鋼橋面鋪裝防水黏結(jié)層的施工控制技術(shù)

陳華明，王志祥

(廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550)

0 引 言

目前，中國大跨徑橋梁多處于濕度較大、溫度較高的跨江沿海地區(qū)[1]，且多采用正交異性鋼橋面加鋪瀝青面層形成的剛-柔復(fù)合結(jié)構(gòu)[2-3]。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)[4-5]，多數(shù)鋼橋面鋪裝實體工程的使用壽命均難以達(dá)到設(shè)計年限，究其原因在于：一方面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)層常處于高應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞破壞[6]；另一方面在于施工過程中濕熱多雨的氣候條件使防水黏結(jié)層間存在一定量的水分，極易導(dǎo)致鼓包、脫層等病害。同時，在重載交通的使用條件下，車輛行駛所產(chǎn)生的動水壓力將促使浸入鋪裝層內(nèi)部的水分進(jìn)一步破壞鋪裝層與鋼橋面的黏結(jié)效應(yīng)，并腐蝕鋼橋表面結(jié)構(gòu)[7]。由此可見，水分對鋼橋面鋪裝體系的影響是不可輕視的，橋面防水黏結(jié)層的黏結(jié)強(qiáng)度較低或防水黏結(jié)層失效是鋼橋面鋪裝層水損害產(chǎn)生的主要原因之一[8]。

工程界對濕熱多雨地區(qū)鋼橋面鋪裝材料鼓包病害的產(chǎn)生機(jī)理以及瀝青混凝土鋪裝體系的黏結(jié)特性尚未清晰把握，適用于濕熱多雨氣候條件的鋼橋面鋪裝質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的研究仍處于起步階段，如何有效提高防水黏結(jié)層的施工質(zhì)量是亟待解決的問題。本文基于鋼橋面防水黏結(jié)層的施工工序，通過對防水黏結(jié)層各層材料進(jìn)行拉拔試驗，研究鋼橋面粗糙度、防水黏結(jié)材料各層厚度、施工溫度、環(huán)境濕度等關(guān)鍵因素對防水黏結(jié)體系的影響，為現(xiàn)場的施工及檢測提供一種質(zhì)量控制技術(shù)，從而提高鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

本研究采用MMA防水黏結(jié)材料，其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。MMA防水黏結(jié)材料是一種雙組分環(huán)氧樹脂，不但能夠有效防止水分和氯離子的滲透和侵蝕，而且具有良好的低溫柔性和黏結(jié)效應(yīng)。為增強(qiáng)鋼橋面的防腐能力，在鋼橋面與防水黏結(jié)材料之間鋪設(shè)一層環(huán)氧富鋅漆，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 MMA技術(shù)指標(biāo)

表2 環(huán)氧富鋅漆技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方法

防水黏結(jié)層處于鋼橋面和瀝青鋪裝層之間，其黏結(jié)效果對鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)組合以及整體性具有至關(guān)重要的作用。鋼橋面進(jìn)行橋面鋪裝時，先要對橋面進(jìn)行拋丸清潔，然后涂抹底漆；待漆膜干燥后進(jìn)行防水黏結(jié)材料的噴涂，施工完成各項指標(biāo)經(jīng)檢測合格后涂抹黏結(jié)層，至此防水黏結(jié)體系施工完成[9-10]。

考慮到實際防水黏結(jié)層體系施工時的具體工序，本研究通過拉拔試驗對防水黏結(jié)層體系的黏結(jié)效應(yīng)及其影響因素進(jìn)行逐層研究，并通過剪切試驗對其抗剪切性能進(jìn)行評價。

1.2.1 拉拔試驗

為確保試驗條件的一致性，拉頭與所有試樣間均通過環(huán)氧黏結(jié)劑固定，如圖1(a)所示，將制備的試樣固定在圖1(b)所示的上下夾具之間。試驗過程中鋼板固定，拉頭隨萬能試驗機(jī)上移，直至試樣破壞，得到破壞時的拉拔力，通過式(1)計算得到拉拔強(qiáng)度Pl。

