混凝土橋面板防水黏結(jié)層材料試驗研究

王 民，吳雪柳，李 波，肖 麗，彭祝濤

(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) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

橋面鋪裝起著分散行車荷載、提供行駛基面和保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的重要作用，其中防水和黏結(jié)性能是橋面鋪裝耐久性設(shè)計的關(guān)鍵性能[1-3]。若雨水浸入鋪裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者鋪裝層與橋面板之間，不僅會造成鋪裝結(jié)構(gòu)的加速破壞，還可能腐蝕橋面板和橋梁結(jié)構(gòu)的重要部件，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全，特別是鋼板+高性能水泥混凝土鋪裝層+瀝青磨耗層的鋪裝結(jié)構(gòu)。在類似復(fù)合式路面鋪裝結(jié)構(gòu)中，合理、優(yōu)良的防水黏結(jié)層材料能夠保證瀝青混凝土與水泥混凝土之間良好的結(jié)合，共同承受車輛荷載，從而延長復(fù)合式路面的使用壽命。反之，當(dāng)基面處理方式方法不當(dāng)、或選擇了不能適應(yīng)使用環(huán)境的防水黏結(jié)層材料時，在復(fù)合式路面較大的剪切受力狀態(tài)和潮濕環(huán)境下，瀝青混凝土與水泥混凝土之間的層間黏結(jié)作用容易失效，使得整個復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)處于不利的層間滑動狀態(tài)，造成瀝青面層的推移、開裂等路面病害，嚴(yán)重影響路面的使用壽命[4]。

針對橋梁混凝土基面的防水黏結(jié)層材料的研究一直都是熱點(diǎn)方向。嚴(yán)恒[5]等選用SBS改性瀝青+聚酯玻纖布的形式作為防水黏結(jié)材料，通過剪切試驗確定黏層油用量，進(jìn)行拉拔試驗，結(jié)果表明聚酯玻纖布的層間黏結(jié)性能良好。米峻[6]等提出將AC-5瀝青砂作為橋面防水黏結(jié)層，同時對其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，工程實踐表明該設(shè)計方案施工效果良好。劉云[7]等將有限元模擬和室內(nèi)實驗相結(jié)合，分析了行車荷載在制動時防水黏結(jié)層的力學(xué)響應(yīng)。何昌軒[8]等研究了環(huán)氧樹脂防水層的拉伸、拉拔、拉剪，以及與鋼板的隨從性和耐腐蝕性，得知在低溫環(huán)境下防水材料有較好的彎曲效果。張凱[9]等采用剪切試驗、抗拉拔試驗和附著力拉拔試驗對水性環(huán)氧瀝青材料和其他防水黏結(jié)層的進(jìn)行測試，結(jié)果表明水性環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)材料的各項力學(xué)性能均優(yōu)于常用的瀝青碎石類防水黏結(jié)層，具有良好的力學(xué)性能和耐久性。薛成[10]等提出二階反應(yīng)型防水黏結(jié)材料可克服傳統(tǒng)防水產(chǎn)品黏結(jié)和抗剪性能差的缺點(diǎn)，且可以使防水結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的防水性能、高強(qiáng)層間黏結(jié)力和抗剪切性能好等特性。張勐[11]等通過Fluent研究了動水壓力對防水黏結(jié)層的性能影響，確定在防水黏結(jié)材料的情況下，動水壓力會加劇防水黏結(jié)層與鋪裝結(jié)構(gòu)層的剝離。張利東[12]等以敖卜互通主線橋開展季凍區(qū)中小跨徑鋼橋面鋪裝攻關(guān)研究為依托，選取水性環(huán)氧瀝青、二階反應(yīng)性防水黏結(jié)劑,及反應(yīng)型防水黏結(jié)劑進(jìn)行對比，表示采用反應(yīng)型防水黏結(jié)劑作為剛?cè)釓?fù)合式鋼橋面鋪裝黏結(jié)層的性價比最高。施曉強(qiáng)[13]等依托南京三橋大修工程，對擬選用的環(huán)氧樹脂防水黏結(jié)層的性能進(jìn)行了試驗驗證，證明其具有優(yōu)異的拉伸性能、黏結(jié)性能和剪切性能。劉攀[14]等研究了新型環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑，分析其高低溫性能、化學(xué)腐蝕和拉伸性能、不透水性和抗損傷性能，并通過拉拔和剪切試驗表明，新型環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑綜合性能較優(yōu)，能很好地適應(yīng)不同類型的鋪裝材料和鋪裝組合結(jié)構(gòu)。

