Primer界面剂在水泥混凝土桥面铺装中的适用性研究

Primer界面剂在水泥混凝土桥面铺装中的适用性研究

朱 纬1， 朱邦海2， 高 璐1， 徐海波1

(1.马鞍山市县乡公路管理局，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山市公路管理局，安徽 马鞍山 243000)

摘 要：水泥混凝土桥面铺装往往因桥面防水层粘结不佳而发生破坏，而粘结不佳的主要原因为水泥混凝土“亲水憎油”的界面性质与防水层“亲油憎水”的界面性质差异。因此，为改变水泥混凝土表面的界面性质、提高桥面防水层粘结能力，选用兼具“亲水、亲油”性质的Primer界面剂，用作水泥混凝土界面剂能使其表面具有亲油性。适用性试验研究发现，该界面剂可有效提高桥面水泥混凝土与桥面防水层间拉拔力近1倍、层间剪切力约60%，且满足高温施工条件，适用于水泥混凝土桥面铺装。

关键词：界面剂；防水层；粘结能力；桥面铺装；水泥混凝土

我国大多数桥梁为水泥混凝土桥，桥面铺装多采用“桥面防水粘结层+沥青混凝土铺装层”的结构组合形式。桥面防水粘结层(以下简称桥面防水层)是桥面铺装结构中的一个重要层位，起到连接梁体和沥青铺装层，以及防止雨水渗入梁体的作用[1]。然而桥面防水层也是桥面铺装结构中的一个薄弱环节，桥面沥青铺装的脱层、开裂往往也是桥面防水层粘结效果不佳引起的，因此提高桥面防水层的粘结能力是保证桥面铺装质量的一项重要措施[2,3]。

目前市场上用作桥面防水层的材料种类众多，其防水性能基本上都能满足要求，部分桥面防水层本身具有较强的粘结能力，但是与桥面水泥混凝土粘结效果不佳，不能充分发挥其自身粘结能力。究其原因主要为：此类材料多为沥青类或者“沥青基”材料[4,5]，能与沥青面层良好地结合。但是“沥青基”属于“亲油憎水”性材料，而水泥混凝土为“亲水憎油”性材料，由于界面属性的差异，导致无法与水泥混凝土进行有效粘结[6]。

针对上述原因，解决桥面防水层粘结效果不佳的有效途径包括：①寻找一种对水泥混凝土和沥青混凝土都具有良好粘结效果的材料，如环氧沥青[5,7]等；②改变水泥混凝土表面“亲油憎水”的界面性质，使其具有一定的“亲油”性质，提高桥面防水层材料与水泥混凝土的粘结能力。

本文通过寻找一种皆具“亲水、亲油”性质的有机材料，作为界面剂应用于桥面水泥混凝土上，意在改变水泥混凝土的界面性质，提高桥面防水层粘结能力。对此进行了相关的试验研究，对界面剂的适用性和使用条件进行了验证。

1 Primer界面剂介绍

Primer界面剂(以下简称界面剂)是一种具有“亲水、亲油”性质的有机材料，作用于桥面铺装结构中桥面混凝土与桥面防水层之间，意在提高桥面防水层的粘结能力。

1.1 主要成分

采用的界面剂为一种丙稀酸类乳液(其外观如图1所示)，属于一种有机类材料，其分子式主要为R-CH=CH-COOH。乳液中有效成分含量占35%左右，水分含量占65%左右，具有良好的水泥混凝土表面渗透性能。

图1 Primer界面剂外观

1.2 主要特点

(1)同时具有油性基团和水性基团，能够与水泥混凝土表面反应键合，同时与有机材料融合，能够增强有机材料与水泥混凝土的粘结能力。

(2)具有防水功能(混凝土表面涂覆界面剂后渗水情况如图2所示)，兼具“亲油”性质。材料涂刷于水泥混凝土表面后，待其水分蒸发后，其有效成分填充于水泥混凝土表层微孔隙内，并于水泥混凝土表面形成一层薄膜(约0.4～1.0 mm)，不仅能够起到防止雨水下渗至水泥混凝土内部的作用，且本身具有防水功能，形成了双重防水保护；且其有效成分本身具有“亲油”的性质，可有效改善水泥混凝土表面的“憎油”性质。

图2 混凝土表面涂界面剂后渗水情况

(3)具有固定粉尘的作用。界面剂为水性乳液，界面剂涂刷后至成膜的过程中，能够将浮尘固化，与界面剂形成一个整体，减少浮尘的影响。

1.3 作用原理

界面剂主要成分为丙烯酸乳液，分子式为“R-CH=CH-COOH”，其中“R基”为油性基团，“-COOH(羧基)”为水性基团。其作用原理：“-COO—(羧基)”能够与水泥混凝土中的“Ca2+(钙)”、“Mg2+(镁)”等离子反应，形成“-(COO)2Ca”、“-(COO)2Mg”，通过化学反应与水泥混凝土表面进行有效键合，从而形成一定的强度。有机基团“R+”与沥青的有机基团作用(相似相溶原理)，与沥青进行了粘结。同时丙烯酸乳液自身具有一定的渗透能力，渗透至水泥混凝土表面的毛细孔内，待水分蒸发固体成分遗留在毛细孔内，形成一定嵌挤和堵塞，进一步增强了其防水和与混凝土的粘结能力。

