界面狀況對(duì)鋼橋面環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層的影響研究

魯國(guó)烽 趙鋒軍 陳宇博 洪邵友

摘要：為探究施工界面狀況對(duì)鋼橋面環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層施工質(zhì)量的影響，文章分析了不同濕度、灰層含量對(duì)防水粘結(jié)層拉拔強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：相對(duì)濕度和刮涂時(shí)間對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響比較明顯，在同一時(shí)間下，隨著相對(duì)濕度的增加，拉拔強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);同一濕度條件下，拉拔強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而逐漸減小;環(huán)氧防水粘結(jié)層對(duì)于界面灰塵較為敏感，拉拔強(qiáng)度會(huì)隨著界面灰層含量的增加隨之減小，當(dāng)灰塵含量在10 g/m2以下時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降緩慢，而當(dāng)灰塵含量大于10 g/m2時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降明顯。

關(guān)鍵詞：防水粘結(jié)層;環(huán)氧樹(shù)脂;施工界面狀況;相對(duì)濕度;灰塵

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.31A381363

0 引言

對(duì)于鋼橋面鋪裝體系而言，瀝青層與鋼橋面板的有效粘結(jié)十分重要。為保證鋼橋面板與鋪裝層能協(xié)同受力，通常在鋪裝層和鋼橋面板之間鋪設(shè)防水粘結(jié)層。防水粘結(jié)層除了具備“承上啟下”的粘結(jié)作用外，還需具備防水防銹功能，為鋼橋面板提供一層無(wú)滲透的屏障。由鋼橋面防水粘結(jié)層功能喪失引發(fā)鋪裝體系病害的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，國(guó)外如美國(guó)的Mackay Rioniterio大橋及澳大利亞西門(mén)橋。分析其原因，主要是防水粘結(jié)層的粘結(jié)能力下降導(dǎo)致鋼橋面同鋪裝層發(fā)生相對(duì)位移。國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層性能的研究主要集中在評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層的力學(xué)性能、低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、不透水性、耐腐蝕性、吸水性、抗凍性以及耐疲勞性能等方面，并將研究成果用于評(píng)價(jià)防水粘結(jié)層性能的好壞，如黃衛(wèi)等人采用拉拔、拉剪強(qiáng)度作為南京長(zhǎng)江二橋防水粘結(jié)層檢測(cè)依據(jù)[3]，余叔藩等人采用粘附力指標(biāo)評(píng)價(jià)虎門(mén)大橋防水粘結(jié)層的性能等[4]。

在刮涂環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)材料之前，需要對(duì)鋼橋面板進(jìn)行噴砂除銹，噴砂除銹達(dá)到技術(shù)要求等級(jí)后，鋼橋面板直接暴露在空氣中，與空氣中的水分、灰層等接觸，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，噴砂除銹后的鋼橋面板色澤會(huì)由光亮明潔逐漸變暗，易導(dǎo)致二次返銹，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層的強(qiáng)度造成影響。在《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG T3364-02-2019）中規(guī)定，當(dāng)噴砂除銹達(dá)到粗糙度和清潔度要求后，4 h內(nèi)必須刮涂防水材料，并未就施工時(shí)的濕度、鋼橋面板的納灰能力做出明確說(shuō)明。

1 濕度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層強(qiáng)度的影響分析

參考某地氣象局公布的資料，年平均相對(duì)濕度76%，春季相對(duì)濕度最高，冬季相對(duì)濕度最低，結(jié)合某地工程施工時(shí)所處的季節(jié)，實(shí)測(cè)相對(duì)濕度最大可以達(dá)到90%，最小為45%，探究濕度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層強(qiáng)度的影響，可以設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用角磨機(jī)打磨30 cm×30 cm尺寸的鋼板，使其達(dá)到Sa2.5級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)噴砂除銹等級(jí);用砂紙打磨拉拔試件底面2～3 min，然后用潔凈棉布擦干。

（2）將鋼板分別放置在相對(duì)濕度50%、60%、70%、80%、90%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中，每一組濕度共放置10塊鋼板，溫度控制在30 ℃。

（3）按照放入養(yǎng)護(hù)室時(shí)間0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h在鋼板上依次刮涂43.2 g環(huán)氧防水粘結(jié)材料，每組時(shí)間設(shè)置2塊鋼板，每塊鋼板放置10個(gè)拉拔試件。

