钢桥面铺装防水粘结层性能研究

GXF360 2019-09-20

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0 概述

我国乃至世界各国的大跨径桥梁均采用钢桥结构，其面层采用沥青混合料进行铺装。钢桥面铺装技术日益进步的同时，在其设计服务年限内的铺装层病害逐渐得到越来越多的重视[1]。钢桥面铺装层的病害主要表现为脱层、鼓包、车辙、推移以及裂缝等[2]，其中脱层、鼓包和推移等病害的发生与防水粘结材料的选择和设计关系密切，调查研究认为，防水粘结的功能失效是导致此类病害发生的主要原因[3, 4]。防水粘结层在钢桥面板和铺装面层之间起到联结防护作用，不但可将钢桥面板与沥青层联结成有效整体，还能够阻止水分下渗侵蚀钢板[5]。作为铺装体系的一个薄弱环节，防水粘结层受到温度、湿度、行车荷载的影响以及各种盐类的侵蚀。何昌轩[6]研究了环氧树脂防水层的拉伸、拉拔、拉剪以及与钢板的随从性和耐腐蚀性，防水材料在低温环境下获得了较好的弯曲效果。刘云[7]通过有限元模拟和室内实验相结合，研究了行车荷载在制动时防水粘结层的力学响应。张勐[8]通过Fluent研究了动水压力对防水粘结层的性能影响，在防水粘结材料选定的情况下，动水压力会加剧防水粘结层与铺装结构层的剥离。王民[9]通过盐雾、酸雾实验对防水粘结材料的防腐效果进行评价，认为钢桥面防水材料在选取时其防腐性能是不能忽视的。张争奇[10]通过拉拔、剪切试验研究了环氧沥青作为防水粘结层的粘结强度及其影响因素，张嘉林[11]研究了施工技术及温度条件对防水粘结材料性能及其粘结强度的影响。

选取优良的防水粘结材料是钢桥铺装面层具备良好使用性能的前提。本文通过对防水粘结材料的技术性能进行研究，进一步对其粘结效果进行试验，从而基于钢桥面铺装的防水粘结层性能对其影响因素进行分析，同时为其施工控制技术提供依据。

1 防水粘结材料

1.1 防水粘结材料的选取

国内钢桥面铺装目前常用的防水粘结材料主要有热熔型、热固性以及溶剂型三类[12]。热熔型粘结材料具有良好的变形能力和防水效果，但在高温环境下容易软化，粘结性能容易受到影响，施工温度不易控制；热固性粘结材料通过两种液态成分混合而成，具备较好的粘结能力，但其对施工组织和机械要求较高；溶剂型粘结材料多为乳化沥青和可溶性橡胶沥青，在高温环境下易软化，材料内部一般含有热敏性物质，在高温施工环境下会释放出气体，排放不及时易导致铺装层产生气泡，影响施工质量。

本文采用甲基烯酸类树脂(MMA)防水粘结材料。MMA是一种双组分的环氧树脂，通过两组分的混合并加入固化剂制备而成，将制备好的MMA材料浇筑在试模中成型，进行材料性能试验。

1.2 防水粘结材料制备

利用纸板制作1.5mm厚的模框，选取原材料两组分各120 g、固化剂4.8g，两组分混合后用玻璃棒快速搅拌1min，倒入固化剂，搅拌后1min待两组分充分反应后倒入模框，并将表面刮平，如图1(a)所示。在标准条件下养护96h后脱模，脱模后将防水层放置于40℃环境下养护48h，然后再置于标准条件下养护4h，最终成型得到如图1(b)所示的防水粘结材料。根据试验需求裁剪成不同试样形状进行试验。

图1 防水粘结材料的制备

2 防水材料性能试验

2.1 拉伸试验

防水粘结材料处于铺装层和钢桥面板之间，其材料性能决定了防水粘结层的粘结效果和协同工作能力。通过拉伸试验检测防水粘结材料的抗拉强度、断裂延伸率及耐酸碱性。断裂延伸率体现了防水粘结材料的变形能力，可通过式(1)进行计算。

(1)

