環(huán)氧薄層鋪裝材料耐候性試驗研究

王興昌1,2，王凱3，范瑛1，磨煉同3

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430068； 2.武漢光谷建設(shè)投資有限公司，

武漢 430205； 3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點試驗室，武漢 430070)

摘要：通過開展室內(nèi)加速紫外老化試驗和凍融試驗分析環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料的耐候性。經(jīng)過模擬9年的紫外老化效果和20次高低溫凍融循環(huán)后環(huán)氧鋪裝材料仍保持很好的拉拔強度。試驗證實了環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料具有良好的抗紫外老化性、溫度收縮兼容性和耐候性，不會因為溫度變化和紫外老化而產(chǎn)生粘結(jié)失效、集料脫落和脫層等嚴重問題。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧；薄層鋪裝；紫外老化；凍融

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.017

Abstract:The weathering resistance of thin epoxy overlay materials was investigated by using UV aging test and freezing and thawing test.After subjected to 9-year UV aging effect and 20 freezing and thawing cycles,the overlay still remained good pull-off strength.Test results confirmed that thin epoxy overlay materials have good UV aging resistance,temperature shrinkage compatibility and weathering resistance,which are important to prevent adhesion failure,loss of aggregate and debonding.

收稿日期：2015-02-27.

作者簡介：王興昌(1972-)，高級工程師.E-mail:383727481@qq.com

Experimental Investigation of Weathering Resistance

of Thin Epoxy Overlay Materials

WANGXing-chang1,2,WANGKai3,FANYing1,MOLian-tong3

( 1.School of Civil Engineering and Architecture,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;

2.Wuhan Guanggu Construction and Investment Co,Ltd,Wuhan 430205,China;3.State Key

Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Key words:epoxy;thin overlay;UV aging;freezing and thawing

環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料主要由環(huán)氧黏結(jié)劑和單級配細骨料組成，攤鋪厚度小，能長期保持良好抗滑和防水性能的新型罩面材料，主要用于水泥混凝土橋面修復(fù)、彩色路面和鋼橋面鋪裝[1-6]。該鋪裝材料采用冷涂方法進行施工，即在路面或橋面上先涂上一層環(huán)氧膠黏，再撒布耐磨骨料經(jīng)環(huán)氧固化后而成。環(huán)氧黏結(jié)劑一般由環(huán)氧樹脂和固化劑混合而成，盡管環(huán)氧黏結(jié)劑具有優(yōu)良的耐腐蝕性，同時與很多材料黏結(jié)強度高，但其在一定的溫度、濕度、紫外光等條件下也會發(fā)生腐蝕和降解使其力學(xué)性能降低。由于環(huán)氧薄層抗滑鋪裝層厚度(約3～10 mm)比傳統(tǒng)的瀝青混凝土鋪裝層(約30～100 mm)小，同時其作為表面層一直暴露在自然環(huán)境中，因此所用環(huán)氧黏結(jié)劑的耐老化性是影響鋪裝層使用壽命的一大因素。太陽紫外線具有對環(huán)氧樹脂的降解作用，其原因是環(huán)氧樹脂中芳香族苯環(huán)結(jié)構(gòu)易吸收紫外線而發(fā)生氧化反應(yīng)，變色黃化就是直接的證據(jù)，因此有必要對環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料所用的環(huán)氧黏結(jié)劑進行耐紫外老化試驗研究。此外，路面需承受一年四季晝夜溫度周期性的變化，溫度的變化會引起材料不同程度上的膨脹或收縮變形，由于鋪裝層與基層材料的熱膨脹性能有差異，當層間溫度應(yīng)力過大時可能導(dǎo)致脫層，因此有必要研究環(huán)氧薄層鋪裝材料的抗凍融性能。國內(nèi)外一些實體工程調(diào)查表明環(huán)氧薄層鋪裝材料的主要病害，如表面開裂和脫層與材料耐候性有關(guān)，環(huán)氧材料低溫收縮變形性差和粘結(jié)不足是主要原因[3-6]。通過開展室內(nèi)加速紫外老化試驗和凍融試驗，分析環(huán)氧薄層抗滑鋪裝材料老化和凍融前后層間拉拔強度變化以檢驗其耐候性。