本文針對混凝土基面防水黏結(jié)層的特殊性能要求，優(yōu)選4種典型材料、開展黏結(jié)性能和密水性試驗分析，提出推薦方案，為橋梁橋面防水黏結(jié)層材料的選擇提供借鑒。

1 原材料及組合方案

1.1 防水黏結(jié)層材料

防水黏結(jié)層材料需具備良好的溫度穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度、抗裂和抗變形能力，方能滿足復(fù)合式橋面鋪裝體系的設(shè)計要求。

本文從常用的3類防水黏結(jié)材料中篩選了4種典型材料，依次為改性乳化瀝青、水性環(huán)氧乳化瀝青、熱熔瀝青(撒碎石)、環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑，材料特點(diǎn)見表1，基本性能見表2。

表1 防水黏結(jié)層材料特點(diǎn)Table 1 Waterproof adhesive layer materials 材料類型材料名稱優(yōu)點(diǎn)不足之處水性類材料改性乳化瀝青滲透性好、施工工藝便捷黏結(jié)強(qiáng)度有限、泌水性不足水性環(huán)氧乳化瀝青界面黏結(jié)強(qiáng)度高、滲透性好防水性能有限熱熔類材料熱熔型黏結(jié)材料防水性能好,施工操作便捷受溫度影響較大,幾乎無滲透性,黏結(jié)力有限反應(yīng)性材料環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑不同界面下黏結(jié)強(qiáng)度均非常高材料成本高、施工控制難度大

上述材料中，改性乳化瀝青具有常溫可流動、易噴涂，施工工藝簡單，減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，且具備較好的耐熱性與低溫柔性，作為防水黏結(jié)層能夠有較高的黏結(jié)性，及抗拉強(qiáng)度和抗變形能力。水性環(huán)氧乳化瀝青具備強(qiáng)度高、黏結(jié)性能好、高溫穩(wěn)定性好且符合環(huán)保要求等特點(diǎn)。熱熔瀝青彈性恢復(fù)率高，能起到應(yīng)力吸收層的作用，延緩橋面板收縮開裂所引起的反射裂縫，顯著減弱上下層裂縫引起的破壞作用。環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑既具有優(yōu)異的防水性能，又具有高強(qiáng)的黏結(jié)性能，能極大地提高鋪裝結(jié)構(gòu)的整體使用壽命。

表2 防水黏結(jié)層材料基本性能Table 2 Basic performance testing of waterproof adhesive layer防水黏結(jié)層材料試驗項目測定指標(biāo)技術(shù)要求試驗方法篩上剩余量(1.18 mm篩)/%0.06≤0.1T0652蒸發(fā)殘留物含量/%62.5≥60T 0651改性乳化瀝青針入度(25 ℃,100 g,5 s)/mm27.5—T 0604延度(5 cm/min,5 ℃)/cm57.2—T 0605軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃56—T 0606耐熱性(160 ℃)無分解流淌無分解流淌JC/T 975水性環(huán)氧乳化瀝青熱固性(140 ℃)不融化不融化—高溫抗剪(80 ℃)/MPa0.17≥0.1—針入度(25 ℃,100 g,5 s)/mm43.430～60T 0604熱熔瀝青延度(5 cm/min,5 ℃)/cm30.6≥20T 0605軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃86.1≥85T 0606彈性恢復(fù)率(25 ℃)/%100≥80T 0662斷裂伸長率(23 ℃)/%120≥100GB/T 16777環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑不透水性(0.3 MPa,21 h)無滲水不透水黏結(jié)強(qiáng)度(與鋼板,25 ℃)/MPa4.6≥3.0CJJ/T 279-2018黏結(jié)強(qiáng)度(與瀝青混合料保護(hù)層,25 ℃)/MPa1.18≥1.0