其中Eb为断裂延伸率；Lb为断裂时长度，单位mm；L0为初始长度，单位mm。将制作好的防水粘结材料试件裁剪成如图2所示的哑铃状试件，用拉力试验机夹住哑铃型试件两端，夹头以500±50mm/min的速度匀速分离，直到试件断裂。为验证材料的耐酸碱性，将哑铃型试件分别浸泡于2%的硫酸溶液和0.1mol/L的氢氧化钙溶液中，养护7d后取出观察酸、碱处理后的试件表面无剥落、起泡、分层、起皱等现象，然后对酸、碱处理过的试件进行拉伸试验。记录试验前后试件工作部分长度，并记录拉伸力。试验结果如表1所示。

图2 材料拉伸试验所用试样

表1 MMA的拉伸试验结果

处理方式材料厚度/mm左中右拉伸力/N单值均值断裂延伸率/(%)单值均值无处理1.321.321.3793.751.381.331.30111.381.671.641.61128.211.521.501.4281.731.261.251.25101.76103.37141.91160.83170.2682.32145.28140.12酸处理1.541.521.5389.281.471.441.43101.311.381.401.42109.191.401.431.44103.381.601.571.55107.81102.19150.98160.73143.28100.9997.38130.67碱处理1.511.471.4689.721.601.551.54110.721.431.461.5198.731.311.431.4396.511.511.541.53113.87101.91160.71155.97133.55118.91140.31141.89

通过表1可以看出，在进行酸、碱处理后MMA试样厚度均有不同程度的增加，未处理前试样平均厚度为1.41mm，经酸处理后的试样平均厚度为1.47mm，碱处理后的试样平均厚度为1.49mm。经过酸、碱处理后的试样抗拉强度稍有下降，表现为其试件断裂时的拉伸力略有降低，但降幅均不明显；酸处理后其断裂延伸率减小，碱处理后其断裂延伸率增加。

所有患者均仰卧于体部的真空垫进行CT定位扫描及接受射波刀(Accuray Incorporated, Sunnyvale, CA))放射治疗。肿瘤靶区(gross tumor volume, GTV)定义为影像学所示病灶靶区，计划靶区(planning target volume, PTV)定义为肿瘤靶区在x、y、z轴方向各外放2～3 mm。总剂量30～36 Gy(5～8次分割)。至少90% PTV被处方剂量线包绕。

2.2 低温柔性

将成型好的防水层裁取100mm×25mm矩形试件进行试验。将试件和弯板放入已调节到-20℃的低温环境箱(如图3所示)中维持1h，然后在冷冻液中将试件绕弯板迅速(控制时间约3s内)弯曲180℃，如图4所示，弯曲完马上取出试件用肉眼观察试件表面有无裂纹、断裂。MMA的低温柔性试验结果如表2所示。

图3 环境箱内低温养护

图4 低温柔性试验

表2 防水粘结材料的低温柔性试验结果

试件编号试验结果1试件表面无裂纹、无断裂2试件表面无裂纹、无断裂3试件表面无裂纹、无断裂4试件表面无裂纹、无断裂5试件表面无裂纹、无断裂

通过试验可以发现，在低温环境下，MMA表现出较好的柔韧性，试件均无断裂现象，表面也没有出现裂纹。

（5）钻井参数、钻井液性能不合适。不适应地层的钻井液将大大制约钻井速度和影响井身质量，严重的将导致井下故障复杂化；钻井施工过程中缺乏详细的具有指导意义的钻井液性能参数和药品加量。

对于∀R+,由于s是有界线性算子,其共轭算子记作也是L2(Γ;η)上的有界线性算子,下面的命题给出了的显式表达式。

3 拉拔试验

通过拉拔试验可评价防水粘结层与钢桥面板以及铺装面层之间的粘结效应[13, 14]。拉拔试验通过万能试验机和拉拔夹具进行，如图5所示，拉头直径为50mm，夹具底板为100mm×100mm×3mm的钢板模拟钢桥面板。通过式(2)进行计算试样破坏时的拉拔强度，评价防水粘结材料的粘结效应。试样破坏时，其破坏面积与试件面积的比值为破坏界面占比，其值也能反映防水粘结材料的粘结强度，粘结强度较大的，其破坏界面占比较大。

