鋼橋面防水體系粘結(jié)強度敏感性研究

龔僥斌 ，李浩 ，譚振宇 ，吳傳海

（1.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420）

0 引言

鋪裝厚度、溫度、濕度等是影響防水體系粘結(jié)強度的重要因素，因防水體系粘結(jié)強度不足而導致鋪裝層脫層或滑移是造成鋼橋面鋪裝病害的重要原因之一?？紤]到鋪裝材料的差異和施工條件的局限性，不可能全面考慮所有影響防水體系粘結(jié)強度的因素，所以針對主要因素進行敏感性分析并選出最優(yōu)方案，可以在施工階段有效避免鋼橋面鋪裝病害。因此研究鋼橋面防水體系粘結(jié)強度敏感性非常有必要。

為此，國內(nèi)外學者針對防水粘結(jié)體系進行大量研究。Feng等[1]基于表面能原理分析了不同含水率防水材料與瀝青混凝土的粘結(jié)強度。Liu等[2]通過室內(nèi)試驗和建立有限元模型分析了表面粗糙度、壓實溫度、鋪裝厚度等因素對防水粘結(jié)層抗剪和抗拉拔能力的影響。馬濤等[3]通過比較3種橋面防水粘結(jié)材料在不同厚度和溫度下的剪切與拉拔強度，得出施工時粘結(jié)材料最佳厚度和溫度。孫家瑛和戴亞英[4]認為防水粘結(jié)層類型對性能影響顯著，應通過試驗選擇合理的橋面鋪裝防水粘結(jié)層。程慶等[5]調(diào)查了國內(nèi)大跨徑鋼橋面病害情況，提出從設計、施工及使用等環(huán)節(jié)減少鋼橋面鋪裝病害的方法。趙國云和王軍[6]以現(xiàn)場施工經(jīng)驗為基礎，介紹了鋼橋面鋪裝防水體系主要病害類型和設計時應考慮的因素，為同類工程提供了參考。

綜上所述，當前關(guān)于防水體系粘結(jié)強度研究主要集中在溫、濕度及鋪裝厚度等影響因素，為相關(guān)工程應用提供了一定的技術(shù)指導，然而，目前研究均將防水粘結(jié)體系作為一個整體而不予以逐層研究材料的質(zhì)量控制標準，同時，在實際工程中，防水體系施工時往往條件復雜，必須舍棄部分次要因素以確?？傮w結(jié)構(gòu)粘結(jié)強度合格?？梢姡斍把芯坎粔蛏钊?、細致，其結(jié)論在復雜的施工條件下未必能提供有效的指導作用。因此，本文依托港珠澳大橋鋼橋面鋪裝工程，遵循施工順序自下而上對原材料逐層研究或其組合開展多因素影響研究，采用正交試驗方法，確定防水體系粘結(jié)強度對不同因素的敏感性。

1 工程概況

港珠澳大橋是世界上最長的跨海大橋，全長55km，設計使用壽命120年，是跨越珠?？诹尕暄蠛Ｓ虻拇笮涂绾Ｍǖ繹7]。

港珠澳大橋防水體系服役環(huán)境為：夏季極端高溫條件下鋼橋面表面溫度可達70℃，部分接近80℃；地處伶仃洋海域，濕度大?？紤]港珠澳大橋工程特點、施工條件、工期要求，結(jié)合典型鋪裝方案比較分析相鄰地區(qū)成熟的技術(shù)，港珠澳大橋鋼橋面防水體系鋪裝選擇甲基丙烯酸類樹脂（MMA）防水粘結(jié)體系，該防水系統(tǒng)由底漆、2層MMA高性能防水膜和粘結(jié)層組成。

2 粘結(jié)層材料主要技術(shù)指標

港珠澳大橋鋼橋面防水粘結(jié)體系由底漆、防水層和粘結(jié)層組成。其主要技術(shù)性能指標見表1。

表1 防水粘結(jié)體系的主要技術(shù)性能指標

3 確定拉拔速率

大量前期室內(nèi)試驗表明，底漆、防水層、粘結(jié)層對拉拔試驗中的拉拔速率敏感度不一。因此，本節(jié)重點研究適用于各組合的拉拔速率。

試驗條件溫度為25℃、相對濕度為60%（以下簡稱室內(nèi)標準試驗條件）。將鋼板打磨至粗糙度值38～64μm，隨后涂1層厚為60μm的底漆，防水層厚度2.5 mm，粘結(jié)層80μm，對比分析10、30、50 mm/min3種不同拉拔速率下鋼板+底漆（組合Ⅰ）、鋼板+底漆+防水層（組合Ⅱ）、鋼板+底漆+防水層+粘結(jié)層（組合Ⅲ）的強度。同時記錄破壞界面占整個試件面積的比例，即破壞界面占比，試驗結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出：

（1）拉拔速率對拉拔強度測試結(jié)果影響較大，因此，針對不同的結(jié)構(gòu)組合應采用不同的速率進行試驗。

（2）當組合Ⅰ在拉拔速率為10 mm/min時破壞界面占比為36.7%，而在拉拔速率為50 mm/min時破壞界面占比達80%，表明在拉拔速率為50 mm/min時對應的拉拔強度比10 mm/min對應的拉拔強度更能有效反映組合Ⅰ的層間粘結(jié)強度，因此，對于組合Ⅰ，其拉拔速率應為50 mm/min。同理，組合Ⅱ、Ⅲ在10 mm/min下破壞界面占比達70%～80%，拉拔試驗速率應選擇為10 mm/min。

