趙德新 ，梁 媚

(1.廣西旺港高速公路有限公司，廣西 北海 536000；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530023)

防水粘接層作為鋼橋面鋪裝體系中的重要組成部分，在實(shí)際運(yùn)用中，可以確保鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼橋面板之間建立良好的粘接關(guān)系，使得上層鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的荷載承受能力，從而提高行車行駛的穩(wěn)定性和安全性。此外，通過利用防水粘接層，避免鋼橋面板遭受水、汽油等化學(xué)物質(zhì)的侵害，從而實(shí)現(xiàn)對鋼橋面板的有效保護(hù)。但是，一旦防水粘接層遭到破壞，會導(dǎo)致鋼橋面板與鋪裝層之間出現(xiàn)嚴(yán)重脫空現(xiàn)象，破壞上層鋪裝體系結(jié)構(gòu)，增加車荷載對鋼橋的破壞力，導(dǎo)致橋梁使用年限不斷縮短。為了解決以上問題，提高鋼橋面鋪裝的穩(wěn)固性，降低鋪裝層病害出現(xiàn)的可能性，現(xiàn)研發(fā)一種粘接能力強(qiáng)、抗?jié)B性高、耐久性高的聚合物防水粘接層材料。

1 聚合物防水粘接層材料開發(fā)

為了進(jìn)一步提高防水粘接層的粘接性能，使得鋼橋面鋪裝使用壽命得以有效延長，在選用聚合物防水粘接層材料期間，試驗(yàn)人員要做好以下幾點(diǎn)：(1)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的溫度、應(yīng)力會引起橋面翹曲問題[1]，所以，為了實(shí)現(xiàn)對鋪裝層收縮系數(shù)的合理化控制和調(diào)整，要加強(qiáng)對防水粘接層粘接性能的優(yōu)化。(2)不同地區(qū)所對應(yīng)的環(huán)境溫度和濕度存在很大的不同[2]，要確保水利工程管理表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性，只有這樣，才能確保該材料即使在高溫環(huán)境下，也能表現(xiàn)出良好的抗變性能[3]。(3)聚合物防水粘接層材料即使在低溫環(huán)境下，也能表現(xiàn)出較高的韌性，從而降低脆裂出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。(4)為了避免鋼板內(nèi)部因滲入大量的雨水而出現(xiàn)腐蝕問題[4]，要確保該材料表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性。

2 聚合物防水粘接層材料性能指標(biāo)

聚合物防水粘接層材料的性能如表1所示。與環(huán)氧瀝青防水粘接層材料相比，該材料屬于一種先進(jìn)、新型的防水粘接層材料[5]，現(xiàn)階段，并沒有制定相關(guān)試驗(yàn)要求，為此，本文在全面參考建筑防水涂料試驗(yàn)相關(guān)操作方法以及鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范開展試驗(yàn)，從而研發(fā)出符合鋼橋面鋪裝使用需求的聚合物防水粘接層材料[6]。

表1 聚合物防水粘結(jié)層材料參數(shù)設(shè)置Tab.1 Material parameter settings of polymer waterproof adhesive layer

3 鋼橋面鋪裝聚合物防水粘接層使用條件

3.1 “下層澆注+上層環(huán)氧”鋪裝結(jié)構(gòu)

雙層鋪裝的使用，可以實(shí)現(xiàn)對上層、下層鋪裝材料的科學(xué)化、規(guī)范化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮和利用聚合物防水粘接層材料的應(yīng)用優(yōu)勢[7]；所以，雙層鋪裝方式逐漸發(fā)展為公鋼橋面主流的鋪裝方式。“下層澆注+上層聚合”鋪裝結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 “下層澆注+上層聚合”鋪裝結(jié)構(gòu)形式Fig.1 “Lower layer pouring + upper layer polymerization” pavement structure form