在一些特殊情况下，发动机控制单元也会根据发动机的工作状况，做出对点火提前角的调整，以控制发动机保持在特殊情况下的工作。比如，当出现发动机输出功率、扭矩超出发动机的功率、扭矩需求时，控制单元除了对燃油喷射量进行调整外，还会推迟点火时刻来降低扭矩的输出。有时候，这种调整是为了发动机的扭矩输出更加平滑，如踩下离合器踏板时，为了离合器结合时动力输出的平顺性，控制单元往往要做出减少喷油量、推迟点火时刻的控制。但这种调整有时候受制于发动机电脑的控制逻辑，有时候不一定非常的合理。

(2)

式中：P—拉拔强度(MPa)；F—试验拉拔力(N)；A0—拉头底面面积(mm2)。

图5 拉拔试验装置

3.1 底漆

底漆在钢桥面铺装体系中主要起防止钢板生锈的作用，同时兼具一定的粘结补强作用。在表面粗糙程度相同的钢板上涂抹不同厚度的底漆，然后进行拉拔试验，试验完成后，界面破坏均发生在钢板与底漆之间，表明实测的结果有效，结果如表3所示。

抓住主要矛盾进行调解法是指劳动争议调解员在进行调解时，依照劳资纠纷的具体情况，抓住纠纷发展过程中起决定作用的矛盾进行调解的方法。抓住主要矛盾进行调解一般表现为抓住申请调解当事人最关心的核心问题。

表3 不同底漆厚度下的拉拔试验结果

底漆厚度拉拔强度/MPa单值平均值破坏界面占比/(%)单值平均值60μm9.779.318.879.3290908086.7120μm3.593.273.173.3450407053.3

可见，底漆厚度为120μm的拉拔强度、界面破坏面积占比较60μm的底漆厚度均要小，表明对于提高底漆与钢板之间的拉拔强度，底漆并非越厚越好，应考虑材料的利用效率，从60μm底漆厚度的破坏面积来看，破坏占比已达到86.7%，表明底漆厚度为60μm时，材料利用效率较高。此外，60μm的底漆厚度足以胜任对钢板的保护作用，因此建议底漆喷涂厚度宜为60μm。

在确定底漆厚度的基础上，在同样粗糙程度的钢板上涂抹2mm厚的MMA，与涂抹有60μm底漆和2mm厚MMA的样本对比，结果如表4所示。

苍南县位于温州东南沿海,台风暴雨、大风、风暴潮严重影响的地区之一。据资料统计,台风在厦门以北和温州以南登陆,对苍南影响严重[1]。苍南县拥有130多万人口,地理气候独特,因此对影响苍南的登陆台风过程进行分析和积累经验显得尤为重要。一直以来,许多学者对登陆台风的强度、路径变化等研究成果丰富[2-5]。对各类台风暴雨的成因及天气学诊断也做了大量工作[6-9]。其中,董大治对严重影响苍南的台风进行防汛减灾及政策制定方面的研究,得出了有意义的结论[10-11]。

表4 有无底漆样本的拉拔试验结果

结构形式拉拔强度/MPa单值均值破坏界面占比/(%)单值均值钢板+防水层2.972.913.062.9830403033.3钢板+底漆+防水层4.614.163.854.3970807073.3

通过表4可以看出，设置底漆时拉拔强度、界面破坏面积均大于不设置底漆时的强度。可见，设置底漆提高了对防水体系的拉拔强度，且提高了防水材料的利用效率。因此，在钢桥面防水粘结体系中，应设置底漆。

3.2 防水粘结层厚度

在同样粗糙程度的钢板上涂抹60μm底漆，然后在其上制作不同厚度(0.5mm、1.5mm、2.5mm、3.5mm)的纸模，在模具内浇筑相应厚度的MMA并养护成型，粘结拉头后进行拉拔试验。试验结果如图6所示。

