九江長江大橋防銹粘結(jié)層粘結(jié)性能試驗研究

楊亞林，薛永超，錢振東，錢宇峰，桂 鑫

(1.江西贛鄂皖路橋投資有限責(zé)任公司，江西 九江 332099； 2.東南大學(xué) 智能交通運輸系統(tǒng)研究中心, 江蘇 南京 211189； 3.江西省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，江西 南昌 330096)

鋼橋因其自重輕、結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點，逐漸成為我國水上過江通道的主要選擇形式，而鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)與使用性能是影響過江通道交通通行質(zhì)量的直接影響因素[1]。有研究表明，大量鋼橋面鋪裝層在未達到設(shè)計使用壽命的情況下，就開始發(fā)生不同程度的推擠、脫層等病害[2-4]，而鋼橋面與鋪裝層的粘結(jié)力不足是很多鋼橋面鋪裝產(chǎn)生上述病害的主要原因之一。脫層出現(xiàn)后鋪裝層將迅速開裂，導(dǎo)致水分和空氣進入，造成鋼橋面板銹蝕，危害結(jié)構(gòu)安全[5-6]。

鋼橋瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)對層間粘結(jié)材料提出了較高要求，為加強鋼橋面板與鋪裝層材料間的粘結(jié)作用，國內(nèi)外學(xué)者就此展開了相關(guān)研究。王勝[7]等測試了防水材料的粘結(jié)性能在不同溫度下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高其粘結(jié)性能將明顯降低；Mo[8]等研究了正交異性鋼橋面環(huán)氧瀝青層鋪裝的力學(xué)性能，表明鋼板與環(huán)氧粘結(jié)劑的粘結(jié)強度和溫度之間顯著相關(guān)。孫建邦[9]等建立了移動荷載作用下防水粘結(jié)層的仿真模型，模擬實際情況下車輛行駛過程，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)層最大剪應(yīng)力受瀝青鋪裝層模量、粘結(jié)層厚度的變化影響較小。上述研究對鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中防水粘結(jié)材料的選擇、層間結(jié)構(gòu)設(shè)計及層間處治方式等提供了重要依據(jù)。

鋼橋面的防銹粘結(jié)層是聯(lián)結(jié)鋼橋面板與鋪裝結(jié)構(gòu)的重要功能層，主要由提供防銹能力的防腐底漆與提供防水保護、層間粘結(jié)作用的防水粘結(jié)材料組成[10]。由于不同的鋼橋面鋪裝材料具有不同的施工工藝，適當(dāng)選用防銹粘結(jié)材料及在施工前根據(jù)鋪裝材料特性對粘層進行針對性的性能驗證是保證施工質(zhì)量與鋪裝壽命的重要手段[11]。九江長江大橋結(jié)構(gòu)改造工程是國內(nèi)第一次公鐵兩用大橋的整體結(jié)構(gòu)改造工程，采用“上層SMA，下層熱拌EA”作為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，施工時溫度較高，可達180 ℃左右，故在施工之前，應(yīng)設(shè)計組織試驗確定粘結(jié)層最佳用量，驗證防銹粘結(jié)層的抗高溫性能，研究粘結(jié)劑在受到水損害后力學(xué)性能的劣化規(guī)律。本文以九江長江大橋所使用的“環(huán)氧富鋅漆+環(huán)氧粘層油”組成的防銹粘結(jié)層作為研究對象，考察環(huán)氧粘結(jié)劑用量范圍，提出一種施工階段驗證防銹粘結(jié)層的抗高溫性能的檢測方法，并對其粘結(jié)性能進行試驗研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

本項目采用“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是一種長壽命橋面瀝青鋪裝方案，由性能優(yōu)異的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝下層作為防水保護基層，與環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層一起形成安全的防水粘結(jié)體系和承重層，為鋪裝磨耗層提供穩(wěn)定的鋪裝基礎(chǔ)和可靠的鋪裝界面；改性SMA作為橋面鋪裝的磨耗層，可以提供較好的表面抗滑性能，高溫抗車轍性能，從而提供舒適、安全的行車環(huán)境。

