環(huán)境條件對(duì)自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑性能的影響

劉攀，劉譽(yù)貴，郝增恒，2，盛興躍，李璐

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

防水粘結(jié)層能有效將瀝青混凝土鋪裝層與鋼橋面板粘結(jié)成整體，并起到防水作用[1-2]。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的防水粘結(jié)層材料主要包括甲基丙烯酸甲酯材料、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青、改性瀝青及溶劑型粘結(jié)劑等[3-5]。針對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青[6]，開發(fā)出一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。

在橋梁的實(shí)際服役過(guò)程中，防水粘結(jié)層會(huì)長(zhǎng)期受到外界環(huán)境的影響[7-9]。然而有針對(duì)性地對(duì)鋼橋面防水粘結(jié)材料在不同環(huán)境條件下性能的研究及評(píng)價(jià)較少。本文針對(duì)自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究不同環(huán)境條件對(duì)其粘結(jié)性能的影響，以期為其推廣和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

高韌性環(huán)氧瀝青混凝土EA10、環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑(由主劑和硬化劑兩部分組成，其用量比為100∶50，常溫表干時(shí)間為1～2 d，常溫實(shí)干時(shí)間約為10 d)均為自制；環(huán)氧富鋅漆，由環(huán)氧樹脂、鋅粉、助劑及聚酰胺樹脂調(diào)配而成；氯化鈉、氫氧化鈉、硫酸、無(wú)水亞硫酸均為分析純；去離子水。

WDW-3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；YHS-229WG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；HTF313C電熱鼓風(fēng)干燥箱；HL1303C高低溫試驗(yàn)箱；HDSS-II路面滲水儀；BT-60B鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)；DZ11-2恒溫水浴箱等。

1.2 基本性能測(cè)試

主要對(duì)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的拉伸性能、高溫性能、低溫性能、抗?jié)B水性及耐腐蝕性等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.3 環(huán)境條件對(duì)粘結(jié)性能的影響

目前，橋面鋪裝防水粘結(jié)層材料的粘結(jié)性能主要通過(guò)拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)。其中，拉拔強(qiáng)度主要表征防水粘結(jié)層垂直方向上的粘結(jié)性能。本文主要測(cè)試環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在不同環(huán)境條件下的拉拔強(qiáng)度，并以殘留拉拔強(qiáng)度比表征環(huán)境條件對(duì)其粘結(jié)性能的影響。準(zhǔn)備若干個(gè)噴砂除銹90 mm×90 mm 的鋼板，使其潔凈度和粗糙度滿足Sa2.5的要求。先在鋼板上均勻涂布一層環(huán)氧富鋅漆，再涂布一層環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，隨后加鋪EA10，養(yǎng)護(hù)完畢后鉆心，形成一個(gè)直徑為50 mm的拉拔面，粘結(jié)拉拔頭(試件見(jiàn)圖1)。將試件放置在不同環(huán)境條件下，然后在實(shí)驗(yàn)溫度下保溫4 h后進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)。

圖1 拉拔試件Fig.1 Pull-out specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能實(shí)驗(yàn)

2.1.1 力學(xué)性能 將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑成型為啞鈴形試件(見(jiàn)圖2)后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度(23±2)℃，拉伸速率200 mm/min。其拉伸強(qiáng)度為3.7 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)180%以上，這表明環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的力學(xué)性能完全滿足要求。

圖2 啞鈴形試件Fig.2 Dumbbell shaped specimen

2.1.2 高溫性能 將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑放置于160 ℃ 下30 min或60 min及240 ℃下30 min，觀察表面現(xiàn)象，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑具有十分優(yōu)異的高溫耐熱性，均無(wú)粘手、起泡、流淌等現(xiàn)象，不僅能適用于環(huán)氧瀝青鋪裝體系或SMA鋪裝體系，還能適用于澆注式瀝青鋪裝體系的高溫施工環(huán)境。

表1 環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑高溫性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of high temperature performance ofepoxy resin adhesive

2.1.3 低溫性能 將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑放置于-20、-10，-5 ℃下2 h，并將試件用金屬棒彎曲至180°，觀察有無(wú)裂紋現(xiàn)象，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑低溫性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of low temperature performance ofepoxy resin adhesive

