基于兩種防水材料的橋面防水粘結(jié)層性能研究

魯 立

(河南省公路工程局集團(tuán)有限公司 鄭州市 450052)

橋梁建設(shè)過(guò)程中，防水是橋面鋪裝設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中不可忽視的環(huán)節(jié)，良好的防水性對(duì)于提高橋面使用壽命具有十分重要的意義。尤其對(duì)于一些大跨徑鋼橋而言，橋面防水性能也決定著橋梁主體的耐久性。合理的鋪裝防水體系能有效防止鋼橋面板受到雨水侵蝕，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)鋪裝層與橋面板的有效粘結(jié)[1-3]。因此，選取兩種不同材料的防水體系結(jié)構(gòu)，對(duì)其澆注GA-10混凝土后的性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，以此來(lái)評(píng)定兩種防水體系在橋面鋪裝防水層中的使用效果，為其工程應(yīng)用提供參考。

1 鋪裝層防水體系結(jié)構(gòu)

橋面鋪裝中，單一的防水層無(wú)法達(dá)到真正防水以及保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，因此，在防水層設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常將鋪裝下層也納入橋面防水體系結(jié)構(gòu)中，兩者組成的整體防水體系能達(dá)到良好的防水效果[2-3]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋面防水體系結(jié)構(gòu)示意圖

本次研究選取的兩種類型防水體系如下所示：

1.1 甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂材料(MMA)+GA-10防水體系

甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂(Methyl methacrylate resin)是一種無(wú)色流動(dòng)性易燃液體。微溶于水，溶于乙醇和乙醚，易揮發(fā)。由于其獨(dú)特的強(qiáng)度、韌性，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于鋼橋面鋪裝的防水粘結(jié)層。具有與基底及鋪裝層粘結(jié)性能好、抗刺破能力強(qiáng)、抗氯離子滲入與耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)[3-5]，而且能抵抗鋪裝層高達(dá)250℃的高溫，能在低溫下迅速固化。此類防水體系在英國(guó)等國(guó)家使用的比較多，有100多年的應(yīng)用歷史。表1為甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂材料的技術(shù)指標(biāo)。

MMA防水體系通常由三層組成，最底層為防腐層，在鋼板噴砂除銹或混凝土板噴砂打毛之后3h內(nèi)使用，用于封閉混凝土、水泥砂漿及鋼材(包括電鍍鋼材)和其它金屬表面，加強(qiáng)防水膜和基體表面之間的黏合，具有抗腐蝕性，可以隔離鋼板與空氣接觸，防止表面被氧化或腐蝕[4-6]；中間層為甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂防水層，直接噴涂在底涂層上形成一層堅(jiān)韌、柔性的無(wú)縫防水膜；最上層粘層是一種溶劑型涂層，直接刷涂、滾涂或無(wú)氣噴涂于防水膜上。固化后，形成一個(gè)整體封閉的體系，并與鋪裝下層GA瀝青混合料緊密粘接[5-6]。GA瀝青混凝土是一種幾乎無(wú)空隙(小于1%)，無(wú)需壓實(shí)便能達(dá)到其最終強(qiáng)度，且低溫性能、防水性能、耐久性能都較好的瀝青混合料[6-7]。在鋼橋面鋪裝中，此防水體系除了具有良好的性能外，還有很好的耐久性。其結(jié)構(gòu)如表2所示。

本研究選用Eliminator甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂防水體系，它由英國(guó)Stirling Lloyd Polychcm公司研發(fā)，主要用于鋼橋面防水。與其它MMA類防水材料相比，Eliminator材料配方不同。Eliminator鋼橋面防水粘結(jié)體系在鋼橋面鋪裝、水泥混凝土橋面鋪裝、橋墩及其他結(jié)構(gòu)、輕軌及高速鐵路、涵洞及隧道等工程得到廣泛的應(yīng)用[4]，包括美國(guó)喬治華盛頓大橋、香港青馬大橋、重慶菜園壩大橋等，應(yīng)用效果良好。本次采用的GA-10瀝青混凝土，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

1.2 溶劑型粘結(jié)劑+GA-10防水體系

溶劑型粘結(jié)材料指的是根據(jù)相似相溶的原理和性能互補(bǔ)的原則，將瀝青、橡膠等多種高分子物質(zhì)進(jìn)行溶化而形成的粘結(jié)劑，將其涂抹在鋼板、水泥混凝土橋面板表面，揮發(fā)后形成一層堅(jiān)韌、密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)防水膜部分熔化，與瀝青混凝土混為一體，從而實(shí)現(xiàn)了橋面與瀝青鋪裝層之間的有效粘結(jié)。采用此種材料，與傳統(tǒng)防水材料(如防水卷材、水溶性防水涂料、反應(yīng)性防水材料等)相比，鋪裝瀝青混凝土之后的組合結(jié)構(gòu)的粘接強(qiáng)度、抗剪性能明顯提高且粘接性能優(yōu)良[8-9]。國(guó)內(nèi)一些橋梁采用了此種鋪裝結(jié)構(gòu)，如貴州省鎮(zhèn)勝公路北盤(pán)江大橋、南京長(zhǎng)江四橋、大麗高速橋面等。