圖1 “下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

本項目使用長沙雙洲防腐材料有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧富鋅底漆作為防腐底漆。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 環(huán)氧富鋅漆技術(shù)指標(biāo)Table1 Technicalindexesofepoxyzincrichpaint類別不揮發(fā)分/%不揮發(fā)分中金屬鋅含量/%涂膜外觀表干時間/h實干時間/h耐沖擊性/cm附著力/MPa檢驗結(jié)果7178正常<1<18≥50≥6技術(shù)要求≥70≥70—≤1≤24506

環(huán)氧黏層油由環(huán)氧樹脂與固化劑按照1∶1的比例配制，在鋼橋面鋪裝中作為環(huán)氧富鋅漆與環(huán)氧瀝青鋪裝層之間的粘結(jié)劑，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 環(huán)氧粘層油技術(shù)指標(biāo)Table2 Technicalindexesofepoxytackcoatoil檢驗項目抗拉強度(23℃)/MPa破壞延伸率(23℃)/%與鋼板的粘結(jié)強度(23℃)/MPa與鋼板的剪切強度(25℃)/MPa荷載作用下的熱撓曲溫度/℃吸水率(7d,20℃)/%不透水性(0.3MPa)/30min檢驗結(jié)果7.96193.84.3-160.15不滲水技術(shù)要求≥6.9≥190≥3.0≥3.5-18～15≤0.3不滲水

從上述檢測結(jié)果可以看出，本項目使用的鋪裝結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能與耐用性能優(yōu)異，但防銹-粘結(jié)材料的常規(guī)檢測指標(biāo)中沒有體現(xiàn)出材料的抗高溫特性，為了保證施工工期不延誤、鋪裝工作順利進行，同時為了保證鋪裝結(jié)構(gòu)的服役時間，本文提出以下方法作為施工前針對防銹-粘結(jié)材料的耐高溫性能檢驗的手段。

1.2 試驗方案

使用與鋼橋面板同標(biāo)號的鋼材，尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，表面經(jīng)過噴砂除銹處理，使其清潔等級達到Sa 2.5級，粗糙度為Rz40～80 μm，先后在鋼板表面涂刷環(huán)氧富鋅漆、環(huán)氧粘層油，在車轍板模具內(nèi)輪碾成型下面層環(huán)氧瀝青混凝土，制備“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合體系試件。

常規(guī)試驗包括剪切試驗與拉拔試驗，復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗使用的儀器為萬能試驗機UTM，試驗首先將試件橫置在剪切試驗專用夾具內(nèi)，并提供恒定的側(cè)向力保證試件處于夾緊狀態(tài)，然后在豎直方向施加荷載，加載方式采用位移控制，剪切速率為10 mm/min。剪切試驗具體示意見圖2、圖3。

圖2 層間剪切試驗圖

圖3 萬能試驗機UTM

拉拔試驗使用的儀器為橋面鋪裝專用拉拔儀。參考美國標(biāo)準(zhǔn)試驗方法ASTMD 638，拉拔儀加載方式采用位移控制，加載速率為10 mm/min。拉拔試驗具體示意見圖4、圖5。

圖4 復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試件

圖5 橋面鋪裝專用拉拔儀

2 粘結(jié)劑最佳用量

考慮到工程經(jīng)濟與施工標(biāo)準(zhǔn)，通過改變環(huán)氧富鋅漆-環(huán)氧粘層油”防銹粘結(jié)體系的涂布量，按1.2所示步驟制作“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合體系試件，測試其拉拔強度與剪切強度(見表3)，確定粘結(jié)劑最佳用量。

表3復(fù)合體系剪切試驗與拉拔試驗結(jié)果Table3 Sheartestanddrawingtestresultsofcompositesystem用量/(L·m-2)編號剪切強度/MPa剪切強度均值/MPa拉拔強度/MPa拉拔強度均值/MPa破壞位置1-12.924.56粘結(jié)層0.31-22.902.944.734.57粘結(jié)層1-33.004.42粘結(jié)層2-13.145.20粘結(jié)層0.42-23.083.114.985.07粘結(jié)層2-33.125.03粘結(jié)層3-13.105.02粘結(jié)層0.53-23.193.125.105.11粘結(jié)層3-33.075.22粘結(jié)層4-13.025.13粘結(jié)層0.64-23.063.075.045.12粘結(jié)層4-33.135.19粘結(jié)層5-13.015.09粘結(jié)層0.75-23.083.064.924.96粘結(jié)層5-33.084.87粘結(jié)層