1.2 防水黏結(jié)層組合方案

結(jié)合已有研究和工程實踐經(jīng)驗，瀝青磨耗層采用改性瀝青SMA13，形成改性瀝青SMA13磨耗層+防水黏結(jié)層+水泥混凝土橋面板的4種組合方案，具體見表3。

表3 防水黏結(jié)層組合方案表Table 3 Combination scheme of waterproof adhesive結(jié)構(gòu)層方案1改性乳化瀝青方案2水性環(huán)氧乳化瀝青方案3(熱熔瀝青(撒碎石))方案4環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑瀝青磨耗層4 cm改性瀝青SMA13防水黏結(jié)層改性乳化瀝青,用量:300～500 g/m2水性環(huán)氧乳化瀝青,用量:300～500 g/m2熱熔瀝青用量:1.2～ 1.8 kg/m2;撒布碎石9.5～13.2 mm,用量:5.0～7.0 kg/m2環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑,用量:400～600 g/m2混凝土基面噴砂處理,形成粗糙、潔凈、干燥的基面

根據(jù)橋面鋪裝層間防水黏結(jié)的要求，對達(dá)到養(yǎng)生強(qiáng)度的水泥混凝土板表面進(jìn)行噴砂處理，清理干凈、干燥后，按照設(shè)計用量涂布防水黏結(jié)層材料，并在規(guī)定時間內(nèi)鋪筑改性瀝青SMA13，待降至常溫并放置48 h后切割試件。防水黏結(jié)層與水泥混凝土的界面黏結(jié)強(qiáng)度，以及水泥混凝土與瀝青磨耗層組合結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度試驗，加載速率均為10 mm/min，試驗溫度為10 ℃、25 ℃、40 ℃。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 界面黏結(jié)結(jié)強(qiáng)度

按照規(guī)范要求制作試件，在規(guī)定溫度條件下養(yǎng)護(hù)4 h后進(jìn)行測試，防水黏結(jié)層與水泥混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果見表4,測試過程見圖1。

從表4可看出，相同溫度條件下，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑與混凝土面板的黏結(jié)強(qiáng)度最大，在25 ℃時，其黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到3.86 MPa，水性環(huán)氧乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度次之。各類防水黏結(jié)層組合結(jié)構(gòu)，其與混凝土面板的黏結(jié)強(qiáng)度隨著溫度的升高均呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢，且40 ℃高溫條件下，僅水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度能夠達(dá)到1 MPa以上。在試驗過程中，水性環(huán)氧乳化瀝青與水泥混凝土面板的黏結(jié)性能良好，能夠較好滿足使用要求，但是在高溫條件下，其黏結(jié)強(qiáng)度迅速衰減，究其原因在于高溫條件下，組分中的瀝青成分融化，大幅降低與水泥混凝土界面的黏結(jié)效果。

2.2 組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度

按照規(guī)范要求制作試件，在規(guī)定溫度條件下養(yǎng)護(hù)4 h后進(jìn)行測試(見圖2)，組合結(jié)構(gòu)的黏結(jié)強(qiáng)度結(jié)果見表5。

表4 防水黏結(jié)層材料黏結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 4 Test results of different treatment methods防水黏結(jié)材料類型試驗溫度/℃試驗結(jié)果/MPa界面破壞狀況101.43材料自身破壞50%,與水泥板界面脫落50%改性乳化瀝青251.14材料自身破壞60%,與水泥板界面脫落40%400.76材料自身破壞70%,與水泥板界面脫落30%103.00與水泥板黏結(jié)界面脫落70%,水泥板破壞30%水性環(huán)氧乳化瀝青252.02材料自身破壞40%,與水泥板界面脫落60%401.07材料自身破壞50%,與水泥板界面脫落50%100.78與水泥板黏結(jié)界面脫落完全熱熔瀝青250.57與水泥板黏結(jié)界面脫落完全400.37與水泥板黏結(jié)界面脫落完全104.06與水泥板黏結(jié)界面脫落30%,水泥板破壞70%環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑253.86與水泥板黏結(jié)界面脫落60%,水泥板破壞40%402.55與水泥板黏結(jié)界面脫落80%,水泥板破壞20%