通過將防水粘接層合理地設(shè)置在已處理好的基面上，并與下層澆筑式瀝青混凝土之間建立起良好的連接關(guān)系[8]，從而形成龐大的防水保護(hù)體系，降低鋼橋面腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，以起到保護(hù)鋼橋面鋪裝的目的。此外，上層聚合物鋪裝通常暴露在環(huán)境外，與環(huán)境產(chǎn)生直接性的接觸關(guān)系[9]，表現(xiàn)出較高的密實(shí)度、耐久性等特點(diǎn)；同時，還能利用粘接層，將上、下層鋪裝進(jìn)行有效地粘接[10]，確保防水粘接層表現(xiàn)出良好的粘接性能。

3.2 澆注式聚合物施工方法

澆筑式聚合物混凝土作為一種常用的混凝土，具有耐高溫、流動性強(qiáng)等特點(diǎn)，在無需碾壓的情況下，就能迅速成型[11]。其施工方法：(1)在正式進(jìn)入攤鋪施工之前，要做好立模操作，避免混合料出現(xiàn)側(cè)向偏移現(xiàn)象；(2)模板在實(shí)際設(shè)置中，使用的鋼擋板寬度、厚度分別為300、23 mm，此外，還要對澆筑式攤鋪機(jī)軌道處理[12]；(3)要利用Cooker運(yùn)輸車，將生產(chǎn)好的澆筑式聚合物防水粘接層材料運(yùn)輸?shù)街付ǖ匿佈b現(xiàn)場，在正式使用該材料期間，要做好對該材料的充分?jǐn)嚢韬捅?，以延長其使用壽命[13]；(4)為了進(jìn)一步提高混凝土澆筑施工質(zhì)量，要做好對混凝土質(zhì)量的全面化檢測，確保溫度最小值為220 ℃，最高溫度為240 ℃[14]。另外，在進(jìn)行攤鋪期間，要使用移動式攪拌機(jī)，將澆筑好的混合料放置到鋼橋面板上[15]。

3.3 高性能防水粘接層使用條件

3.3.1氣候條件

橋梁通常位于地面之上，該橋梁主要用到了大量的小熱熔鋼材，增加導(dǎo)熱效率。一旦受到夏季陽光的照射，鋼橋面溫度會不斷上升，溫度值通常超過70 ℃；當(dāng)日落后，橋面溫度又會呈現(xiàn)出急劇下降的狀態(tài)。因此，鋼橋面具有溫差大、變溫快等特點(diǎn)；同時，鋪裝與鋼板通過接觸后，會形成一定的應(yīng)力，在溫度、應(yīng)力的影響下，不斷降低防水粘接層粘接性能。

3.3.2交通條件

鋼橋面在進(jìn)行實(shí)際鋪裝期間，通常會承受較大的車輛荷載力，這些荷載主要沿著鋪裝、防水粘接層、鋼橋面、主梁進(jìn)行傳遞。防水粘接層的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以確保鋪裝和橋面之間受力的協(xié)同性，所以，整個鋼橋面鋪裝會一直承受著車輛荷載的作用。

3.3.3粘接基面條件

對于防水粘接層而言，其粘接基面屬于典型的鋼板，并非混凝土材質(zhì)，這一特性很好地區(qū)分了防水粘接層與普通防水層之間的不同。對于鋼橋面板而言，通常會表現(xiàn)出一定的粗糙度；但是，從協(xié)同變形情況角度分析，發(fā)現(xiàn)高性能防水粘接層所對應(yīng)的粘接基面與其他普通防水粘接層之間存在很大的不同。

3.3.4鋪裝施工條件

在進(jìn)行鋼橋面鋪裝期間，要優(yōu)先選用“下層澆注+上層聚合”方案；然后，對防水粘接層進(jìn)行鋪裝操作。澆筑式瀝青混凝土要在高溫環(huán)境下，采用攪拌的方式進(jìn)行制作，確?；旌狭显趯?shí)際攤鋪期間，表現(xiàn)出較高的流動性，從而達(dá)到快速成型的目的。這樣，省略了瀝青混凝土的碾壓操作，與普通碾壓混凝土工藝相比，鋼橋面鋪裝工藝表現(xiàn)出很大的差異性和獨(dú)特性，充分表明高性能防水粘接層使用特點(diǎn)。