溶劑型粘結(jié)材料通過(guò)物理過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)與鋼板的有效粘接，該材料會(huì)隨著溫度的升高而出現(xiàn)軟化或融化，又會(huì)隨著溫度的降低出現(xiàn)凝固。整個(gè)過(guò)程具有一定的可逆性，這可以使上層混合料與下臥層之間達(dá)到更有效的結(jié)合，粘結(jié)效果良好[2,10]。兩層溶劑型粘站劑與GA-10組成的防水體系在使用條件較好、澆注式瀝青混合料不透水的情況下，性價(jià)比最優(yōu)。其結(jié)構(gòu)如表4所示。

本研究選取了重慶市某公司生產(chǎn)的GS型溶劑型粘結(jié)劑，它是一種新型溶劑型橋面專用防水粘接材料，其特點(diǎn)是除具有優(yōu)異的防水性能外，還可有效地處理混凝土、鋼板與瀝青混凝土等之間的層間粘接問(wèn)題，在行車荷載作用下，路面不易出現(xiàn)推移、脫落、變形等病害[3,11]。表5為溶劑型粘結(jié)劑相應(yīng)的技術(shù)要求。

2 防水粘結(jié)材料與橋面板強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)于防水粘結(jié)材料的實(shí)際路用性能，通常采用粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)防水層與橋面板之間的粘結(jié)能力，即測(cè)試橋面板與粘結(jié)層之間的拉拔強(qiáng)度值來(lái)反映防水粘結(jié)層的性能優(yōu)劣[8]。為了測(cè)試兩種防水粘結(jié)材料的粘結(jié)性能，將Eliminator防水材料與GS溶劑型粘結(jié)劑材料分別涂抹在噴砂除銹達(dá)到Sa2.5要求的10cm×10cm×5cm鋼板上，待兩種材料完全固化后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，環(huán)境溫度為25℃左右。具體試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，2種防水粘結(jié)材料與鋼板之間平均拉拔強(qiáng)度值分別為5.27MPa、2.12MPa，均大于相應(yīng)技術(shù)要求5.0MPa與2.0MPa，但在整體性能上，Eliminator防水材料比GS溶劑型粘結(jié)劑材料拉拔強(qiáng)度值要高，說(shuō)明Eliminator防水材料比GS溶劑型粘結(jié)劑材料能更好與剛橋面板界面之間粘結(jié)，能較好防止鋪裝防水層與橋面板脫離[9]。

3 組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

防水層與鋪裝材料組合而成的組合結(jié)構(gòu)其整體性能決定橋面鋪裝層的路用性能，組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度以及抗剪能力的好壞影響著橋面鋪裝層整體的抗剪切變形性能，尤其是高溫條件下，組合材料的粘結(jié)強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度影響鋪裝層的使用壽命[10-11]。組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法詳見(jiàn)《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》。

3.1 組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度性能試驗(yàn)

組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度同樣采用拉拔試驗(yàn)來(lái)測(cè)定[12]。在防水粘結(jié)層涂抹完后，待其固化24h，再攤鋪GA-10澆注式瀝青混合料，在試件完全冷卻成型后進(jìn)行組合構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，同樣采用25℃拉拔試驗(yàn)的方法評(píng)價(jià)其粘結(jié)性能。具體試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由以上結(jié)果可知，Eliminator防水材料與鋪裝下層粘結(jié)強(qiáng)度平均值分別為1.06MPa、1.23MPa，均大于1.0MPa，同時(shí)從試件破壞形式上看，GS溶劑型粘結(jié)劑破壞界面在粘結(jié)劑內(nèi)部，而Eliminator防水材料破壞界面有部分在粘結(jié)劑與鋼板接觸界面，因此總體上看，GS溶劑型粘結(jié)劑較Eliminator防水材料與GA-10瀝青混合料粘結(jié)性更好，能保證鋪裝層整體有效粘結(jié)。

3.2 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度性能試驗(yàn)

由于防水粘結(jié)材料溫度敏感性較強(qiáng)，溫度對(duì)其抗水平推移能力影響較大[2]，故本次試驗(yàn)采用25℃與55℃兩種溫度條件來(lái)模擬橋面實(shí)際溫度，具體試驗(yàn)結(jié)果如表8、表9所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，在25℃時(shí)的組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度，Eliminator防水材料強(qiáng)度值明顯高于GS溶劑型粘結(jié)劑材料，而且在破壞形式上，兩者在25℃的破壞界面均在粘結(jié)材料內(nèi)部，說(shuō)明兩種防水材料抗剪切性能優(yōu)良；在55℃試驗(yàn)組中，Eliminator防水材料強(qiáng)度值高于GS溶劑型粘結(jié)劑材料，防水粘結(jié)材料受到高溫作用后，與25℃時(shí)的組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值相比，兩者強(qiáng)度值明顯降低。因此兩種防水粘結(jié)材料溫感性較強(qiáng)，但兩者性能均能滿足相應(yīng)要求，在受到水平剪切力作用下抗破壞能力較強(qiáng)[13]。

4 結(jié)論

對(duì)兩種不同材料的防水體系進(jìn)行相關(guān)研究，主要得到了以下結(jié)論：

(1)Eliminator防水材料與GS溶劑型粘結(jié)劑材料兩者均能滿足橋面鋪裝防水粘結(jié)層所需性能要求，Eliminator防水材料整體性能優(yōu)于GS溶劑型粘結(jié)劑。

(2)在受到溫度變化時(shí)，Eliminator防水材料、GS溶劑型粘結(jié)劑材料與GA-10混凝土之間粘結(jié)性能受影響較大，在55℃時(shí)，組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度值下降明顯，但兩種材料防水體系均能抵抗橋面鋪裝防水層發(fā)生的剝落、推移破壞，能與鋪裝層保持較好協(xié)同性。