2.1 剪切強度

“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合體系結(jié)構(gòu)剪切試驗強度的散點圖如下，為了進一步研究剪切強度隨粘結(jié)料用量變化的趨勢，對剪切強度與粘結(jié)料用量進行線性回歸，得到其回歸方程與相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖6所示，x，y分別為擬合方程的變量與自變量。

圖6 不同粘結(jié)料用量下復(fù)合體系剪切強度

由表3可見，在粘結(jié)材料用量大于0.4 L/m2時，層間剪切強度較高，最大剪切強度為3.12 MPa。但層間剪切強度對粘結(jié)材料的用量并不敏感，這主要是由于層間剪切強度受到上、下層表面的摩擦狀況影響較大。因此，在具體施工過程中，除了有效撒布粘結(jié)材料外，還應(yīng)從級配設(shè)計角度及其他角度出發(fā)，盡可能增大下層表面與上層底邊的粗糙程度，加大層間的摩擦性能，提高層間粘結(jié)性能。根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗結(jié)果，從粘結(jié)層剪切性能的角度出發(fā)，粘結(jié)材料的用量應(yīng)不低于0.4 L/m2。

對拉拔強度與粘結(jié)料用量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二次多項式模型能較好地擬合數(shù)據(jù)，回歸方程如下：

y=-3x2+3.2x+2.27，

判定系數(shù)R2=0.805 8。

回歸模型峰值出現(xiàn)在粘結(jié)料用量為0.53 L/m2時，此時復(fù)合體系的剪切強度為3.12 MPa。

2.2 拉拔強度

“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合體系結(jié)構(gòu)拉拔試驗強度與粘結(jié)料用量的相關(guān)性分析如圖7所示，由拉拔試驗結(jié)果可知，層間拉拔性能隨粘結(jié)料用量的變化有較明顯的差異，拉拔強度隨著粘結(jié)料用量的增加呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢，其中當(dāng)粘結(jié)料用量為0.5～0.6 L/m2時，層間拉拔性能較好；拉拔強度值均大于2 MPa，其中在0.6 kg/m2用量時達到最大拉拔強度值為2.27 MPa。

圖7 不同粘結(jié)料用量下復(fù)合體系拉拔強度

剪切強度與粘結(jié)料用量的回歸方程如下：y=-9.642 9x2+10.473x+2.333 1，判定系數(shù)R2=0.938 5?；貧w模型的峰值出現(xiàn)在粘結(jié)料用量為0.54 L/m2時，此時復(fù)合體系的剪切強度為5.18 MPa。

3 施工前防銹粘結(jié)層的抗高溫性能檢測方法

復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗是檢測鋼橋面鋪裝粘結(jié)能力的常用手段[12]，可分為室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗兩種，其中現(xiàn)場試驗為鋪裝工程試驗段施工時在鋪裝承載結(jié)構(gòu)上埋設(shè)試件，與試驗段同步施工，養(yǎng)生結(jié)束后取出試件，進行拉拔試驗，由于材料及施工工藝與現(xiàn)場攤鋪完全一致，最能反映實際鋪裝的力學(xué)行為。但環(huán)氧類材料強度形成均需要一定的時間，若完全依靠復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗驗證防銹-粘結(jié)層高溫穩(wěn)定性，試驗周期較長，在長江中下游復(fù)雜氣候條件下，可能會錯過最佳的施工時間。故本文提出分層驗證方法，分步檢測防銹-粘結(jié)層的高溫性能。

3.1 環(huán)氧富鋅漆的高溫性能檢測方法

環(huán)氧富鋅漆是鋼橋面上第一道保護層材料，若其高溫穩(wěn)定性不足，則不論鋪裝材料力學(xué)性能如何優(yōu)越，都會不可避免地導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)早期破壞[13-16]，故在涂刷環(huán)氧富鋅漆之前，應(yīng)對其高溫性能進行檢驗。