4 聚合物防水粘接層應(yīng)用性能評價

防水粘接層性能評價主要是指通過分析鋼橋面板表面清潔度、粗糙度、涂覆量和固化時間等不同因素對聚合物防水粘接層材料強(qiáng)度影響[16]，并確定出該材料的最佳粘接強(qiáng)度。通過借助防水粘接層，可以確保鋼橋面板與鋪裝層之間建立起良好的連接關(guān)系，鋼橋面板表面的清潔度和粗糙度通常會對防水粘接層強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。此外，該材料的粘接強(qiáng)度同樣與涂覆量、固化時間等因素息息相關(guān)[17]?，F(xiàn)分析研究鋼橋面板表面清潔度、粗糙度、涂覆量和固化時間等不同因素對該材料粘接性能，進(jìn)行科學(xué)評價，為后期最大限度提高鋼橋面板的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，為最大限度提高該材料的粘接性能提供重要的依據(jù)和指導(dǎo)。

4.1 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行聚合物防水粘接層性能評價試驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)人員嚴(yán)格按照鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，確定防水粘接層強(qiáng)度測試流程[18]。在正式進(jìn)入拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)前，要采用拋丸處理的方式，做好對鋼橋面板表面的清潔處理；此外，還要利用粘接拉拔試件[19]，將聚合物防水粘接層材料的固化條件設(shè)置為120 ℃，并對其進(jìn)行保溫，保溫時間設(shè)置為4 h。當(dāng)膠粘劑強(qiáng)度滿足所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值后，方可開展拉拔試驗(yàn)[20]。在本試驗(yàn)中，所用到的拉頭規(guī)格為圓形，其直徑為3 cm，試驗(yàn)溫度和拉拔速率分別為20 ℃、50 mm/min；同時，還要將鉸接頭設(shè)置在拉拔夾具端，避免出現(xiàn)拉拔偏心影響最終試驗(yàn)結(jié)果的精確性和真實(shí)性。拉拔強(qiáng)度(P)計(jì)算公式：

P=F/S

式中：F代表實(shí)驗(yàn)拉拔力；S代表拉頭底面積。

4.2 鋼橋面板表面特性對粘接強(qiáng)度的影響

在對聚合物防水粘接層材料正式噴涂之前，采用拋丸粗糙化處理方式，對鋼橋面板進(jìn)行清洗、磨砂處理；然后，將鋼橋面板緊緊地粘接在鋪裝層上。此外，還要嚴(yán)格按照公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，確保處理后的鋼橋面鋪裝清潔度達(dá)到Sa2.5以上，粗糙度最小值為40 μm，最大值為100 μm。在整個試驗(yàn)過程中，通過設(shè)置不同的清潔度鋼橋面板和不同粗糙度鋼橋面板，開展相關(guān)對比試驗(yàn)，對聚合物防水粘接層材料的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度進(jìn)行精確化測試；同時，還要將試驗(yàn)溫度設(shè)置為25 ℃?？辜魪?qiáng)度、拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 聚合物防水粘結(jié)層材料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of shear strength of polymer waterproof adhesive layer materials

表3 聚合物防水粘結(jié)層材料拉拔強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of tensile strength of polymer waterproof adhesive layer materials

由表2、表3可知，當(dāng)鋼橋面板粗糙度不斷增加時，因清潔度不同，所對應(yīng)的鋼橋面板抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不斷增加的狀態(tài)。在3種不同的清潔度下，當(dāng)鋼橋面板粗糙度從原來的10 μm緩慢增長到40 μm時，鋼橋面板的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度將達(dá)到最大值；當(dāng)鋼橋面板的粗糙度超過40 μm，且鋼橋面板清潔度相同時，鋼橋面板的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度并不會隨其粗糙度的不斷增加而呈現(xiàn)出明顯變化的狀態(tài)。當(dāng)鋼橋面板的粗糙度相同時，鋼橋面板抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度會隨其清潔度等級的上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。此時，當(dāng)鋼橋面板清潔度從原來的Sa2.0等級上升至Sa2.5等級時，其抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度上升幅度超過清潔等級在Sa2.5～Sa3.0的上升幅度。由此可知，為了確保聚合物防水粘結(jié)層具有良好的粘接性能，需要將鋼橋面板的清潔度、粗糙度設(shè)置為Sa1.5、40 μm，只有這樣，才能延長鋼橋面鋪裝的使用壽命。