圖1 防水黏結(jié)劑與水泥混凝土板黏結(jié)強(qiáng)度測試過程

表5 組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 5 Pull-out test results of combined structure防水黏結(jié)層組合方案試驗溫度/℃試驗結(jié)果/MPa界面破壞狀況101.24與混合料脫落70%,與水泥板破壞30%改性乳化瀝青+改性瀝青 SMA13250.76與混合料脫落80%,與水泥板破壞20%400.31與混合料脫落90%,與水泥板破壞10%101.77與混合料脫落60%,材料自身破壞40%水性環(huán)氧乳化瀝青+改性瀝青 SMA13250.73與混合料脫落70%,材料自身破壞30%400.26與混合料脫落85%,材料自身破壞15%101.33與水泥板脫落50%,材料自身破壞50%熱熔瀝青(撒碎石)+改性瀝青 SMA13250.56與水泥板脫落40%,材料自身破壞60%400.20與水泥板脫落30%,材料自身破壞70%102.51與混合料脫落50%,與水泥板破壞50%環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑+改性瀝青 SMA13251.31與混合料脫落70%,與水泥板破壞30%400.82與混合料脫落90%,與水泥板破壞10%

圖2 防水黏結(jié)劑組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗

從表5可以看出，隨著溫度的升高，組合結(jié)構(gòu)的黏結(jié)強(qiáng)度整體降低，且40 ℃后，除環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到0.82 MPa，其余均在0.5 MPa以下；而在其它溫度條件下，水性環(huán)氧改性乳化瀝青和環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度也可達(dá)到0.5 MPa，具有明顯的界面黏結(jié)強(qiáng)度優(yōu)勢改性乳化瀝青，及熱熔瀝青(撒碎石)在不同溫度條件下的組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)，作為以瀝青和SBS改性劑形成的熱塑性材料，破壞面更多發(fā)生于本體, 或于混凝土黏結(jié)面的脫落。而含有反應(yīng)性樹脂的2類防水黏結(jié)材料與水泥混凝土板黏結(jié)強(qiáng)度極高，其破壞面主要集中在防水黏結(jié)層與瀝青混合料之間。

2.3 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度

按照規(guī)范要求制作試件，在規(guī)定溫度條件下養(yǎng)護(hù)4 h后進(jìn)行45 ℃的壓剪試驗測試(見圖3)，組合結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度試驗結(jié)果見表6。

表6 組合結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 6 Composite structure shear test results防水黏結(jié)層組合方案試驗溫度/℃試驗結(jié)果/MPa界面破壞狀況101.78與混合料脫落60%,與水泥板破壞40%改性乳化瀝青+改性瀝青 SMA13250.57與混合料脫落70%,與水泥板破壞30%400.19與混合料脫落80%,與水泥板破壞20%102.18與混合料脫落70%,與水泥板破壞30%水性環(huán)氧乳化瀝青+改性瀝青 SMA13250.88與混合料脫落80%,與水泥板破壞20%400.35與混合料脫落90%,與水泥板破壞10%102.13與水泥板脫落40%,材料自身破壞60%熱熔瀝青(撒碎石)+改性瀝青 SMA13250.69與水泥板脫落30%,材料自身破壞70%400.11與水泥板脫落20%,材料自身破壞80%104.88與混合料脫落60%,與水泥板破壞40%環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑+改性瀝青 SMA13251.64與混合料脫落70%,與水泥板破壞30%400.63與混合料脫落80%,與水泥板破壞20%

圖3 組合結(jié)構(gòu)試件剪切試驗

從表6可以看出，4種方案的抗剪強(qiáng)度受溫度影響非常敏感，10 ℃條件下，組合結(jié)構(gòu)黏度強(qiáng)度都比較高，隨著溫度的升高，抗剪強(qiáng)度大幅降低，特別是改性乳化瀝青和熱熔瀝青(撒碎石)方案，剪切強(qiáng)度不足0.2 MPa。由于環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑為純樹脂材料，不含其它溶劑，因此組合結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度在不同溫度條件下均為最優(yōu)值，在增強(qiáng)與基面黏結(jié)強(qiáng)度的同時，能夠與瀝青混合料產(chǎn)生有效黏結(jié)，以保持混合料結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定。水性環(huán)氧乳化改性瀝青防水黏結(jié)劑的抗剪切性能居中，與環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑存在一定差距，但明顯優(yōu)于另外2種防水黏結(jié)材料。