2 界面剂适用性研究

界面剂适用性研究即检验其能否适用于作为桥面水泥混凝土和桥面防水层间的界面材料，包括对桥面防水层基本性能的影响，对层间粘结能力的影响，以及对施工条件的适应性。

2.1 对桥面防水层材料基本性能的影响

界面剂应用于桥面混凝土和防水粘结层之间，与桥面防水层起一定的化学反应，因此首先要分析界面剂对桥面防水层基本性能的影响。试验桥面防水层采用SBS改性沥青，沥青用量为1.5 kg/m2。通过对比采用界面剂前后，桥面防水层低温、高温、耐酸碱、耐冲刷和抗渗等基本性能[8]变化，表明界面剂对防水粘结层的低温性能、高温性能、耐冲刷性能和防水性能有一定的提高作用，但是界面剂本身抗酸碱能力不足，施工时需注意酸碱的影响。

2.2 对层间拉拔力的影响

层间拉拔性能是层间粘结能力的一个重要体现，通过层间拉拔试验对比可反映界面剂对提高层间粘结能力的效果等。

2.2.1 试验方法

采用LGZ-1型结构层材料强度拉拔仪进行拉拔试验，拉拔温度为20 ℃，拉伸速度为10 mm/min，拉拔试验结束后，通过专门的软件对数据进行提取并分析。试件底部为300 mm×300 mm×50 mm的立方体水泥混凝土试件；上部为直径100 mm的圆柱形试件，采用环氧胶与拉拔头粘接；上下试件之间涂刷界面剂、桥面防水层等需要测试的介质，桥面防水层采用SBS改性沥青，沥青用量为1.5 kg/m2。试验条件准备见图3、图4。

图3 拉拔试验机 图4 拉拔试件

为研究界面剂对层间粘结能力的改善效果，分别进行了界面剂与水泥混凝土(检验界面剂与水泥混凝土粘结效果)、桥面防水层与水泥混凝土(检验防水层与水泥混凝土的原始粘结效果)、界面剂与防水粘结层(检验界面剂与防水粘结层的粘结效果)以及界面剂对提高复合试件层间粘结能力的情况。同时为检测界面剂在高温状态下的适应性，进行了复合试件的高温粘结能力试验。

2.2.2 界面剂与水泥混凝土粘结强度试验

为分析界面剂与水泥混凝土的粘结能力，采用涂抹界面剂的水泥混凝土板，直接用环氧胶粘接界面剂和拉拔头，进行拉拔试验(如图5所示)。试验分别进行了不同剂量的界面剂用量，试验结果如表1所示。

从拉拔试验结果来看，界面剂与水泥混凝土有着较好的粘结能力，界面剂用量在0.2 kg/m2以上时，拉拔力增长效果不明显。

图5 拉拔试件示意图

表1 界面剂与水泥混凝土粘结强度试验结果

界面剂用量/(kg·m-2)附着力/N位移/mm破坏强度/MPa0.132428.30.410.240826.70.520.341715.50.53

2.2.3 沥青与水泥混凝土粘结强度试验

为分析沥青与水泥混凝土粘结强度，采用如图6所示拉拔试件(底部混凝土块上表面涂刷界面剂，上部试块底表面不涂刷界面剂)进行室内拉拔试验。界面剂用量为0.2 kg/m2，试验结果如表2所示。