4.3 聚合物防水粘結(jié)層材料用量對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

對于防水粘結(jié)層材料而言，其使用量不同，對鋼橋面板的粘接強(qiáng)度也存在直接性的影響。當(dāng)防水粘結(jié)層厚度過低時，容易造成防水粘結(jié)層所獲得的粘接強(qiáng)度嚴(yán)重不足，無法保證鋼橋面板和鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地連接，此時，一旦受到車輛荷載的影響，勢必會增加脫空安全事故的出現(xiàn)可能性。當(dāng)防水粘結(jié)層厚度過高時，層間粘結(jié)僅僅依賴粘結(jié)材料自身的粘接強(qiáng)度，會大幅度降低層間的摩擦力，在車輛荷載的影響下，很容易出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。為了科學(xué)地控制和確定出聚合物防水粘結(jié)層材料的最佳使用量，需要分別將鋼橋面板清潔度、粗糙度和試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為Sa1.5、40 μm、25 ℃，并分別測試4種不同的涂覆量對防水粘結(jié)層粘接強(qiáng)度的影響，所獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 聚合物防水粘結(jié)層材料涂覆量試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of coating amount of polymer waterproof adhesive layer material

由表4可知，當(dāng)鋼橋面板所涂抹的防水粘結(jié)層使用量達(dá)到0.5 kg/m2時，其抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為3.87、1.91 MPa；在鋼橋面板清潔度、粗糙度分別為Sa1.5和40 μm情況下，將聚合物防水粘結(jié)層材料的最佳使用量設(shè)置為0.5 kg/m2，時，可以確保聚合物防水粘結(jié)層材料獲得最佳粘接強(qiáng)度。

4.4 固化時間對粘接強(qiáng)度的影響

本文研發(fā)的聚合物防水粘結(jié)層材料置于常溫環(huán)境后，會出現(xiàn)固化現(xiàn)象，并變?yōu)闊峁绦圆牧?，該熱固性材料所形成的?qiáng)度具有不可逆轉(zhuǎn)特點(diǎn)。對于鋼橋面鋪裝層而言，其施工工藝主要包含聚合物混凝土攤鋪。當(dāng)聚合物防水粘結(jié)層材料所對應(yīng)的固化時間過短時，由于受到攤鋪機(jī)的影響，導(dǎo)致聚合物防水粘結(jié)層材料在實(shí)際分布中呈現(xiàn)出不均勻特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了防水粘結(jié)層的粘結(jié)性能。當(dāng)聚合物防水粘結(jié)層材料所對應(yīng)的固化時間過長時，導(dǎo)致該材料在固化不徹底期間出現(xiàn)粘結(jié)性能變差問題。為了確定該材料的最佳固化時間，將試驗(yàn)溫度設(shè)置為25 ℃，以20 min作為時間間隔，向鋼橋面板均勻地涂抹一層薄薄的聚合物防水粘結(jié)層材料，之后出現(xiàn)相應(yīng)的成型試件，從而可精確地測量該材料粘結(jié)強(qiáng)度。該粘接強(qiáng)度主要是從抗剪強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度2種參數(shù)中體現(xiàn)出來，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 聚合物防水粘結(jié)層材料固化時間試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of curing time of polymer waterproof adhesive layer materials

