng)的時(shí)間而缺少實(shí)用性，室內(nèi)加速紫外老化所需用時(shí)間短，但可能失真，表現(xiàn)為室內(nèi)加速紫外老化與真正自然紫外老化的缺乏直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，更多只能說(shuō)明一種變化趨勢(shì)，不能等同地對(duì)應(yīng)比較。本試驗(yàn)采用自制的室內(nèi)加速紫外光老化試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱主要包括光源和溫度控制系統(tǒng)。1)光源：光源采用GHF125W-03反射型黑光高壓汞燈，它的外殼采用可阻擋可見(jiàn)光通過(guò)，而只透紫外光UV-A的伍得氏玻璃，起到濾光片的作用，能夠透過(guò)外殼的只有單純的狹窄的線(xiàn)光譜-365 nm紫外光。由于這種燈具有輸出光譜單色性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此也被廣泛用作光化學(xué)試驗(yàn)和熒光分析試驗(yàn)儀器。2)溫度控制系統(tǒng)：由于高壓汞燈在產(chǎn)生紫外線(xiàn)的同時(shí)還產(chǎn)生大量的熱量，使試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度升高，為保證試驗(yàn)不受環(huán)境溫度的影響，宜對(duì)老化箱內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。本試驗(yàn)設(shè)定老化箱內(nèi)的溫度為50 ℃，接近自然老化環(huán)境下的老化條件。3)輻照強(qiáng)度的計(jì)量：輻照度的測(cè)量采用UV-A型紫外輻照計(jì)。UV-A型紫外輻照計(jì)(環(huán)地牌，88量制京字00000176)由北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn)，主要技術(shù)參數(shù)如下：UV365探頭對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍λ為320～400 nm，峰值波長(zhǎng)λp為365 nm；UV420探頭對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍λ為375～475 nm，峰值波長(zhǎng)λp為420 nm；輻照度測(cè)量范圍為0.1 μW/cm2至1.999×105μW/cm2；紫外帶外區(qū)雜光小于0.02%。

室內(nèi)加速紫外光老化試驗(yàn)箱的紫外輻照強(qiáng)度與光源距離以及紫外燈強(qiáng)度衰減有關(guān)，經(jīng)紫外輻照計(jì)測(cè)量，紫外光強(qiáng)度在λp=365 nm為15.5～61 W/m2。環(huán)氧薄層鋪裝材料的老化過(guò)程如圖1所示，紫外光持續(xù)照射5 d。老化前后分別對(duì)試樣同一位置進(jìn)行拍照記錄，同時(shí)采用ZQS6-2000型飾面磚粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀進(jìn)行拉拔試驗(yàn)(如圖2所示)以檢驗(yàn)老化對(duì)環(huán)氧鋪裝材料的影響。

凍融試驗(yàn)的具體步驟是：首先將試樣水浴加熱至60 ℃，并保溫1 h，然后取出將試樣直接放到-18 ℃冰柜中保溫7 h，取出后直接放到60 ℃水浴升溫中保持1 h。通過(guò)冷凍-解凍循環(huán)，觀察不同循環(huán)次數(shù)后試樣界面粘結(jié)區(qū)的情況，以此評(píng)價(jià)抗凍融性能，同時(shí)采用20次凍融后的試樣進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)重點(diǎn)考慮高溫條件，即60 ℃和75 ℃，記錄下抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)凍融后粘結(jié)性能的衰減規(guī)律。