图6 拉拔试件示意图

表2 沥青与水泥混凝土粘结强度试验结果

附着力/N位移/mm破坏强度/MPa备注14997.60.19沥青粘接面断开

从沥青与混凝土粘结强度试验结果来看，沥青与水泥混凝土粘结强度为0.19 MPa，明显低于界面剂与水泥混凝土之间的粘结强度。

2.2.4 界面剂提高水泥混凝土与沥青防水层粘结能力试验

为分析沥青与界面剂间粘结强度，采用如图7所示拉拔试件(即两侧混凝土表面均涂刷界面剂)进行室内拉拔试验。试验采用不同剂量的界面剂，结果如表3所示。试验结果表明：

图7 拉拔试件示意图

表3 界面剂对提高水泥混凝土与沥青防水层之间粘结能力的拉拔试验结果

界面剂用量/(kg·m-2)附着力/N位移/mm破坏强度/MPa0.126702.00.340.238021.70.480.339311.20.50

(1)界面剂用量在0.2 kg/m2以上时，对层间粘结能力的提高效果不明显，界面剂适宜用量为0.2 kg/m2。

(2)当水泥混凝土试件双面均涂抹界面剂后，界面的粘结能力显著提高，基本发挥了沥青防水层固有的粘结能力。

2.2.5 复合试件层间粘结能力试验

复合试件如图8所示(底部混凝土块上表面涂刷界面剂，上部沥青试块底表面不涂刷界面剂)，进行室内拉拔试验，试验结果如表4所示。

图8 拉拔试件示意图

表4 界面剂与沥青混凝土试件粘结能力的拉拔试验结果

用量/(kg·m-2)附着力/N位移/mm破坏强度/MPa0(未涂)18621.40.240.236861.40.47

复合试件粘结性试验模拟了路面结构层的层间粘结状况，试验结果证实，界面剂的使用使得沥青混合料、桥面防水层和桥面混凝土之间的粘结强度得到了明显提高。

2.2.6 界面剂在高温状态下的适用性试验

为验证界面剂在高温状态下对层间粘结性能的影响，进行了复合试件的高温粘结能力试验，试验结果如表5所示。

表5 不同高温条件下粘结性试验结果

高温时间/h附着力/N位移/mm破坏强度/MPa039652.40.51239801.90.511237301.70.482441641.80.534840891.20.52

与常温状态下相比，界面剂在高温状态下与桥面混凝土、沥青混凝土之间的粘结能力无明显下降，也无明显提高，粘结性能基本保持一致。

2.3 界面剂对层间剪切能力的影响试验

除拉拔试验外，层间剪切试验也是衡量层间联结强度的试验方法[9]。考虑到常规的剪切试验应力偏低，采用扭转剪切法测定层间联结强度，即通过对铺装层材料施加扭矩而使防水层界面上产生扭转剪切应力[10]。复合试件扭转剪切试验布置见图9。其中，桥面防水层采用SBS改性沥青碎石封层，沥青洒布量1.5 kg/m2、碎石撒布量5.5 kg/m2、界面剂作业量0.2 kg/m2。同时，进行了20 ℃时的扭转剪切试验，试验结果见表6。

扭转剪切试验结果表明，界面剂的使用使扭转剪切力提高约60%，表明界面剂的使用能够明显提高桥面铺装层的抗剪切能力。

图9 复合试件扭转剪切试验

表6 20 ℃条件下扭转剪切试验结果

防水材料扭矩T/(N·m)直径D/m扭转截面系数Wp最大剪切力τmax/MPaSBS改性沥青55.10.100.00019630.28界面剂+SBS改性沥青87.30.100.00019630.44

3 结论

(1)界面剂的使用对SBS改性沥青桥面防水层基本性能有一定的提高作用，但需要注意酸碱的影响。

(2)界面剂的使用能够明显提高桥面混凝土与SBS改性沥青桥面防水层之间的粘结能力和抗剪切能力，层间拉拔力提高将近1倍，层间剪切力提高约60%。

(3)界面剂能够适应桥面防水层的高温施工条件，其施工最佳用量控制在0.2～0.3 kg/m2。

(4)界面剂自身具有一定的抗渗能力和固尘能力，形成了双层防水保证，减少了因粉尘造成的沥青防水层粘结不牢固问题。

综合分析，界面剂对提高桥面水泥混凝土和沥青混凝土的粘结性能有着明显的帮助，且其施工方便，价格便宜。

致谢:对白琦峰博士对本论文的大力支持和帮助，在此表示感谢！

参考文献

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[7] 张思桐.环氧沥青在桥面铺装中的应用研究[D].西安:长安大学,2010

[8] 郭 佩.水泥混凝土桥面防水粘结层研究[D].西安:长安大学,2012

[9] 王 涓.防水粘结层的性能研究[D].南京:东南大学,2003

[10] 柏 园.桥面铺装粘结层的研究[D].西安:长安大学,2005

On of the Application of the Primer Inter-facial Agent to the Cement Concrete Deck Pavement of Bridges

ZHU Wei1, ZHU Banghai2, GAO Lu1, XU Haibo1

(1.Countryside Road Administration of Ma'anshan Municipality,Ma'anshan 243000,China;2.Highway Administration of Ma'anshan Municipality,Ma'anshan 243000,China)

Abstract：The concrete deck pavement of a bridge is often damaged due to the poor binding between it and the waterproof layer because they are different in inter-facial properties:the cement concrete is water-friendly and oil-repellent,while the waterproof layer is just the opposite.To change the inter-facial properties of the surface of the cement concrete pavement,the Primer inter-facial agent is chosen as the inter-facial agent to help make the surface of the cement concrete pavement oil-friendly.Through applicability tests,it is found that the drawing force and the shear force between the concrete and the water-proof layer are increased respectively to nearly two times and 160%,and it is applicable to high-temperature construction,owing to which it is applicable to the cement concrete deck pavement of bridges.

Key words：inter-facial agent;water-proof layer;binding power;bridge deck;cement concrete

收稿日期：2016-08-24

第一作者简介：朱 纬(1972—)，男，高级工程师，主要从事公路与桥梁工程管理工作。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.01.003

中图分类号：U443.33

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2017)01-0011-05