(1)

式中:Fl為試樣破壞時的拉拔力(N)；A為直徑為50 mm的拉頭底面面積。

圖1 拉拔試驗

1.2.2 剪切試驗

通過鋪裝整體的剪切試驗，對防水黏結(jié)層的抗剪切能力進(jìn)行驗證，從而研究鋼橋面鋪裝層對脫層、推移等病害的抵抗能力。本研究注重研究防水黏結(jié)體系，因此瀝青混合料上涂布一層SMA-13改性瀝青，成型試件如圖2(a)所示，將其置于圖2(b)所示的裝置上，通過式(2)計算試件的抗剪強(qiáng)度PS。

(2)

式中:FS為剪切試驗過程中的最大剪切力(N)；S為鋼板面積(100 mm×100 mm)；β為45°。

圖2 剪切試驗

2 施工質(zhì)量檢測的拉拔速率

底漆、MMA以及黏結(jié)層材料對拉拔試驗的拉拔速率響應(yīng)不同，因此基于施工工序?qū)Ω鲗硬牧线m宜的拉拔速率進(jìn)行確定。按照鋼橋面處理(粗糙度Ⅲ級)、涂抹底漆(單層厚約60 μm)、噴涂MMA(厚度為2.5 mm)以及噴灑黏結(jié)層(單層厚約80 μm)的施工工序，試驗時拉頭分別黏結(jié)于底漆表面、MMA表面以及黏結(jié)層表面，在試驗溫度25 ℃、相對空氣濕度為60%的環(huán)境下，進(jìn)行10、20、30 mm·min-1等不同速率下的拉拔試驗，結(jié)果如圖3所示。試樣破壞時其破壞界面占整個試樣面積的比例為破壞界面占比。

圖3 不同拉拔速率下的拉拔強(qiáng)度

通過圖3可以看出，隨著拉拔試驗速率的增大，底漆層的拉拔強(qiáng)度逐漸增大，其破壞界面占比也逐漸增大，在30 mm·min-1的拉拔速率下，破壞界面占比可達(dá)80%，能夠有效反映鋼面板與底漆之間的黏結(jié)強(qiáng)度。隨著拉拔速率的增大，測得MMA和黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度逐漸降低，同時其破壞界面占比也逐漸減小，在10 mm·min-1的拉拔速率下，兩者的破壞界面占比均在80%左右。因此，在對鋼橋面涂抹環(huán)氧富鋅底漆后，其施工質(zhì)量檢驗時的拉拔速率可取30 mm·min-1，在MMA防水層和黏結(jié)層施工完畢后，采用10 mm·min-1的拉拔速度進(jìn)行強(qiáng)度檢測。

3 MMA防水黏結(jié)效果的影響因素

3.1 鋼橋面粗糙度

通過角磨機(jī)將鋼板打磨粗糙，從而模擬施工時對鋼橋表面的處理，采用Testex Press-O-Flim測試紙測定鋼板打磨后的粗糙度。在不同粗糙度的鋼板表面涂抹60 μm的底漆并在黏結(jié)拉頭后進(jìn)行拉拔試驗，結(jié)果如表3所示。

表3 鋼板表面粗糙度對拉拔強(qiáng)度的影響

通過表3可以看出，對于未打磨的鋼板而言，其拉拔強(qiáng)度處于較低水平。鋼板粗糙的表面有利于底漆的黏結(jié)，粗糙度等級越高，拉拔強(qiáng)度越大。但鑒于粗糙度達(dá)到Ⅲ級以后，拉拔強(qiáng)度增大幅度較小，考慮到現(xiàn)場施工時對鋼板表面粗糙度處理工程量以及經(jīng)濟(jì)性，鋼橋面的粗糙度處理達(dá)到Ⅲ級即可。

