自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)性能的影響因素及其施工工藝

盛興躍，劉 攀,2，李 璐，郝增恒,3

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336； 2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

0 引 言

鋼橋面鋪裝層一般由防腐層、防水黏結(jié)層及瀝青混凝土鋪裝層等構(gòu)成，其中防水黏結(jié)層對整個(gè)鋪裝結(jié)構(gòu)具有重大意義[1]。防水黏結(jié)層起到防水的作用，保護(hù)鋼橋面板不受水汽的侵蝕，同時(shí)也將瀝青混凝土鋪裝層與鋼橋面板黏結(jié)成整體，共同承受行車荷載和環(huán)境條件的綜合作用。然而，防水黏結(jié)層也是橋面鋪裝體系中最薄弱的環(huán)節(jié)，一旦防水黏結(jié)層失效，將導(dǎo)致瀝青混凝土鋪裝層出現(xiàn)局部脫落，在行車荷載和環(huán)境的反復(fù)作用下，發(fā)生一系列病害，并迅速擴(kuò)展，最終使橋面鋪裝層喪失通行能力[2]。

目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的防水黏結(jié)層材料主要分為熱固性黏結(jié)材料、溶劑型黏結(jié)材料和熱熔性黏結(jié)材料，包括改性瀝青、橡膠瀝青、改性乳化瀝青、MMA防水體系材料、環(huán)氧類防水黏結(jié)材料等[3-7]。其中，環(huán)氧類防水黏結(jié)劑是一種高性能防水黏結(jié)層材料，具有比瀝青類防水黏結(jié)劑更好的防水能力、層間結(jié)合力、高溫穩(wěn)定性和使用耐久性[8-10]。該黏結(jié)劑一般由2種組分組成，使用時(shí)將其混合均勻，養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間才能形成最終強(qiáng)度，并且其強(qiáng)度在不同環(huán)境下也有差別[11]。環(huán)氧類防水黏結(jié)材料的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能太長，否則不利于開放交通；也不能太短，否則無法順利施工。同時(shí)，環(huán)氧類防水黏結(jié)材料在不同環(huán)境下應(yīng)保持良好的黏結(jié)強(qiáng)度?；诖?，本文針對自主研發(fā)的環(huán)氧防水黏結(jié)劑，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和不同環(huán)境條件對其黏結(jié)性能的影響，以期為其推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)原材料與評價(jià)方法

1.1 自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的性能

選擇重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司自主研發(fā)的環(huán)氧樹脂防水黏結(jié)劑，由主劑和固化劑兩部分組成，其固化后的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。可以看出，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑具有優(yōu)異的拉伸性能、低溫柔韌性、高溫耐熱性、耐酸堿性、不透水性及抗施工損傷性能，能夠滿足防水黏結(jié)層的施工和使用要求。

1.2 試驗(yàn)方法

對于橋面鋪裝防水黏結(jié)層材料，黏結(jié)性能是最重要的性能之一。目前，橋面鋪裝防水黏結(jié)層材料的黏結(jié)性能主要通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)來評價(jià)，即測試混凝土與鋼板、混凝土與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度，即拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。其中，拉拔強(qiáng)度主要表征防水黏結(jié)層在垂直方向的黏結(jié)性能，剪切強(qiáng)度主要表征防水黏結(jié)層在水平方向的抗剪性能。拉拔和剪切試驗(yàn)的示意分別如圖1、2所示。

表1 自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

圖1 拉拔試驗(yàn)示意

圖2 剪切試驗(yàn)示意

準(zhǔn)備若干塊100 mm×100 mm的鋼板，噴砂除銹，使其潔凈度與粗糙度滿足Sa2.5的要求。先在鋼板上均勻地涂1層環(huán)氧富鋅漆，再涂1層自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑，隨后用輪碾法加鋪50 mm厚的環(huán)氧瀝青混凝土EA10，在不同溫度下養(yǎng)護(hù)不同的時(shí)間。養(yǎng)護(hù)完畢，將其放置在不同環(huán)境條件中保溫4 h以上，通過萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果科學(xué)、有效，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)后取平均值。