图6 不同MMA厚度的拉拔试验结果

由图5可知，随着防水层厚度的增大，试件拉拔强度不断上升，当防水层厚度大于2.5mm时，试件拉拔强度下降。防水层厚度小于2.5mm时，防水层与钢板间未能形成结构层，导致拉拔强度较小；当防水层厚度大于2.5mm时，防水层厚度超过防水层与钢板形成结构层的厚度，存在一部分“富余”材料，导致拉拔强度降低。因此，在施工过程中，建议防水层厚度控制在2.0～2.5mm。

4 剪切实验

车辆在桥面上行驶或紧急制动等都会使钢桥面铺装产生复杂的应力、应变，当剪应力大小超过防水粘结层抗剪强度时，铺装层与钢板之间就会在水平方向上产生相对位移而发生破坏[15, 16]。目前我国还没有钢桥面铺装防水粘结层试验规范，各科研机构采用不同的试验方法，其试验结果也较难进行比较。通常，剪切试验分直剪试验和斜剪实验，斜剪试验指剪切面与受力呈一定角度，一般为45°、30°，直剪试验指剪切面与受力平行。斜剪试验受力更复杂，能更好地反映试件的真实受力状况。本文选用45°斜剪试验，试件及试验装置如图7所示。在MMA防水粘结层上粘结沥青混合料试件，并置于剪切试验装置上进行剪切试验，测试MMA防水粘结层的抗剪强度，其值可通过式(3)计算。

(3)

式中：S—剪切强度(MPa)；T—最大剪切荷载(N)；A—试件剪切面积(mm2)。

图7 剪切试验试件及试验装置

4.1 温度

粘结材料的抗剪性能、变形能力受温度影响较大，为考察温度对防水粘结层抗剪性能的影响，将制作好的试件放置于25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃环境下养护24h后进行斜剪试验，结果如图8所示，其试样破坏结果如图9所示。

通过图8可以看出，随着温度的升高，防水粘结层的抗剪强度逐渐减小。这是由于随着温度升高，防水粘结层的软化导致其抗剪能力下降，且温度越高下降的幅度越大，通过对其数据进行回归分析，发现其抗剪强度随环境温度升高而成对数递减。通过图9的几个典型温度下的试件剪切破坏观察可知，试件破坏面处于粘结层与混合料粘结处，随着温度的升高，粘结层破坏面积逐渐减小，沥青混合料破坏面积逐渐增大。可见，沥青混合料粘结性能随温度升高而下降的幅度大于粘结层。为确保防水粘结层与铺装面层之间具有足够的抗剪强度，施工温度控制在40℃以下为宜。

经计算，若按库容比例分摊，兴利部分分摊共用工程投资分摊系数91.49%，防洪部分分摊共用工程投资分摊系数8.51%。

图8 试件在不同温度下的抗剪强度

图9 试件在不同温度下的剪切破坏

4.2 湿度

防水粘结材料具有防水、排水性能，要求其在不同湿度环境下均能正常工作。为考察环境湿度对防水粘结层性能的影响，将制作好的试件放置于温度为25℃，不同相对空气湿度的环境箱中养护24h后进行斜剪试验，结果如图10所示。

图10 试件在不同湿度下的抗剪强度

通过图10可以看出，随着环境相对湿度的增加，防水粘结层与铺装面之间的抗剪强度逐渐下降，且当相对湿度超过60%以后，下降的幅度显著增大。这是由于湿度增大时，空气中的水分进入粘结层与沥青层之间，影响两者的粘结进而弱化了防水粘结材料的粘结效应，从而导致抗剪强度降低，因此施工时应确保现场环境的相对湿度不超过60%。

5 结论

本文选取的MMA具有较好的低温柔性和耐酸碱性，这是其作为防水粘结层要保证的基本性能。通过拉拔试验发现，在钢桥面板上喷涂60μm的底漆不但有利于防止钢桥面板遭受水分侵蚀，而且能提高防水粘结层的粘结效应。MMA防水层的厚度并非越厚越好，以2.5mm为宜。通过剪切试验，发现防水粘结层的抗剪强度随着温度升高成对数下降，为确保防水粘结层与铺装面层之间具有足够的抗剪强度，施工温度控制在40℃以下为宜。此外，环境湿度较大也会导致防水粘结层的抗剪强度降低，施工时应确保现场环境的相对湿度不超过60%。

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