3.1.1環(huán)氧富鋅漆耐高溫性能試驗

制備尺寸為300 mm×50 mm×16 mm的鋼板，表面經(jīng)過噴砂除銹處理后噴涂環(huán)氧富鋅漆，漆膜厚度為60～80 μm，隨后靜置至完全干燥，為了模擬混合料攤鋪過程中產(chǎn)生的高溫影響，將試驗組放入180 ℃烘箱中加熱45 min，對照組置于常溫中靜置45 min，取出烘箱中的試件，冷卻至室溫后使用Positest AT-M型拉拔儀根據(jù)《色漆和清漆拉開法附著力試驗》(GBT 5210-2006)[17]中規(guī)定的方法進行拉拔強度試驗(拉拔儀與試件見圖8)，同時考慮到環(huán)氧類材料的時溫等效特性，本文還將對照組按試件室溫靜置4 d后的強度進行了檢測。

圖8 Positest AT-M型拉拔儀與試件

3.1.2試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗組與對照組的抗高溫性能試驗結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)氧富鋅漆抗高溫性能試驗結(jié)果Table4 Hightemperatureresistancetestresultsofepoxyzincrichpaint試驗對象處理情況外觀抗拉強度/MPa斷裂面情況試驗組1180℃加熱45min變化不大>16.0對照組1室溫靜置45min—6.2富鋅漆下表面剝離對照組2室溫靜置4d變化不大>16.0 注:拉拔儀量程為0～20MPa,為保護儀器,在拉力達到量程的80%時人工停止試驗。

從表4可以看出，環(huán)氧富鋅漆加熱后強度依然較高，遠高于環(huán)氧富鋅漆與鋼板的抗拉強度要求(≥5.0 MPa)，故而追究高溫作用對其絕對抗拉強度的影響程度是不必要的。

由于環(huán)氧富鋅漆的施工時間與保質(zhì)時間均較長，在驗證了抗高溫性能后，可以立即在不同工作面上連續(xù)施工，為后續(xù)工作的開展提供前提與保障。

3.2 “環(huán)氧富鋅漆-環(huán)氧粘層油”防銹粘結(jié)體系的高溫性能檢測方法

由于防銹粘結(jié)體系是結(jié)合鋼橋面與混合料的過渡層，對環(huán)氧粘層油重復(fù)“鋼板-粘層油-拉拔頭”的試驗方法不足以直接反映防銹粘結(jié)體系的粘結(jié)能力，同時考慮到九江長江大橋結(jié)構(gòu)改造工程施工組織設(shè)計施工進度安排，本文采用“鋪裝-鋼板”復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗檢測粘結(jié)體系高溫殘余粘結(jié)能力。

3.2.1復(fù)合結(jié)構(gòu)高溫殘余拉拔強度試驗

鋪面工程試驗段施工前將制備完成的鋼板試件埋置于試驗段端部，與試驗段同步涂刷環(huán)氧富鋅漆、環(huán)氧粘層油，養(yǎng)生及下面層攤鋪。試驗段下面層施工、養(yǎng)生結(jié)束后，取出鋼板，清潔表面。使用橋面鋪裝結(jié)構(gòu)專用拉拔儀分別在室溫(25±2)℃與高溫(70±2)℃下進行拉拔試驗，觀察斷面形態(tài)。同時考慮到九江長江大橋所處區(qū)位夏季多雨的氣候特性，本文還設(shè)計進行了潮濕情況下60 ℃水浴36 h后的復(fù)合結(jié)構(gòu)高溫拉拔試驗。

3.2.2試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，經(jīng)過攤鋪高溫過程后，復(fù)合結(jié)構(gòu)仍然具有較高的抗拉強度，且破壞形式主要為混合料內(nèi)部斷裂，說明本項目使用的環(huán)氧粘層油有較好的抵抗高溫作用的能力，滿足熱拌環(huán)氧瀝青混凝土的施工要求。同時，較高的試驗溫度導(dǎo)致混合料軟化，抗拉強度降低40%左右，但由于環(huán)氧瀝青混合料懸浮密實的結(jié)構(gòu)特性，其水穩(wěn)定性良好，60 ℃水浴36 h使混合料的抗拉強度僅降低12%左右，力學(xué)性能仍然較好。

表5 復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗結(jié)果Table5 Drawingtestresultsofcompositestructure試驗環(huán)境試驗結(jié)果技術(shù)指標(biāo)破損面狀態(tài)室溫(25±2)℃3.12≥3.01個試件粘層脫落,2個試件混合料內(nèi)部斷裂高溫(70±2)℃1.85≥1.5所有試件均為混合料內(nèi)部斷裂浸水高溫(60℃水浴36h、(70±2)℃1.62—所有試件均為混合料內(nèi)部斷裂

