固化條件對二階固化防水粘接層粘層油性能測試的影響

張 煒,劉宇星,趙世琦

(北京金島奇士材料科技有限公司，北京 100083)

近年來，中國大跨徑橋梁建設發(fā)展迅速，但橋面易發(fā)生早期破壞，尤其以鋪裝層破壞最為嚴重。而橋面鋪裝中防水粘接層的破壞則是導致鋪裝層病害的一個主要原因。橋面易出現(xiàn)的鼓包、網裂、龜裂、瀝青面層剝落、瀝青面層與橋面板脫離以及橋梁主體鋼筋銹蝕等病害均與橋面防排水能力直接相關[1]。在橋面鋪裝工程中防水粘結層的設計至關重要,為了獲得更好的防水粘接效果，已有多種材料、技術路線或施工方案得到試驗和采用[2-6]。

鋼橋面鋪裝工程中，典型鋪裝結構由下到上依次是鋼橋面、環(huán)氧富鋅漆、防水粘接層、改性瀝青鋪裝下層、防水粘接層、改性瀝青鋪裝上層，在這種結構中有2處界面都用到防水粘結劑。傳統(tǒng)的乳化瀝青或普通改性瀝青粘接層僅能提供不到0.3 MPa的粘接力和剪切力，其用于防水粘接層使用效果不夠理想。環(huán)氧樹脂改性瀝青也可用作防水粘接層且性能優(yōu)異[7-10]；但不管是溫拌類環(huán)氧瀝青(拌和溫度110～130 ℃)[11-13]，還是熱拌類環(huán)氧瀝青(拌和溫度160～180 ℃)[14-15]，都需要高溫拌合且對養(yǎng)護條件要求較高，其在一定程度上對現(xiàn)場施工造成了不便。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學性能，附著能力強，且穩(wěn)定性好，其固化物通常質地堅硬，在建筑結構加固及路橋修補領域應用非常廣泛[16-19]。環(huán)氧樹脂經增韌改性并結合特殊固化劑，通過配方設計可制得具有二階熱固性的界面防水粘結劑，即：撒布后在常溫下可以很快地表干固化(一階)，使得車輛和人員在該粘接層上作業(yè)時不會發(fā)生粘連；當熱拌瀝青混合料鋪筑時，該粘接層在混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連并快速固化(二階)，進而形成環(huán)氧材料的粘接層界面[20]。

本研究通過對工作中所接觸到的國內外幾種環(huán)氧樹脂類防水粘層油進行了測試，對不同固化條件下各固化物的性能進行對比實驗，以供實際應用參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

外來防水粘層油樣品WL-1、WL-2、WL-3和WL-4：工業(yè)品，前3種防水粘層油樣品樹脂A與固化劑B質量比均為100∶100；WL-4樣品樹脂A與固化劑B質量比為100∶90。自制防水粘層油FS-1、FS-2、FS-3和FS-4：工業(yè)品，北京金島奇士材料科技有限公司；其樣品樹脂A與固化劑B質量比均為100∶100。本研究所用防水粘層油樣品均為環(huán)氧樹脂類型。

1.2 實驗方法

1.2.1試樣制備

環(huán)氧樹脂A和固化劑B2種組分在30～35 ℃烘箱中提前預熱，之后按設定計量比稱量，并邊攪拌邊抽真空至二者混合均勻且基本無氣泡，留出少量用于粘接打磨好的碳鋼試片；其余膠液倒入薄平板模具中，控制模腔厚度約2～2.3 mm。然后，鋼片和模具按照設定好的6種固化條件進行固化，固化后的樣片冷卻到常溫后拆模取出用切刀裁成小啞鈴型樣條；樣條及鋼片放入23 ℃測試室恒溫后再進行性能測定。