1原材料與試驗方法

試驗原材料主要有改性環(huán)氧膠黏劑和耐磨骨料，其中環(huán)氧粘結(jié)劑不含溶劑、100%固含、固化后模量低、由環(huán)氧樹脂和固化劑A、B兩組分組成，由武漢興正源路橋復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，所用耐磨骨料為玄武巖細集料，粒徑在2.36～4.75 mm之間。環(huán)氧抗滑薄層材料采用雙層施工，鋪裝層總厚度為7 mm，基層采用鋼板，尺寸為長300 mm×寬300 mm×厚12 mm。施工時先對鋼板進行表面處理，底涂層環(huán)氧膠用量為1.0 L/m2，玄武巖細骨料撒布用量為5.4 kg/m2；固化后回收多余骨料，涂抹第二層環(huán)氧膠黏劑，用量為2.0 L/m2，撒布玄武巖細骨料用量為7.6 kg/m2。固化后回收多余骨料，形成雙層環(huán)氧抗滑鋪裝層。

紫外老化試驗一般可采用在自然環(huán)境條件下紫外老化試驗和室內(nèi)加速紫外老化試驗。后者一般采用人工方法，在室內(nèi)或設(shè)備內(nèi)模擬近似于大氣環(huán)境條件，并強化某些因素如幅照強度，以期在較短時間內(nèi)獲得結(jié)果。自然紫外老化需要很長的時間而缺少實用性，室內(nèi)加速紫外老化所需用時間短，但可能失真，表現(xiàn)為室內(nèi)加速紫外老化與真正自然紫外老化的缺乏直接的對應(yīng)關(guān)系，更多只能說明一種變化趨勢，不能等同地對應(yīng)比較。本試驗采用自制的室內(nèi)加速紫外光老化試驗箱，試驗箱主要包括光源和溫度控制系統(tǒng)。1)光源：光源采用GHF125W-03反射型黑光高壓汞燈，它的外殼采用可阻擋可見光通過，而只透紫外光UV-A的伍得氏玻璃，起到濾光片的作用，能夠透過外殼的只有單純的狹窄的線光譜-365 nm紫外光。由于這種燈具有輸出光譜單色性強的特點，因此也被廣泛用作光化學(xué)試驗和熒光分析試驗儀器。2)溫度控制系統(tǒng)：由于高壓汞燈在產(chǎn)生紫外線的同時還產(chǎn)生大量的熱量，使試驗箱內(nèi)的溫度升高，為保證試驗不受環(huán)境溫度的影響，宜對老化箱內(nèi)的溫度進行控制。本試驗設(shè)定老化箱內(nèi)的溫度為50 ℃，接近自然老化環(huán)境下的老化條件。3)輻照強度的計量：輻照度的測量采用UV-A型紫外輻照計。UV-A型紫外輻照計(環(huán)地牌，88量制京字00000176)由北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn)，主要技術(shù)參數(shù)如下：UV365探頭對應(yīng)波長范圍λ為320～400 nm，峰值波長λp為365 nm；UV420探頭對應(yīng)波長范圍λ為375～475 nm，峰值波長λp為420 nm；輻照度測量范圍為0.1 μW/cm2至1.999×105μW/cm2；紫外帶外區(qū)雜光小于0.02%。

室內(nèi)加速紫外光老化試驗箱的紫外輻照強度與光源距離以及紫外燈強度衰減有關(guān)，經(jīng)紫外輻照計測量，紫外光強度在λp=365 nm為15.5～61 W/m2。環(huán)氧薄層鋪裝材料的老化過程如圖1所示，紫外光持續(xù)照射5 d。老化前后分別對試樣同一位置進行拍照記錄，同時采用ZQS6-2000型飾面磚粘結(jié)強度檢測儀進行拉拔試驗(如圖2所示)以檢驗老化對環(huán)氧鋪裝材料的影響。

凍融試驗的具體步驟是：首先將試樣水浴加熱至60 ℃，并保溫1 h，然后取出將試樣直接放到-18 ℃冰柜中保溫7 h，取出后直接放到60 ℃水浴升溫中保持1 h。通過冷凍-解凍循環(huán)，觀察不同循環(huán)次數(shù)后試樣界面粘結(jié)區(qū)的情況，以此評價抗凍融性能，同時采用20次凍融后的試樣進行拉拔試驗，試驗重點考慮高溫條件，即60 ℃和75 ℃，記錄下抗拉強度來評價凍融后粘結(jié)性能的衰減規(guī)律。

