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。
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。
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
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。
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]。
3.3.1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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。