由表2可知，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的低溫柔韌性符合要求。

2.1.4 抗?jié)B水性 將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑均勻涂布在300 mm×300 mm的牛皮紙上，表干后將其平鋪在車轍板模具底部，成型混合料后，用路面滲水儀檢測(cè)30 min后牛皮紙的透水情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑抗?jié)B水性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of impermeability ofepoxy resin adhesive

由表3可知，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑用量在0.2 kg/m2以下時(shí)，牛皮紙出現(xiàn)潮濕，防水效果較差；當(dāng)其用量達(dá)到0.3 kg/m2及以上時(shí)，防水效果良好。實(shí)際工程中，可根據(jù)橋面實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)效益，綜合確定合理的用量，但不應(yīng)低于0.3 kg/m2。

2.1.5 耐腐蝕性 將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑放置在2%NaCl溶液、2%NaOH溶液及2%H2SO4溶液中7 d，觀察表面狀況，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of corrosion resistance ofepoxy resin adhesive

由表4可知，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑無(wú)論在鹽溶液，還是堿溶液或酸溶液，均表現(xiàn)出良好的耐化學(xué)腐蝕性。

2.2 不同環(huán)境條件影響實(shí)驗(yàn)

主要對(duì)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在鹽霧環(huán)境、酸霧環(huán)境、浸水環(huán)境、凍融環(huán)境、環(huán)境溫度及放置時(shí)間等環(huán)境條件下的粘結(jié)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.2.1 鹽霧環(huán)境 采用氯化鈉溶劑配制的鹽霧溶液(pH值為6.5～7.2)，在環(huán)境箱內(nèi)通過(guò)噴灑鹽霧溶液進(jìn)行鹽霧實(shí)驗(yàn)[8]。測(cè)試鹽霧實(shí)驗(yàn)前后試件的25 ℃拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 鹽霧環(huán)境對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.3 Effect of salt spray on bonding performance of specimens

由圖3可知，隨著鹽霧實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的拉拔強(qiáng)度逐漸下降。鹽霧實(shí)驗(yàn)10 d后，其拉拔強(qiáng)度為3.71 MPa，殘留拉拔強(qiáng)度比為90.3%，表明鹽霧環(huán)境對(duì)其粘結(jié)強(qiáng)度并未有明顯影響。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，破壞薄弱面基本沒(méi)變，處于富鋅漆與鋼板之間，富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間。

2.2.2 酸霧環(huán)境 采用氯化鈉溶劑和無(wú)水亞硫酸溶劑配制的酸霧溶液(pH值為4.5)，在環(huán)境箱內(nèi)通過(guò)噴灑酸霧溶液進(jìn)行酸霧實(shí)驗(yàn)[8]。測(cè)試酸霧實(shí)驗(yàn)前后試件的25 ℃拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 酸霧環(huán)境對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.4 Effect of acid mist on bonding performance of specimens

由圖4可知，酸霧環(huán)境對(duì)試件粘結(jié)性能的影響同鹽霧環(huán)境是一致的，酸霧實(shí)驗(yàn)10 d后，其拉拔強(qiáng)度為3.69 MPa，殘留拉拔強(qiáng)度比為88.9%，同樣并不顯著。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，破壞薄弱面也基本未變。酸霧實(shí)驗(yàn)和鹽霧實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑具有良好的耐化學(xué)腐蝕性。

2.2.3 浸水環(huán)境 將試件分別置于10，25，60 ℃的恒溫水浴中浸泡一定時(shí)間，測(cè)試水浴前后試件的25 ℃拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 浸水對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.5 Effect of immersion on bonding performance of specimens

由圖5可知，試件浸水后，其拉拔強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，且浸水時(shí)間越長(zhǎng)或浸水溫度過(guò)高、過(guò)低，其拉拔強(qiáng)度就越小。10，25，60 ℃下浸水5 d后，試件的殘留拉拔強(qiáng)度比分別為89.9%，93.5%和84.4%，依舊保持良好的粘結(jié)性能。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，10 ℃和25 ℃浸水后，破壞薄弱面基本未變，但60 ℃浸水后，破壞薄弱面主要處于富鋅漆與鋼板之間及富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間。整體來(lái)看，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑受浸水的影響較小。