2.4 防水體系密水性

按照擬定的防水黏結(jié)層組合方案，將已經(jīng)成型的圓柱體試件，待其強(qiáng)度完全達(dá)到規(guī)范要求后，將試件的表面噴砂，涂布防水黏結(jié)材料。待防水材料形成強(qiáng)度后，裝入測試圓筒試模，采用熱瀝青對側(cè)壁進(jìn)行密封，采用T 0528混凝土抗?jié)B性試驗方法進(jìn)行測試。試驗中，涂有防水材料的一面為迎水面，當(dāng)水穿破防水層后，才接觸到水泥混凝土板。一旦壓力水穿透防水層，滲透出混凝土表面，試驗即結(jié)束，試驗結(jié)果見表7。在試驗過程中，如果試件周圍發(fā)生透水，即立即停止試驗，重新密封后，再進(jìn)行加壓測試。

在水壓力達(dá)到一定強(qiáng)度并持續(xù)作用下，不同防水黏結(jié)材料均產(chǎn)生透水情況，但與無防水黏結(jié)層材料保護(hù)的水泥混凝土裸板相比，密水性能得到大幅提升。 從4種材料防水效果差異來看，一方面與材

表7 透水性試驗結(jié)果Table 7 Results of water permeability test防水黏結(jié)材料類型水壓力/MPa持續(xù)時間/h滲水狀況水泥混凝土板(裸板)2.00.1試件中心透水、隨即開裂改性乳化瀝青2.51.8試件中心局部透水水性環(huán)氧乳化瀝青2.52.5試件中心局部透水熱熔瀝青(撒碎石)2.51.5試件局部透水環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑2.53.5試件中心局部透水

料有效成分或厚度相關(guān)，另一方面也同防水材料與混凝土基面的滲透或結(jié)合狀態(tài)有關(guān)。改性乳化瀝青雖然膜較薄，但黏度小，滲透性強(qiáng)，與混凝土結(jié)合界面比較深，而熱熔瀝青雖有一定厚度，但碎石會破壞其整體性。

3 結(jié)論

本文針對混凝土基面的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中4種防水黏結(jié)層材料，進(jìn)行多項關(guān)鍵性能對比分析，得出以下結(jié)論：

a.4類防水黏結(jié)層材料性能水平各具差異。改性乳化瀝青具有常溫可流動、易噴涂施工的特點(diǎn)；水性環(huán)氧乳化瀝青具備強(qiáng)度高、環(huán)保等特點(diǎn)；熱熔瀝青彈性恢復(fù)率高，能減輕裂縫引起的破壞作用；環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑具有優(yōu)異的防水性能和黏結(jié)性能。

b.4類防水黏結(jié)層材料與基面的黏結(jié)強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求，但高溫條件下的基面黏結(jié)強(qiáng)度只有水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑達(dá)到1.0MPa的要求。

c.對于組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度而言，當(dāng)溫度超過40 ℃時，除環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑外，黏結(jié)強(qiáng)度整體偏低，均在0.5 MPa以下。

d.環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的組合結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度，在不同溫度條件下均為最佳值；熱熔瀝青(撒碎石)防水黏結(jié)劑在溫度較低時具有較好的黏結(jié)性能，但溫度超過25 ℃后，其層間抗剪切性能急劇下降；水性環(huán)氧乳化改性瀝青防水黏結(jié)劑抗剪強(qiáng)度基本能保持在0.5 MPa以上，鑒于其成本低廉，潛在的應(yīng)用市場規(guī)模較大。

e.從防水效果來看，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑與水性環(huán)氧乳化瀝青作為黏結(jié)層的密水效果最佳，熱熔瀝青方案相對最弱。

f.綜合考慮，4類防水黏結(jié)劑在選擇時，其界面黏結(jié)強(qiáng)度、組合結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度，及其剪切強(qiáng)度均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢；相同溫度條件下，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的各項強(qiáng)度指標(biāo)均為最優(yōu)，但考慮到環(huán)氧材料成本較高，在有特殊使用要求的情況下，可選用該材料。