2結(jié)果與討論

本次試驗的紫外線持續(xù)照射為5 d，由紫外光的輻照量由輻照強度的時間積分來計算。本次試驗最大的幅照量為2.64×104kJ/m2。結(jié)合太陽年幅射總量約為5×104kJ/m2，其中紫外光譜約占地面太陽幅射總量的6%，即按年紫外光輻照量約為3×102kJ/m2計算，本次紫外老化試驗至少模擬了近9年的室外太陽光紫外老化效果。為了分析紫外老化的影響，對紫外老化前后試件表面進行了拍照，如圖3所示。通過對比分析可知，紫外老化對試件表面影響很小，試件表面沒有發(fā)生明顯的顏色變化或開裂。與此相反，試件的側(cè)面圖片對比分析表明紫外老化嚴重，環(huán)氧材料發(fā)黃并觀察到眾多裂紋。上述試驗結(jié)果表明所采用的紫外老化對環(huán)氧膠老化效果顯著，但由于試件表面有集料遮擋，紫外線老化并不嚴重。

為了分析老化對拉拔強度的影響，試驗采用了空白試件(未處理標準試件)和老化試件進行對比分析。每組試件做60 ℃和75 ℃兩種不同溫度環(huán)境下的拉拔試驗。試驗中拉頭處采用環(huán)氧樹脂來粘結(jié)，試驗時破壞面取決于不同的最薄弱環(huán)節(jié)。整個試驗主要由數(shù)顯式拉力機儀和與拉拔試驗配套的控制架組成，粘結(jié)強度為拉力除以粘結(jié)面積來確定。

表1為老化前后粘結(jié)強度對比分析。老化后環(huán)氧鋪裝材料的粘結(jié)強度有明顯的下降，如60 ℃和75 ℃時其降幅分別約為40%和30%，這表明了老化對鋪裝層材料的耐久性可產(chǎn)生很大的影響。溫度升高后試樣的粘結(jié)強度降低，表明了試樣的粘結(jié)強度對溫度的依賴性[6]。由于所用拉拔儀為手搖式加載，加載速度相對于直接拉伸試驗慢。直接拉伸試驗結(jié)果表明在60 ℃時的粘結(jié)強度為1.30 MPa，而手搖式拉拔強度為0.782 MPa，證實了實驗條件會產(chǎn)生不同的試驗結(jié)果，因此在現(xiàn)場拉拔強度檢測時應(yīng)注意試驗時的溫度和加載速度[5]。當溫度低或加載快時，拉拔強度偏高，反之則偏小。

表1　老化前后粘結(jié)強度對比分析

試驗結(jié)果表明經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，試件表面和界面均未觀測到微裂。凍融后紋粘結(jié)強度出現(xiàn)了較小的下降，如60 ℃和75 ℃時其降幅分別約為12%和15%，表明環(huán)氧鋪裝材料具有優(yōu)良的抗凍融性能。圖4為紫外老化和凍融對粘結(jié)強度的影響對比分析，結(jié)果顯示紫外老化的影響大于凍融循環(huán)，說明了紫外老化對環(huán)氧薄層鋪裝耐久性有很大的影響，在材料選擇時應(yīng)注意抗老化性能的比選。

表2　老化前后粘結(jié)強度對比分析

3結(jié)語

通過紫外環(huán)境箱和凍融試驗檢驗了環(huán)氧薄層鋪裝材料的耐候性。紫外老化和20次凍融循環(huán)后環(huán)氧鋪裝材料在高溫下還保持很好的拉拔強度。紫外老化模擬試驗、凍融試驗和拉拔強度試驗均證實了所用環(huán)氧膠黏劑具有良好的抗紫外老化性、溫度收縮兼容性和耐候性，不會因為溫度變化和紫外老化而產(chǎn)生粘結(jié)失效、集料脫落和脫層的嚴重問題，但必須指出，室內(nèi)紫外加速老化很難真實反映自然老化過程，建議與現(xiàn)場實際使用效果相結(jié)合，以更好地評價環(huán)氧鋪裝層的耐久性。

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