3.2 底漆厚度

底漆在鋼橋面鋪裝體系中主要起防止鋼板生銹的作用，底漆的厚度也是防水黏結(jié)體系施工控制的一個重要環(huán)節(jié)。在鋼板打磨至粗糙度Ⅲ級的基礎(chǔ)上，涂抹不同厚度(40、60、80、100、120 μm)的底漆，進(jìn)行拉拔試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 不同底漆厚度對拉拔強(qiáng)度的影響

通過表4可以看出：隨著底漆厚度的增加，拉拔強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)?shù)灼岷穸仍?0 μm時，拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大；底漆厚度小于60 μm時，拉拔破壞界面均發(fā)生在鋼板和底漆之間；當(dāng)?shù)灼岷穸仍黾拥匠^80 μm之后，破壞界面基本發(fā)生在拉頭和底漆之間，且抗拉強(qiáng)度降低。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，鋼橋面如果噴灑底漆，其拉拔強(qiáng)度要達(dá)到5 MPa以上，因此底漆厚度宜為60～80 μm。

3.3 MMA厚度

為合理控制MMA用量，在表面粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60 μm厚的底漆，待漆膜干燥后，通過制作厚度為0.5、1.5、2.5、3.5 mm的?？蜻M(jìn)而澆筑不同厚度MMA，用玻璃棒沿?？蚬纹胶箴そY(jié)拉頭養(yǎng)護(hù)12 h，然后進(jìn)行拉拔試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 不同MMA厚度對拉拔強(qiáng)度的影響

通過表5可以看出：防水層厚度較小時，未形成良好的黏結(jié)結(jié)構(gòu)層，因此抗拉強(qiáng)度相對較低；隨著防水層厚度的增加，拉拔強(qiáng)度增大，當(dāng)防水層厚度達(dá)到2.5 mm左右時，拉拔強(qiáng)度達(dá)到較大水平；防水層厚度持續(xù)增大，拉拔強(qiáng)度有所下降。因此，施工時防水層厚度宜選擇2.5～3.5 mm。

3.4 黏結(jié)層厚度

黏結(jié)層作為防水體系及與瀝青面層的聯(lián)結(jié)層，其施工質(zhì)量的重要性不言而喻。為此，對40、80、120、160 μm四種黏結(jié)層厚度下的拉拔強(qiáng)度進(jìn)行試驗，研究黏結(jié)層厚度對MMA體系黏結(jié)效應(yīng)的影響。在表面粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60 μm厚的底漆，待漆膜干燥后，澆筑2.5 mm的MMA材料，成型后在其上噴灑不同厚度的黏結(jié)層改性乳化瀝青，然后測得其拉拔強(qiáng)度，結(jié)果如表6所示。

表6 不同黏結(jié)層厚度對拉拔強(qiáng)度的影響

通過表6可以看出，隨著黏結(jié)層厚度的增加，拉拔強(qiáng)度先增加后減小，黏結(jié)層厚度達(dá)到80 μm時其拉拔強(qiáng)度最大，隨后持續(xù)增厚黏結(jié)層并沒有使黏結(jié)強(qiáng)度增加，而過厚的黏結(jié)層會導(dǎo)致發(fā)生在黏結(jié)層與拉頭界面的破壞面面積增大，因此適宜的黏結(jié)層厚度為80 μm。

3.5 施工溫度

施工溫度影響防水黏結(jié)體系各結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而影響鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力[11]，因此有必要確定出防水黏結(jié)層的最佳施工溫度。按施工工序?qū)Ω鲗硬牧系氖┕囟冗M(jìn)行研究，分別在不同溫度條件下成型試件，然后置于環(huán)境箱中保溫24 h，控制相應(yīng)加載速率進(jìn)行拉拔試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下的拉拔強(qiáng)度