1.2.2拉伸性能

參照GB/T 528—2009測試，拉伸速率分別采用500、100 mm/min。

1.2.3鋼-鋼拉伸剪切強度

按GB/T 7124—1986測試，拉伸速率5 mm/min。

1.2.4硬度

采用型號LX-A邵氏A型硬度計。

2 結果與討論

研究了環(huán)氧樹脂A組分和固化劑B組分混合后在常溫及略高于常溫的固化條件下的性能，選定了3種固化條件：常溫23 ℃固化7 d、溫度40 ℃固化1 d和溫度60 ℃固化4 d。常溫23 ℃固化7 d是檢測環(huán)氧樹脂類建筑結構膠常用的固化條件；溫度40、60 ℃是模擬氣溫較高時的現(xiàn)場施工環(huán)境溫度，在夏天中午太陽直射的情況下鋼板或者混凝土基材表面很容易達到60℃。按照一些樣品的使用說明，防水粘層油涂刷后的養(yǎng)護固化過程中存在粘接有效期限，在粘接有效期限內完成后續(xù)的熱瀝青攤鋪工序以保證施工質量；不同產品的粘接有效期會有區(qū)別，同一產品在不同溫度區(qū)間的粘接有效期也有差異，通常環(huán)境溫度低其粘接有效期限較長，例如20～30 ℃溫度區(qū)間粘接有效期限可達3～4 d，而在40～50 ℃溫度區(qū)間粘接有效期限只有1～2 d。在實際工程施工過程中，基面涂刷防水粘層油后時常會遇到一些意外情況，導致無法在短期內進行隨后的熱瀝青攤鋪，防水粘層油施工面可能會在鋪裝后長時間在環(huán)境溫度中保留，本文采用常溫固化7 d和60 ℃固化4 d工藝來盡量模擬極端情況下的條件。

2.1 常溫及略高于常溫的固化條件固化物的性能

將環(huán)氧樹脂A和固化劑B按照設定配比混合均勻，并在常溫23 ℃條件下養(yǎng)護7 d后的固化物性能如表1所示。

表1 不同配方固化物的性能(常溫23 ℃固化7 d)Tab.1 Properties of different formulations cured after 7 days at 23 ℃

由表1可知，經常溫養(yǎng)護7 d后，所用的8種防水粘層油配方在拉伸速率為500 mm/min下測試，拉伸強度均超過3 MPa，斷裂伸長率超過200%；當采用較慢的拉伸速率100 mm/min測試拉伸強度會有不同程度降低，而斷裂伸長率則比采用較快的拉伸速率測試時都有一定增加，因此對比不同配方性能時應在同樣的拉伸速率下進行測試才有可比性。從不同配方間對比也可以看出，通常固化物硬度越高的配方其粘接強度也會越高，拉伸強度和斷裂伸長率也跟硬度有關聯(lián)，大致的規(guī)律是硬度越高拉伸強度越高，同時斷裂伸長率較低。然而，例如硬度較高的3個配方WL-4、FS-2和FS-4的拉伸強度均可達到7 MPa，但硬度最高的配方FS-4拉伸強度并不是最高的。

在溫度40 ℃條件下養(yǎng)護1 d后的固化物性能如表2所示。

表2 不同配方固化物的性能(40 ℃固化1 d)Tab.2 Properties of different formulations cured after 1 days at 40 ℃

由表2可知，適當升高養(yǎng)護溫度至40 ℃并縮短養(yǎng)護時間為1 d，與常溫23 ℃固化7 d相比，8種配方的固化物拉伸強度、粘接性能和硬度都有不同程度降低；而斷裂伸長率則相反，這可能是因為溫度40 ℃固化1 d時間較短，各配方的固化程度不如常溫23 ℃固化7 d和溫度40 ℃固化1 d的固化物更柔軟。這與不同配方的降低幅度也并不一致，且與各配方的固化速度不同有一定關系。

在溫度60 ℃條件下養(yǎng)護4 d后的固化物性能如表3所示。

表3 不同配方固化物的性能(60 ℃固化4 d)Tab.3 Properties of different formulations cured after 4 days at 60 ℃