2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對黏結(jié)性能的影響

將試件在常溫(25 ℃)下分別養(yǎng)護(hù)1、2、3、4、5、6 d，并在常溫下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 試驗(yàn)經(jīng)過不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間后的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)經(jīng)過不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間后的剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖3、4表明：試件的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增大，而后趨于穩(wěn)定；在養(yǎng)護(hù)5 d后，試件的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別達(dá)到3.3 MPa和4.9 MPa，此時(shí)自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的組分充分反應(yīng)，其黏結(jié)強(qiáng)度基本達(dá)到峰值；繼續(xù)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，試件的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定，這是由于組分反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，黏結(jié)強(qiáng)度不會(huì)再隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增大。可以看出，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑具有優(yōu)異的黏結(jié)性能，其適宜的常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間為5 d。

3 環(huán)境條件對黏結(jié)性能的影響

3.1 養(yǎng)護(hù)溫度的影響

分別在10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下養(yǎng)護(hù)試件，考察其形成最終拉拔強(qiáng)度(3.2±0.2)MPa和剪切強(qiáng)度(4.9±0.2)MPa的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同養(yǎng)護(hù)溫度下試件形成最終黏結(jié)強(qiáng)度所需的時(shí)間

從表2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑形成最終黏結(jié)強(qiáng)度的時(shí)間逐漸縮短。一方面，養(yǎng)護(hù)溫度越高，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的組分反應(yīng)越快速，形成最終黏結(jié)強(qiáng)度的時(shí)間越短；另一方面，養(yǎng)護(hù)溫度過低，形成最終黏結(jié)強(qiáng)度所需的時(shí)間過長，不利于下一步施工及開放交通。因此，建議自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的養(yǎng)護(hù)溫度高于10 ℃。

3.2 環(huán)境溫度的影響

將完全固化的試件置于10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃下保溫4 h以上，測試其拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同環(huán)境溫度下試件的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同環(huán)境溫度下試件的剪切試驗(yàn)結(jié)果

從圖5、6可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，試件的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度最大，其拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別達(dá)到3.5 MPa和5.2 MPa。自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑在低溫時(shí)會(huì)變脆，而在高溫時(shí)則變軟，這都將導(dǎo)致其黏結(jié)強(qiáng)度下降。在高溫時(shí)節(jié)，鋼橋面鋪裝層的溫度會(huì)達(dá)到60 ℃，甚至更高，這就對防水黏結(jié)劑的黏結(jié)性能提出了苛刻的要求。自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑在60 ℃下的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都大于1 MPa，表明其在高溫下具有比普通防水黏結(jié)材料更優(yōu)異的黏結(jié)性能。

3.3 浸水及凍融的影響

為了模擬浸水對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)性能的影響，把完全固化的試件分別置于10 ℃、25 ℃和60 ℃的恒溫水浴中浸泡24 h、48 h和72 h，在常溫下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 浸水對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)度的影響

表3表明，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑浸水后，拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均略有下降，浸水時(shí)間長或溫度過高、過低，其黏結(jié)強(qiáng)度殘留率就小。整體來看，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑受浸水的影響較小。

為了模擬凍融對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)性能的影響，以完全固化的試件置于25 ℃下水浴6 h、然后在-18 ℃下冰凍24 h為1個(gè)凍融循環(huán)，分別經(jīng)過1、2、3、4個(gè)凍融循環(huán)后，在常溫下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 凍融對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由表4可知:凍融對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度有一定影響，凍融循環(huán)后，其拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都降低；4個(gè)凍融循環(huán)后，其拉拔強(qiáng)度殘留率和剪切強(qiáng)度殘留率依然可以達(dá)到80%以上，說明自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)性能受凍融的影響并不顯著。