2結(jié)果與討論

本次試驗(yàn)的紫外線(xiàn)持續(xù)照射為5 d，由紫外光的輻照量由輻照強(qiáng)度的時(shí)間積分來(lái)計(jì)算。本次試驗(yàn)最大的幅照量為2.64×104kJ/m2。結(jié)合太陽(yáng)年幅射總量約為5×104kJ/m2，其中紫外光譜約占地面太陽(yáng)幅射總量的6%，即按年紫外光輻照量約為3×102kJ/m2計(jì)算，本次紫外老化試驗(yàn)至少模擬了近9年的室外太陽(yáng)光紫外老化效果。為了分析紫外老化的影響，對(duì)紫外老化前后試件表面進(jìn)行了拍照，如圖3所示。通過(guò)對(duì)比分析可知，紫外老化對(duì)試件表面影響很小，試件表面沒(méi)有發(fā)生明顯的顏色變化或開(kāi)裂。與此相反，試件的側(cè)面圖片對(duì)比分析表明紫外老化嚴(yán)重，環(huán)氧材料發(fā)黃并觀察到眾多裂紋。上述試驗(yàn)結(jié)果表明所采用的紫外老化對(duì)環(huán)氧膠老化效果顯著，但由于試件表面有集料遮擋，紫外線(xiàn)老化并不嚴(yán)重。

為了分析老化對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)采用了空白試件(未處理標(biāo)準(zhǔn)試件)和老化試件進(jìn)行對(duì)比分析。每組試件做60 ℃和75 ℃兩種不同溫度環(huán)境下的拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)中拉頭處采用環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)粘結(jié)，試驗(yàn)時(shí)破壞面取決于不同的最薄弱環(huán)節(jié)。整個(gè)試驗(yàn)主要由數(shù)顯式拉力機(jī)儀和與拉拔試驗(yàn)配套的控制架組成，粘結(jié)強(qiáng)度為拉力除以粘結(jié)面積來(lái)確定。

表1為老化前后粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比分析。老化后環(huán)氧鋪裝材料的粘結(jié)強(qiáng)度有明顯的下降，如60 ℃和75 ℃時(shí)其降幅分別約為40%和30%，這表明了老化對(duì)鋪裝層材料的耐久性可產(chǎn)生很大的影響。溫度升高后試樣的粘結(jié)強(qiáng)度降低，表明了試樣的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴(lài)性[6]。由于所用拉拔儀為手搖式加載，加載速度相對(duì)于直接拉伸試驗(yàn)慢。直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明在60 ℃時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度為1.30 MPa，而手搖式拉拔強(qiáng)度為0.782 MPa，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)條件會(huì)產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果，因此在現(xiàn)場(chǎng)拉拔強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意試驗(yàn)時(shí)的溫度和加載速度[5]。當(dāng)溫度低或加載快時(shí)，拉拔強(qiáng)度偏高，反之則偏小。

表1　老化前后粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比分析

試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)后，試件表面和界面均未觀測(cè)到微裂。凍融后紋粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)了較小的下降，如60 ℃和75 ℃時(shí)其降幅分別約為12%和15%，表明環(huán)氧鋪裝材料具有優(yōu)良的抗凍融性能。圖4為紫外老化和凍融對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響對(duì)比分析，結(jié)果顯示紫外老化的影響大于凍融循環(huán)，說(shuō)明了紫外老化對(duì)環(huán)氧薄層鋪裝耐久性有很大的影響，在材料選擇時(shí)應(yīng)注意抗老化性能的比選。

表2　老化前后粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比分析

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)紫外環(huán)境箱和凍融試驗(yàn)檢驗(yàn)了環(huán)氧薄層鋪裝材料的耐候性。紫外老化和20次凍融循環(huán)后環(huán)氧鋪裝材料在高溫下還保持很好的拉拔強(qiáng)度。紫外老化模擬試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)和拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)均證實(shí)了所用環(huán)氧膠黏劑具有良好的抗紫外老化性、溫度收縮兼容性和耐候性，不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓妥贤饫匣a(chǎn)生粘結(jié)失效、集料脫落和脫層的嚴(yán)重問(wèn)題，但必須指出，室內(nèi)紫外加速老化很難真實(shí)反映自然老化過(guò)程，建議與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果相結(jié)合，以更好地評(píng)價(jià)環(huán)氧鋪裝層的耐久性。

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