通過圖4可以看出，隨著試驗溫度的升高，3種黏結(jié)材料的拉拔強(qiáng)度逐漸降低，在常溫(25 ℃)下其拉拔強(qiáng)度均較大。溫度一方面會影響材料強(qiáng)度的形成；另一方面，隨著溫度升高材料逐漸軟化，導(dǎo)致其黏結(jié)力減小。3種材料的拉拔強(qiáng)度與溫度均成對數(shù)遞減關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均可達(dá)0.99以上。因此，為確保鋼橋面鋪裝層具有較好的抵抗水損害能力，防水黏結(jié)體系的施工溫度均控制在25 ℃左右。

3.6 環(huán)境濕度

水分的存在導(dǎo)致防水黏結(jié)材料的黏結(jié)效應(yīng)降低，甚至使層間黏結(jié)失效，因此需要研究環(huán)境濕度對防水黏結(jié)材料黏結(jié)強(qiáng)度的影響。在溫度為25 ℃且相對空氣濕度分別為40%、60%、80%、100%的條件下成型經(jīng)不同工序后的試件，養(yǎng)護(hù)24 h后測試?yán)螐?qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同濕度下的拉拔強(qiáng)度

由圖5可以看出：相對空氣濕度增大，防水黏結(jié)體系的拉拔強(qiáng)度逐漸下降；空氣相對濕度超過60%以后，拉拔強(qiáng)度下降幅度相對變大，尤其是底漆層在施工時受到環(huán)境濕度的影響最為顯著。因此，在施工時要注意控制施工現(xiàn)場的空氣濕度，如果濕度較大，則要通過養(yǎng)生技術(shù)手段嚴(yán)格進(jìn)行控制，確保施工環(huán)境的相對濕度不超過60%。

4 防水黏結(jié)層的抗剪切性能

行駛在橋面上的車輛在發(fā)生緊急制動或加速的過程中，鋪裝層會受到較大的剪切力，防水黏結(jié)層的抗剪切性能衰減或失效是鋼橋面鋪裝發(fā)生脫層或推移的原因[12]。通過剪切試驗評價防水黏結(jié)體系的抗剪切性能，結(jié)合各層材料的黏結(jié)強(qiáng)度，研究影響體系抗剪切性能的因素。

4.1 施工溫度

在粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60 μm厚的底漆，澆筑2.5 mm厚的MMA后噴灑80 μm厚的黏結(jié)層，然后在此基礎(chǔ)上澆筑30 mm厚的SMA-10瀝青混合料。將此試件置于相對濕度為60%的環(huán)境箱內(nèi)，在不同溫度條件下分別養(yǎng)護(hù)24 h后測試其抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如表7所示。

表7 不同溫度下的抗剪強(qiáng)度

圖6 不同溫度下的抗剪強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度

通過表7可以看出，隨著溫度升高，試件的抗剪強(qiáng)度逐漸降低。這是由于：溫度過高，防水黏結(jié)材料隨著時間的延長逐漸軟化，抗剪能力下降?？紤]到施工時雖然不能直接對防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行檢測，但可在每層施工結(jié)束后進(jìn)行拉拔試驗檢測，兩者之間的關(guān)系如圖6所示。通過圖6可以看出，不同溫度條件下，防水黏結(jié)體系的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度之間具有一定的相關(guān)性，底漆的施工質(zhì)量對防水黏結(jié)體系抗剪強(qiáng)度的影響最大，其次是MMA材料。因此，要確保防水黏結(jié)體系具有較大的抗剪強(qiáng)度，其底漆和MMA材料的施工質(zhì)量必須嚴(yán)格控制。現(xiàn)場底漆、MMA材料施工后的拉拔檢測結(jié)果證明，滿足拉拔強(qiáng)度指標(biāo)的施工可保證鋼橋面鋪裝具有良好的抗剪性能。