4 浸水殘留強度

九江長江大橋橋面鋪裝材料的設(shè)計溫度范圍為-15 ℃～70 ℃，橋區(qū)年最大降雨量可達2 500 mm以上，獨特的氣候環(huán)境對防銹粘結(jié)體系提出了較高要求。鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中，防銹粘結(jié)層既要有優(yōu)良的抗高溫性能抵御環(huán)氧瀝青混凝土施工所產(chǎn)生的較高溫度，又要具備持久的抗水損害能力保護鋼橋面板不受雨水侵蝕。采用最佳粘結(jié)劑用量制作試件，以水損害為模擬條件，研究浸水時長對粘結(jié)劑性能的影響。

參照剪切強度、拉拔強度試驗結(jié)果分析，采用粘結(jié)料用量為0.5 L/m2，制備“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”試件，在常溫(25 ℃)環(huán)境下自然養(yǎng)護48 h，將養(yǎng)護完成的試件分別置于25 ℃的恒溫水箱中持續(xù)12 h、24 h、36 h，模擬九江地區(qū)夏季多雨的環(huán)境因素，測試試件在不同浸水時間下的剪切強度、拉拔強度，研究浸水時長對復(fù)合結(jié)構(gòu)強度影響，試驗結(jié)果見表6。

表6 復(fù)合體系殘留強度試驗結(jié)果Table6 TestresultsofresidualstrengthofcompositestructureMPa組別殘留剪切強度殘留剪切強度均值殘留拉拔強度殘留拉拔強度均值3.165.12不浸水3.133.145.125.103.125.063.044.90浸水12h3.023.024.944.933.004.952.894.86浸水24h2.902.884.854.862.854.872.744.77浸水36h2.782.754.754.782.734.81 注:本試驗破壞位置為粘結(jié)層。

由表6可知，浸水之后，粘結(jié)層的剪切強度與拉拔強度都有所降低，浸水36 h之后，“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”試件剪切強度由3.14 MPa下降到2.75 MPa，殘留強度比為87.6%；拉拔強度由5.10 MPa下降到4.78 MPa，殘留強度比為93.7%。環(huán)氧瀝青粘結(jié)層在浸水條件下仍然不是拉拔破壞的薄弱面，其粘結(jié)強度能夠達到“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合結(jié)構(gòu)的要求。

由不同浸水時長區(qū)間內(nèi)強度平均值降幅圖9可知，隨著浸水時間增加，“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”復(fù)合體系的剪切強度下降幅度大于拉拔強度。在不浸水到浸水12 h區(qū)間內(nèi)，剪切強度與拉拔強度平均值降幅最大，分別達到5.1%和3.3%，表明在浸泡初期，水對粘結(jié)層性能影響相對較大。

圖9 不同浸水時長區(qū)間復(fù)合體系強度降幅

5 結(jié)論

a.九江長江大橋使用的環(huán)氧富鋅漆經(jīng)過高溫后外觀變化不大，強度依然高于環(huán)氧富鋅漆與鋼板的抗拉強度要求，不會成為鋼橋面鋪裝體系的力學(xué)性能短板。

b.環(huán)氧富鋅漆-環(huán)氧粘層油防銹粘結(jié)體系耐高溫性能較好，盡管在高溫(70 ℃)條件下粘結(jié)層界面性能下降，但仍然較高，可滿足規(guī)范要求。

c.環(huán)氧粘層油用量對“鋼板-防銹粘結(jié)層-鋪裝層”的剪切強度與拉拔強度都有影響，擬合結(jié)果顯示，環(huán)氧粘層油用量在0.4～0.6 L/m2時，剪切強度與拉拔強度較大，建議黏層油用量取0.5 L/m2保證鋪裝界面的路用性能。

d.浸水后粘結(jié)層的殘留剪切強度與拉拔強度試驗結(jié)果表明，浸水時長對粘結(jié)層性能有不利影響，浸水初期粘結(jié)層的剪切強度與拉拔強度下降影響最大，但即使浸水36 h后，試件的粘結(jié)性能仍能滿足要求。