由表5可知，當(dāng)該材料的固化時間不斷延長時，發(fā)現(xiàn)鋼橋面板的兩種粘接強(qiáng)度值會呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。當(dāng)該材料的固化時間達(dá)40 min時，鋼橋面板的2種粘接強(qiáng)度達(dá)最大值，其中，抗剪強(qiáng)度達(dá)3.87 MPa；拉拔強(qiáng)度達(dá)到1.93 MPa。鋼橋面在實(shí)際施工期間，當(dāng)該材料固化時間低于40 min時，開展混凝土攤鋪操作，此時，該材料的粘接強(qiáng)度不足，并沒有達(dá)到最佳狀態(tài)，將會嚴(yán)重影響鋼橋面板的最終粘結(jié)效果。如果該材料的固化時間超過40 min，鋼橋面板的2種粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。所以，通過將該材料的固化時間設(shè)置為40 min，可以確保鋼橋面板的粘接強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時，防水粘接層表現(xiàn)出表面干燥、薄膜形成均勻等特點(diǎn)，提高了鋼橋面板與上層混凝土之間的粘接性能。

4.5 聚合物防水粘結(jié)層強(qiáng)度對比評價

現(xiàn)階段，比較常用且粘結(jié)較高的防水粘結(jié)層材料有2種：一種是聚合物材料；另一種是環(huán)氧瀝青材料。其中，環(huán)氧瀝青材料同樣表現(xiàn)出比較明顯的高溫穩(wěn)定性、變形協(xié)調(diào)性、粘結(jié)性能，可以將環(huán)氧瀝青材料設(shè)置為對比材料。然后，在5種不同的環(huán)境溫度下，對其進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 聚合物防水粘結(jié)層材料溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Temperature test results of polymer waterproof adhesive layer materials

由表6可知，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到80 ℃時，聚合物防水粘結(jié)層材料所獲得的抗剪強(qiáng)度達(dá)到了2.97 MPa，與環(huán)境溫度為-20 ℃所獲得的4.12 MPa相比，其抗剪強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了28%，環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層材料所獲得的抗剪強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了90%；從防水粘結(jié)層的拉拔強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到80 ℃時，聚合物防水粘結(jié)層材料所獲得的拉拔強(qiáng)度達(dá)到了1.32 MPa，與環(huán)境溫度為-20 ℃所獲得的1.98 MPa相比，其拉拔強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了34%，環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層材料所獲得的抗剪強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了90%；從防水粘結(jié)層的拉拔強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到70 ℃時，聚合物防水粘結(jié)層材料所獲得的拉拔強(qiáng)度達(dá)到了1.32 MPa，與環(huán)境溫度為-10 ℃所獲得的1.98 MPa相比，其拉拔強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了34%，但是，環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層材料所獲得的拉拔強(qiáng)度下降幅度達(dá)到了93%。縱觀2種防水粘結(jié)層材料對比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)聚合物防水粘結(jié)層材料無論是在低溫環(huán)境下，還是在高溫環(huán)境下，總能呈現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能。

5 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)防水粘結(jié)層現(xiàn)有問題，研發(fā)一種新型的聚合物防水粘結(jié)層材料，并對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)該材料具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，其粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過瀝青基類防水粘結(jié)層，此外，還表現(xiàn)出溫度穩(wěn)定性高、變形追溯性高等特點(diǎn)。此外，通過研究鋼橋面板表面清潔度、粗糙度、涂覆量和固化時間等不同因素對該材料強(qiáng)度影響相關(guān)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼橋面板表面清潔度、粗糙度、涂覆量、固化時間分別達(dá)到Sa1.5、40 μm、0.5 kg/m2、.40 min時，聚合物防水粘結(jié)層材料表現(xiàn)出良好的粘結(jié)強(qiáng)度。另外，分別對比和分析了聚合物和環(huán)氧瀝青2種防水粘結(jié)層材料在不同溫度下所表現(xiàn)出的粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果表明：與環(huán)氧瀝青的粘結(jié)材料相比，聚合物防水粘結(jié)層材料具有較高的高溫穩(wěn)定性、低溫性能，聚合物防水粘結(jié)層材料具有較高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。