2.2.4 凍融環(huán)境 在氣溫較低時(shí)，雨水會(huì)在橋面鋪裝層內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)，待氣溫回升后形成凍融，降低防水粘結(jié)層的粘結(jié)強(qiáng)度。將試件飽水后放入-18 ℃冰箱保持16 h，60 ℃水浴恒定24 h，25 ℃水浴2 h，記為一個(gè)凍融循環(huán)。測(cè)試凍融循環(huán)前后試件的25 ℃拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 凍融循環(huán)對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw on bonding performance of specimens

由圖6可知，凍融循環(huán)對(duì)試件的粘結(jié)性能有一定影響，凍融循環(huán)后，其拉拔強(qiáng)度降低，且凍融循環(huán)次數(shù)越多，拉拔強(qiáng)度越小。5次凍融循環(huán)后，其殘留拉拔強(qiáng)度比依然可以達(dá)到80%以上。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，凍融后試件的破壞薄弱面主要處于富鋅漆與鋼板之間及富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間。說(shuō)明環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑能很好地抵御凍融循環(huán)對(duì)其粘結(jié)性能帶來(lái)的破壞。

2.2.5 環(huán)境溫度 溫度升高，防水粘結(jié)材料逐漸變軟，溫度下降，防水粘結(jié)材料逐漸變脆，這都將影響其粘結(jié)性能[10]。測(cè)試不同環(huán)境溫度下試件的拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 環(huán)境溫度對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.7 Effect of temperature on bonding performance of specimens

由圖7可知，環(huán)境溫度會(huì)顯著影響試件的粘結(jié)性能，當(dāng)溫度從10 ℃上升至20 ℃時(shí)，其拉拔強(qiáng)度略有增大；當(dāng)溫度>30 ℃時(shí)，其拉拔強(qiáng)度逐漸下降。60 ℃時(shí)試件的拉拔強(qiáng)度降至1.18 MPa，70 ℃時(shí)降至0.78 MPa，高溫下其殘留拉拔強(qiáng)度比僅為30%～40%。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，10～30 ℃時(shí)，試件的破壞薄弱面處于富鋅漆與鋼板之間、富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間；而高溫下，試件的破壞薄弱面主要在富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間。說(shuō)明自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能隨著溫度的升高而逐漸降低，表現(xiàn)出較明顯的感溫性。不過(guò)即使在70 ℃下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能仍能滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2.2.6 放置時(shí)間 將試件放置于戶外，模擬防水粘結(jié)層在自然條件下受到陽(yáng)光、溫度、空氣、降雨等各種環(huán)境變化的影響。測(cè)試放置不同時(shí)間后試件的25 ℃拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 放置時(shí)間對(duì)試件粘結(jié)性能的影響Fig.8 Effect of placing time on bonding performance of specimens

由圖8可知，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的拉拔強(qiáng)度并未出現(xiàn)明顯衰減，放置180 d后，其拉拔強(qiáng)度為3.61 MPa，殘留拉拔強(qiáng)度比依然高達(dá)85%以上。從拉拔實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象來(lái)看，破壞薄弱面同樣處于富鋅漆與鋼板之間、富鋅漆與環(huán)氧樹脂之間或混合料與拉拔頭之間。上述結(jié)果也從側(cè)面反映出環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑具有良好的耐久性。

3 結(jié)論

環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑具有良好的力學(xué)性能、高溫性能、低溫性能、抗?jié)B水性、耐腐蝕性和粘結(jié)性能，其各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求。常溫下環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的拉拔強(qiáng)度可達(dá)4.0 MPa以上，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的粘結(jié)性能。隨著環(huán)境溫度升高，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能隨之下降，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到60 ℃以上時(shí)，其殘留強(qiáng)度比僅為30%～40%。而溫度過(guò)低同樣將影響環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能，但并不顯著。環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在不同環(huán)境條件下(鹽霧環(huán)境、酸霧環(huán)境、浸水環(huán)境、凍融環(huán)境)均表現(xiàn)出優(yōu)異的粘結(jié)性能。放置時(shí)間對(duì)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能影響也較小，表現(xiàn)出良好的耐久性。整體而言，不同環(huán)境條件下，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)性能完全能滿足鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層的使用要求。