4.2 環(huán)境濕度

在粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60 μm厚的底漆，澆筑2.5 mm厚的MMA后噴灑80 μm厚的黏結(jié)層，然后在此基礎(chǔ)上澆筑30 mm厚的SMA-10瀝青混合料。將此試件在25 ℃常溫環(huán)境下置于不同相對濕度的環(huán)境箱內(nèi)，養(yǎng)護(hù)24 h后檢測其抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如表8所示。

表8 不同濕度下的抗剪強(qiáng)度

通過表8可以看出，環(huán)境濕度增加導(dǎo)致鋪裝層與防水黏結(jié)層之間的抗剪強(qiáng)度下降，而且當(dāng)相對空氣濕度超過60%后，降低幅度明顯增大，隨后降低幅度相對變小。相較于溫度對其抗剪強(qiáng)度的影響，濕度增大引起抗剪強(qiáng)度下降的幅度相對較小。分析認(rèn)為，濕度增大導(dǎo)致水分進(jìn)入黏結(jié)層與瀝青層之間影響兩者的黏結(jié)，是抗剪強(qiáng)度下降的主要原因，這不同于溫度導(dǎo)致黏結(jié)材料自身抗剪能力和黏結(jié)能力的下降，濕度較大更多地是弱化了黏結(jié)層的黏結(jié)能力。因此，為確保足夠的抗剪強(qiáng)度，在防水黏結(jié)層上鋪裝瀝青面層時，需要控制環(huán)境相對濕度不超過60%?？辜魪?qiáng)度和各層材料拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 抗剪強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系

通過圖7可以看出，防水黏結(jié)體系的抗剪強(qiáng)度和MMA防水層的拉拔強(qiáng)度之間的相關(guān)性最大，在MMA防水層施工完成后進(jìn)行拉拔強(qiáng)度檢測，可評價其防水黏結(jié)體系的抗剪強(qiáng)度受環(huán)境濕度的影響。

4.3 剪切速率

行車荷載在橋面鋪裝層產(chǎn)生的沖擊可以通過剪切速率進(jìn)行模擬，因此在標(biāo)準(zhǔn)條件下制作試件分別進(jìn)行加載速率為5、10、15、20 mm·min-1的剪切試驗，結(jié)果如表9所示。

表9 不同剪切速率下的抗剪強(qiáng)度

通過表9可以發(fā)現(xiàn)，隨著剪切速率的增大，防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。這說明防水黏結(jié)層與瀝青面層底部的黏滯效應(yīng)與剪切速率正相關(guān)，剪切速率越大，黏滯效應(yīng)越強(qiáng)，克服這種黏滯效應(yīng)所需的剪切力越大，抗剪強(qiáng)度也越大。對于MMA防水黏結(jié)體系來說，其抵抗高剪切速率破壞的能力要強(qiáng)于抵抗低剪切速率下的破壞，這說明在鋼橋面鋪裝路面中，低速率行駛的車輛將會對鋼橋面鋪裝層產(chǎn)生較大的剪切破環(huán)。

5 結(jié) 語

鋼橋面鋪裝防水黏結(jié)層的施工需從鋼橋面處理到黏結(jié)層鋪設(shè)層層進(jìn)行控制，施工時對鋼橋表面打磨處理并涂抹環(huán)氧富鋅底漆有利于提高防水黏結(jié)層的黏結(jié)強(qiáng)度，底漆涂抹不宜過厚，控制在60～80 μm即可，然后依次鋪設(shè)2.5～3.5 mm的MMA防水層和80 μm黏結(jié)層。施工時確保施工溫度控制在25 ℃～40 ℃，環(huán)境的相對濕度不超過60%，在這種條件下施工，防水黏結(jié)層不但具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，而且具有良好的抗剪切能力。底漆層和MMA層施工完成后應(yīng)在現(xiàn)場對其拉拔強(qiáng)度進(jìn)行檢測，以預(yù)估防水黏結(jié)體系的抗剪切強(qiáng)度。