（4）養(yǎng)護(hù)3 d，測(cè)試?yán)螐?qiáng)度。

拉拔強(qiáng)度測(cè)試方法如下：

環(huán)氧防水粘結(jié)層拉拔試驗(yàn)采用專(zhuān)用拉拔試驗(yàn)儀，其試驗(yàn)原理如圖1所示，拉拔試件圓形拉頭面積為500 mm2，當(dāng)對(duì)拉拔試件施加豎直荷載力F時(shí)，按式（1）計(jì)算拉拔強(qiáng)度：

P=F/S（1）

式中：P——試件的拉拔強(qiáng)度，MPa;

F——對(duì)拉拔試件施加的最大荷載，N;

S——拉拔頭粘結(jié)面面積，500 mm2;

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)散點(diǎn)圖處理可得到圖2～6。

按照狄克遜準(zhǔn)則和修正后的貝賽爾公式計(jì)算不同濕度條件下、不同放置時(shí)間的拉拔強(qiáng)度代表值，取顯著度α=0.05，得到表1及圖7。

可以看出，相對(duì)濕度和刮涂時(shí)間對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響比較明顯。在同一時(shí)間下，隨著相對(duì)濕度的增加，拉拔強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);同一濕度條件下，拉拔強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而逐漸減小。在前3 h內(nèi)，各濕度條件下的拉拔強(qiáng)度值變化并不明顯，以相對(duì)濕度50%和90%的強(qiáng)度為例，相對(duì)濕度由50%增加至90%時(shí)，拉拔強(qiáng)度最高損失12.6%，但4 h和5 h的拉拔強(qiáng)度值區(qū)別較大，相對(duì)濕度50%、60%、70%下的強(qiáng)度變化曲線(xiàn)大致相同，4 h和5 h強(qiáng)度值基本相同，均大于要求的4 MPa，相對(duì)濕度80%、90%的強(qiáng)度值均小于4 MPa的要求。以相對(duì)濕度50%和90%在4 h和5 h的拉拔強(qiáng)度作比較，4 h的強(qiáng)度由4.12 MPa降至3.12 MPa，強(qiáng)度損失24.3%，5 h的強(qiáng)度由4.14 MPa降至2.88 MPa，強(qiáng)度損失30.4%，較前3 h強(qiáng)度損失明顯。

將各濕度不同時(shí)間下的拉拔強(qiáng)度通過(guò)數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行回歸分析，擬合的函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)表2，其中t表示時(shí)間（h），y表示拉拔強(qiáng)度（ MPa）。

2 灰塵對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層強(qiáng)度的影響分析 鋼橋面的層間不良粘結(jié)易導(dǎo)致剪切滑移及推移病害，在鋼橋面鋪裝施工中發(fā)現(xiàn)：鋼橋面板與防水粘結(jié)層接觸處易受到灰塵的干擾，如懸浮在空氣中的灰塵顆粒及施工車(chē)輛的揚(yáng)塵等，這些因素都會(huì)造成層間的污染和粘結(jié)不良，從而影響鋪裝層的使用性能。探討鋼橋面板-環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層界面的灰塵含量對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響程度，即環(huán)氧防水粘結(jié)層的納灰能力很有必要。

2.1 試驗(yàn)步驟

（1）用角磨機(jī)打磨30×30 cm鋼板8塊，用潔凈棉布擦拭干凈;用砂紙打磨拉拔試件底面2～3 min，用潔凈棉布擦干。

（2）在鋼板上均勻撒布收集到的粒徑為0.3 mm以下路面灰塵0 g/m2、5 g/m2、10 g/m2、15 g/m2、20 g/m2，每組灰塵放置2塊鋼板。

（3）在鋼板上依次刮涂43.2 g環(huán)氧防水粘結(jié)材料，每塊鋼板放置10個(gè)拉拔試件，放入30 ℃烘箱中養(yǎng)護(hù)。

（4）養(yǎng)護(hù)3 d以后，測(cè)試?yán)螐?qiáng)度，計(jì)算方法同式（1）。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)散點(diǎn)圖處理可得到圖8。