圖1 不同組合間拉拔強度與拉拔速率關(guān)系

4 正交試驗設計方案

根據(jù)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術(shù)指南》[8]使用拉拔試驗評價橋面鋪裝防水粘結(jié)層的粘結(jié)強度。影響試驗指標的因素很多，但考慮到實際施工和試驗條件的局限性，不可能全面考察，所以對實際問題進行具體分析并根據(jù)試驗目的選出主要因素，略去次要因素以減少要考察的因素數(shù)。在正交試驗選取材料厚度、溫度、濕度共3個因素，每個結(jié)構(gòu)層間進行9組試驗。組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的正交試驗參數(shù)設計分別見表2、表3、表4。

表2 組合Ⅰ拉拔試驗正交試驗設計

表3 組合Ⅱ拉拔試驗正交試驗設計

表4 組合Ⅲ拉拔試驗正交試驗設計

5 室內(nèi)拉拔試驗

5.1 拉拔試驗結(jié)果與分析

按照上述正交試驗設計分別對組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進行拉拔試驗，對于組合Ⅰ，其拉拔速率為50 mm/min，組合Ⅱ、Ⅲ拉拔試驗速率為10 mm/min。為了避免誤差每組試驗成型3個試件進行平行試驗，正交試驗結(jié)果及分析見表5～表7。

表5 組合I拉拔試驗結(jié)果

表6 組合Ⅱ拉拔試驗結(jié)果與分析

表7 組合Ⅲ拉拔試驗結(jié)果與分析

由表5可知：

（1）組合Ⅰ鋼板+底漆的粘結(jié)強度對濕度最為敏感，其次是濕度，最后是底漆厚度。

（2）在拉拔速率50 mm/min下，隨著底漆厚度增加，組合Ⅰ粘結(jié)強度先增大后減小，在60μm到達峰值；而組合Ⅰ隨著溫、濕度增加粘結(jié)強度降低。

由表6可知：

（1）組合Ⅱ室內(nèi)試驗3個影響因素對粘結(jié)強度敏感性順序為：溫度>防水層厚度>濕度。

（2）在拉拔速率10 mm/min下，隨著防水層厚度增加，組合Ⅱ粘結(jié)強度先增大后減小，在2.5 mm到達峰值；隨著溫度升高粘結(jié)強度迅速降低，說明了組合Ⅱ的粘結(jié)強度對溫度最敏感；而由于防水層的存在，組合Ⅱ粘結(jié)強度對濕度并不是很敏感。

由表7可知：

（1）組合Ⅲ的粘結(jié)強度對溫度最為敏感，然后是粘結(jié)層厚度，最后是濕度。

（2）在10 mm/min拉拔速率下，組合Ⅲ的粘結(jié)強度隨粘結(jié)層厚度的增加先增大后減小，當厚度為80μm時達最大值；粘結(jié)強度隨溫度增加迅速較小，且在溫度25～40℃比40～80℃間更敏感。同理由于防水層和粘結(jié)層使組合Ⅲ的粘結(jié)強度對濕度敏感性最小。

5.2 最優(yōu)方案比選

在完成MMA防水體系3種結(jié)構(gòu)層間拉拔正交試驗后，通過極差分析得到的最優(yōu)方案并未出現(xiàn)在上述試驗中，是否是真正的優(yōu)選方案還需要作進一步的比選。因此，還需要將極差分析的最優(yōu)方案與正交表中最佳試驗作比選試驗，結(jié)果分別見表8～表10。

表8 組合Ⅰ比選試驗結(jié)果

表9 組合Ⅱ比選試驗結(jié)果

表10 組合Ⅲ比選試驗結(jié)果

由表8可知，極差分析最優(yōu)方案（A2B1C1）的粘結(jié)強度為9.32 MPa，大于正交表最高粘結(jié)強度9.01 MPa，即表明組合Ⅰ極差分析的方案在本文給定的因素和水平條件下得到的是真正的最優(yōu)方案。同理，由表9、表10可知，組合Ⅱ、Ⅲ極差分析的方案是在本文給定的因素和水平條件下真正的最優(yōu)方案。

6 結(jié)論

（1）基于拉拔速率對各組合粘結(jié)強度測試結(jié)果影響較大，確定了組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ適宜的拉拔速率分別為50、10、10mm/min。

（2）組合Ⅰ層間粘結(jié)強度因素敏感性排序為濕度>溫度>底漆厚度，組合Ⅱ?qū)娱g粘結(jié)強度因素敏感性排序為溫度>防水層厚度>濕度，組合Ⅲ層間粘結(jié)強度因素敏感性排序為溫度>粘結(jié)層厚度>濕度。

（3）通過比選試驗確定防水體系中組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最優(yōu)方案均為A2B1C1，即在拉拔速率50 mm/min下，底漆厚度為60μm，溫度25℃，環(huán)境相對濕度60%時組合Ⅰ粘結(jié)強度最高；組合Ⅱ粘結(jié)強度在拉拔速率為10mm/min時，防水層厚度為2.5 mm，溫度25℃，環(huán)境相對濕度60%時最高；組合Ⅲ在拉拔速率10 mm/min試驗條件下，粘結(jié)層厚度80μm、溫度25℃、環(huán)境相對濕度60%時粘結(jié)強度最高。