4 自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的施工工藝

4.1 施工環(huán)境要求

(1)施工基面必須保持干燥、潔凈、無異物、無油污、無灰塵。

(2)遇下雨、下雪或結(jié)露等天氣時(shí)，嚴(yán)禁施工。

(3)基體溫度必須高于露點(diǎn)3 ℃，同時(shí)大氣相對濕度不得大于85%，環(huán)境溫度需在10 ℃～50 ℃。

4.2 防水黏結(jié)層施工

4.2.1 施工準(zhǔn)備

自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑由主劑和固化劑組成，使用前按1∶1的質(zhì)量比將主劑和固化劑倒入混合容器里，手持電動(dòng)攪拌器攪拌30～60 s，讓2種組分充分混合均勻。若主劑和固化劑的保管場所或施工現(xiàn)場的溫度低于20 ℃，需將其加熱到20 ℃～30 ℃后方可使用。

4.2.2 防水黏結(jié)層的施工

施工的方法有機(jī)械噴灑或人工使用滾筒毛刷涂布，用量為0.35～0.45 kg·m-2。必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)距離均勻噴涂，以防多噴或漏噴。此外，為防止黏結(jié)劑在噴灑時(shí)飛散到噴灑范圍以外，應(yīng)適當(dāng)設(shè)置擋板。在噴涂時(shí)，操作員應(yīng)注意安全，穿戴好風(fēng)鏡、防塵面罩、圍巾、橡膠手套及圍裙等，保證皮膚不直接與外部空氣接觸。

主劑和固化劑從混合到噴灑(涂抹)結(jié)束所需的時(shí)間必須控制在一定范圍內(nèi)(即可使用時(shí)間)。特別是夏季高溫時(shí)，主劑和固化劑的液溫可上升到30 ℃左右，此時(shí)必須在60 min內(nèi)完成噴涂工作。自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的可使用時(shí)間如表5所示。此外，在主劑和固化劑的保管場所乃至噴涂現(xiàn)場，也應(yīng)視情況進(jìn)行一定的遮光處理，防止液溫過度上升。

表5 不同氣溫下自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的可使用時(shí)間

4.3 防水黏結(jié)層養(yǎng)生

灑布后，需對防水黏結(jié)層進(jìn)行養(yǎng)生，直到確定自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑已達(dá)到所需的固化程度(即不粘手狀態(tài))。如果養(yǎng)生狀態(tài)達(dá)到要求，按照常規(guī)施工方法攤鋪混合料，否則需要繼續(xù)養(yǎng)生。固化后的黏結(jié)劑會(huì)被剛攤鋪的混合料熔化，通過碾壓可使橋面板和下面層、上面層和下面層之間牢固地黏結(jié)。如果養(yǎng)生時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)力下降。在不同溫度下，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的養(yǎng)生天數(shù)不同，如表6所示。一旦超過有效期限，就需要重新噴涂黏結(jié)劑。如果施工過程或養(yǎng)生過程中可能出現(xiàn)下雨、降雪等天氣，則必須停止施工。

表6 不同溫度下自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的養(yǎng)生天數(shù)

5 結(jié) 語

本文考察了養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度及環(huán)境溫度、浸水與凍融等環(huán)境條件對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑黏結(jié)性能的影響，并闡述了施工工藝，主要得到如下結(jié)論。

(1)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度有重大影響，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，其拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨之上升，在常溫下固化5 d左右，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大；養(yǎng)護(hù)溫度越高，其強(qiáng)度形成越快，建議養(yǎng)護(hù)溫度高于10 ℃。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時(shí)，自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的黏結(jié)性能將下降，20 ℃左右時(shí)表現(xiàn)出較高的黏結(jié)強(qiáng)度，其拉拔剪切強(qiáng)度分別達(dá)到3.53 MPa和5.23 MPa；浸水及凍融對其黏結(jié)性能的影響較小，這表明自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑在外界環(huán)境的作用下依然能保持良好的黏結(jié)性能。

(3)需嚴(yán)格按規(guī)定的施工工藝做好防水黏結(jié)層的施工和養(yǎng)護(hù)，確保施工質(zhì)量。

(4)下一步研究可考慮將自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑的綜合性能與日本的環(huán)氧黏層油、美國的環(huán)氧黏結(jié)劑進(jìn)行對比，并系統(tǒng)地評價(jià)自制環(huán)氧防水黏結(jié)劑在鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)中的黏結(jié)性能。