由表3可知，進一步升高養(yǎng)護溫度至60 ℃并養(yǎng)護4 d，與常溫23 ℃固化7 d相比，除個別配方外各配方的固化物拉伸強度、粘接性能和硬度都有不同程度地提高；而斷裂伸長率則相反。這可能是因為跟常溫23 ℃固化相比，在溫度60 ℃下樹脂和固化劑分子鏈段更易活動，經4 d養(yǎng)護后各配方固化都比較充分所致。尤其是配方WL-4和FS-4，經溫度60 ℃固化4 d后拉伸剪切強度都超過10 MPa，斷裂伸長率達到200%左右，且拉伸剪切強度都在15 MPa以上。

2.2 經過高溫150 ℃加熱固化條件固化物的性能

在實際施工中，因為防水粘層油涂刷到路、橋基材表面上待其表干后還要在上面攤鋪熱拌瀝青混合料。熱拌瀝青混合料攤鋪時的溫度通常在150～180 ℃，高溫熱瀝青混合料接觸到已初步固化表干的防水粘層油后會迅速將其加熱到較高溫度并使其重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融并繼續(xù)發(fā)生反應。此過程中，在經攤鋪碾壓作用下骨料大顆粒嵌入防水粘接層中，形成均勻分布的抗剪力結構體；同時，高溫加速二階反應的快速進行，生成彈塑性的防水粘接層，內聚力進一步提高，使面層瀝青混凝土與水泥混凝土之間形成良好的防水粘接層[21]。因此，前面研究中所用到的3種固化條件并不能代表防水粘層油在實際工況中最終所經歷的固化過程，應該額外增加在高溫下(150 ℃以上)經過短時間加熱處理的固化階段，考慮到這個因素，下面的試驗采用了3種比較有代表性的固化條件：23 ℃/1 d+150 ℃/1 h，23 ℃/4 d+150 ℃/1 h和60 ℃/1 d+150 ℃/1 h。

由表4可知，與常溫7 d固化工藝相比，經過常溫固化1天再額外增加150 ℃/1 h高溫處理后，除了WL-4和FS-4這2個配方，其余高溫1 h處理后的各配方固化物的硬度、拉伸強度都明顯低于沒有經過高溫處理的，尤其是WL-1和WL-2配方降低幅度非常大，WL-1的拉伸強度由常溫7 d的3.3 MPa降到只有0.29 MPa，WL-2的拉伸強度也由常溫7 d的5 MPa降到0.34 MPa；配方WL-3、FS-1、FS-2和FS-3的拉伸強度也有不同程度下降。經過高溫處理后固化物明顯變得更柔軟，斷裂伸長率也隨之增加，WL-1和WL-2的斷裂伸長率甚至超過1 000%；配方WL-1、WL-2和WL-3的拉伸剪切強度略有降低，配方FS-1、FS-2和FS-3的拉伸剪切強度則略有提高。WL-4、FS-4這2個配方與其余6個配方的主要區(qū)別在于經過高溫處理與否對固化物的拉伸強度和硬度影響不是很大，經過高溫處理后拉伸剪切強度和斷裂伸長率有一定增長。

表4 不同配方固化物的性能(23 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.4 Properties of different formulations cured after 1 day at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表5可知，與經23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化工藝的固化物性能對比，經過23 ℃/4 d+150 ℃/1 h固化工藝的各配方固化物性能雖有差異,但相對比較接近，常溫固化4 d后再經過高溫處理后固化物硬度也會明顯下降，其余各項性能也表現(xiàn)出類似的變化趨勢。這其中配方FS-1、FS-2和FS-3常溫固化4 d后再經150 ℃/1 h處理比在常溫下只固化1 d后再經150 ℃/1 h處理的固化物拉伸強度要高一些；而其余5個配方經2種固化工藝處理后的拉伸強度相差不大。

表5 不同配方固化物的性能(23 ℃/4 d+150 ℃/1 h)Tab.5 Properties of different formulations cured after 4 days at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表4、表6可知，將第1階段的固化工藝由常溫23 ℃+/1 d調整到60 ℃固化1 d，同樣增加150 ℃/1 h的高溫處理過程，這2種固化工藝最終固化物的各項性能比較接近。

表6 不同配方固化物的性能(60 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.6 6 Properties of different formulations cured after 1 day at 60 ℃ and 1 hour at 150 ℃