按照狄克遜準(zhǔn)則和修正后的貝賽爾公式計(jì)算不同灰塵含量情況下的拉拔強(qiáng)度代表值，取顯著度α=0.05，得到表3：

為使灰塵含量對(duì)環(huán)氧防水粘結(jié)層拉拔強(qiáng)度的影響更加明顯，將拉拔強(qiáng)度和灰塵含量關(guān)系繪制如圖9。

從圖中可以看出，隨著灰塵含量的增加，環(huán)氧防水粘結(jié)層拉拔強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)灰塵含量在0～10 g/m2時(shí)，曲線(xiàn)變化較為平緩，從10 g/m2開(kāi)始至20 g/m2，曲線(xiàn)下降趨勢(shì)明顯，下降幅度達(dá)到49.15%，且灰塵含量達(dá)到20 g/m2時(shí)，環(huán)氧防水粘結(jié)層的拉拔強(qiáng)度則下降到4 MPa以下，不符合設(shè)計(jì)的要求。

將5種灰塵含量的破壞界面進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論：0 g灰塵時(shí)，破壞界面為鋼板—防水粘結(jié)層，且破壞界面鋼板面積占到95%以上;5 g/m2灰塵破壞界面為鋼板—防水粘結(jié)層，破壞界面鋼板防水粘結(jié)層占50%，防水粘結(jié)層占50%;10 g/m2灰塵破壞界面為鋼板—防水粘結(jié)層，破壞界面鋼板防水粘結(jié)層占30%，防水粘結(jié)層占70%;15 g/m2破壞界面為鋼板—防水粘結(jié)層，破壞界面防水粘結(jié)層占90%以上;20 g/m2破壞界面為防水粘結(jié)層內(nèi)聚破壞，即防水粘結(jié)層占100%，且破壞界面能明顯看見(jiàn)灰塵顆粒。由于灰塵的存在，不利于固化后的環(huán)氧樹(shù)脂形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或使固化物交聯(lián)密度下降，導(dǎo)致在環(huán)氧樹(shù)脂與鋼橋面板之間形成軟弱界面層，使得拉拔強(qiáng)度會(huì)隨著灰塵含量的增加而下降。

環(huán)氧防水粘結(jié)層對(duì)于界面灰塵較為敏感，拉拔強(qiáng)度會(huì)隨著界面灰層含量的增加隨之減小，灰塵含量在10 g/m2以下時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降緩慢，灰塵含量大于10 g/m2時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降明顯;同時(shí)也具備一定的納灰能力，當(dāng)界面灰塵在15 g/m2以下時(shí)，環(huán)氧防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度始終能保持4 MPa以上。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析施工界面狀況對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層施工質(zhì)量影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）相對(duì)濕度和刮涂時(shí)間對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響比較明顯，在同一時(shí)間下，隨著相對(duì)濕度的增加，拉拔強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);同一濕度條件下，拉拔強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，并得到了不同濕度下拉拔強(qiáng)度同時(shí)間的回歸方程。

（2）環(huán)氧防水粘結(jié)層對(duì)于界面灰塵較為敏感，拉拔強(qiáng)度會(huì)隨著界面灰層含量的增加隨之減小，灰塵含量在10 g/m2以下時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降緩慢，灰塵含量>10 g/m2時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降明顯，同時(shí)也具備一定的納灰能力;當(dāng)界面灰塵在15 g/m2以下時(shí)，環(huán)氧防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度始終能保持4 MPa以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]許 穎.鋼橋面鋪裝使用情況調(diào)查及病害分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[2]JTG T3364-02-2019，公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]黃 衛(wèi)，錢(qián)振東，程 剛.大跨徑鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝研究[J].科學(xué)通報(bào)，2002，47（24）：1 894-1 895.

[4]余叔藩，陳仕周，陳獻(xiàn)南.大跨徑懸索橋鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1998（3）：34-35.

[5]丁振良.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2015.

[6]陳 平，劉勝平，王德中.環(huán)氧樹(shù)脂及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7]張大斌.超薄環(huán)氧面層在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

[8]魏 濤，董建軍.環(huán)氧樹(shù)脂在水工建筑物中的應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[9]趙鋒軍，魯國(guó)烽，陳修和，等.鋼橋面鋪裝環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層施工質(zhì)量控制[J].公路與汽運(yùn)，2015（6）：177-180.

[10]趙鋒軍，李宇峙，易偉建，等.鋼橋面鋪裝環(huán)氧防水粘結(jié)層材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].公路，2006（7）：81-84.

[11]陳仕周，閆東波，等.鋼橋面澆筑式瀝青混凝土鋪裝技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2015.

收稿日期：2020-05-10