上述的2大類固化工藝所測數(shù)據(jù)對比，直觀地表現(xiàn)出在溫度150 ℃條件下短時間的高溫處理過程對固化物性能的影響，在本研究所涉及的8種防水粘層油配方中，多數(shù)都在經過高溫處理再恢復到常溫后會變得更柔軟，推測固化物在高溫加熱處理的過程中未反應完的官能團會繼續(xù)完成固化反應，同時固化物中的某些結構在高溫下也發(fā)生了不可逆的轉變或者破壞，導致經過高溫處理后再降溫到常溫測試時固化物的性能與僅經過溫度60 ℃以下固化歷程的差異顯著。少數(shù)配方如WL-4和FS-4之所以受影響不大，可能是由于其固化物中所含的主要鏈段結構在高溫下不易發(fā)生轉變或者破壞所致。

2.3 不同固化條件所得固化物的熔融性能

上述已經提到，防水粘層油撒布后可在常溫下表干 (一階)；而當熱拌瀝青混合料鋪筑時，該粘接層在高溫混合料熱量作用下應該能夠重新液化，這樣才能與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連 (二階)，冷卻到常溫后形成環(huán)氧/瀝青混合料的粘接界面。此外，防水粘層油受熱后的這種熔融過程應該持續(xù)一定時間，使得隨后碾壓時骨料大顆?？梢郧度肴刍姆浪辰訉又??；谝陨峡紤]，通過對各種配方在經歷不同固化過程后所形成的固化物的高溫熔融情況進行了相關試驗，具體試驗過程是將各配方按設定比例混合后分到樣品杯中，按照預設有代表性的固化條件進行固化，待達到相應的固化時間后將固化物取出切碎重新放入樣品杯中；然后放置到已預熱到溫度150 ℃的烘箱中觀察其熔融情況，結果如表7所示。

表7 不同固化工藝各配方固化物的加熱熔融情況Tab.7 Melted states of different formulations cured after different process

由表7可知，有5個配方在設定的各種固化工藝處理后都能達到高溫加熱熔融的效果；另外3個配方在不同固化工藝處理后的加熱熔融程度上有一定區(qū)別。配方WL-3在23 ℃/1 d、40 ℃/1 d和60 ℃/1 d初固化后的固化物可以在溫度150 ℃加熱一段時間后完全融化；而經過23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在溫度150 ℃加熱后只能達到部分熔化的狀態(tài)。針對配方WL-3，在現(xiàn)場施工時要注意及時攤鋪熱瀝青混合料，如果防水粘層油涂刷后耽擱時間過長，超過了粘接有效期限就會影響最終的粘接效果。配方FS-3的情況與WL-3的情況類似，經過23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在溫度150 ℃加熱后完全不能熔融，粘接有效期限比WL-3更短。配方WL-4只在23 ℃/1 d和40 ℃/1 d這2種固化工藝處理后高溫加熱時可以達到部分熔化的狀態(tài)，其余工藝條件下高溫加熱后都完全不能熔融，這種配方對現(xiàn)場施工不同工序間的緊密銜接配合要求就更高了，在實際施工中最終粘接效果很難保證符合預期要求。

3 結語

(1)對8種防水粘層油樣品在不同固化條件下的固化物性能進行了測試，在溫度60 ℃以下的3種固化工藝所得試驗結果隨固化溫度和固化時間不同有一定差別。而經過較低溫度的初固化再進行150 ℃高溫加熱處理1 h后，多數(shù)配方固化物比僅經過60 ℃以下固化工藝的要更柔軟一些，且各項性能差別也較明顯，這可能與高溫下固化物中的某些結構發(fā)生了不可逆的轉變或者破壞有關；

(2)對各種防水粘層油樣品在經歷不同固化過程后所形成固化物的高溫熔融情況進行了相關試驗，結果表明不同配方的粘接有效期限長短各有不同，在實際施工中應留意根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境和所用產品性能調整施工工藝和各步驟工期要求；

(3)在防水粘層油產品實際性能檢測和技術要求中應結合施工現(xiàn)場條件明確制備樣條和試件時的具體養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間，以便于對比考察。