环氧树脂黏结材料与钢桥面相互作用研究

2013-10-29杜建鑫

天津城建大学学报 2013年1期

杜建鑫

(天津市海河建设发展投资有限公司，天津 300380)

黏结层失效或脱层是钢桥面沥青混合料铺装主要破坏类型之一，也是钢桥面铺装特有的一种破坏类型.黏结层设置在铺装层与钢板之间.在行车荷载、温度等共同作用下，钢桥面铺装层与钢板之间、黏结层与上铺装层之间都将产生较大的剪应力，引起较大的剪切变形.若黏结层与上铺装层之间的抗剪强度小于产生的剪应力，上铺装层就会产生相对滑移，而黏结层因丧失联结上铺装层与钢板的能力而失效.若黏结层与钢板之间的抗剪强度小于产生的剪应力，黏结层就会与钢板相脱离而成为脱层.铺装层与钢板之间必需加铺黏结层，一方面是为了保证铺装层与钢板能组成一整体共同受力，另一方面则是铺装层与钢板之间的黏结作用对保证整个钢桥面铺装体系的复合作用以及在交通荷载作用下铺装层与钢板之间的协调作用至关重要.铺装层与钢板的复合作用不仅降低了沥青混合料铺装层内部的应力，也降低了钢桥面板内部的应力及板肋焊接处的应力，因此，这种复合作用力对整个铺装体系的各部分的受力均是有利的.

目前，在修建的大跨径钢桥桥面沥青混合料铺装体系中为了施工的方便，一般取消了防水层，而采用黏结性能、防水性能都好的材料作为黏结层，这样黏结层就起双层作用，即黏结和防水.黏结层一旦破坏，不但会增加铺装层内部的应力，而且会加速沥青铺装层的破坏，同时可能意味着防水层的破坏，导致雨水、湿气直接接触钢板而引起钢板的锈蚀，从而影响整个桥梁结构的强度[1].因此，黏结层的完好对改善钢桥面铺装层的受力条件非常重要，也是确保钢桥面铺装成功首要解决的问题，但这方面已做的工作还远远不够，需要有更进一步的研究，开发功能更好的黏结层材料.

1 黏结层材料的研究与应用概况

现今，应用于正交异性钢桥面沥青铺装的黏结层材料按施工方法和材料特性的不同，可分为热熔型黏结材料、溶剂型黏结材料、热固性黏结材料三大类.

热熔型黏结材料.一般由沥青掺加树脂和各种聚合物(如 EVA、PE、SBR)组成.这种材料具有一定的变形能力，能够适应在交通荷载作用下局部变形而引起的拉应力的反复作用，也具有良好的防水封闭作用.但是，其最大的缺点是在高温下容易变软，黏结力下降，黏结层则由于变软而成为软弱层，导致沥青铺装层在交通荷载下发生推移、开裂等损害.

溶剂型黏结材料.一般多指乳化沥青和可溶性的橡胶沥青.这种材料同样也存在高温稳定性问题，在高温时容易软化，并且材料内部含有热敏感性物质，遇摊铺高温时会释放出气体，从而使铺装层产生气泡.

热固性黏结材料.一般是指环氧沥青和环氧树脂胶黏剂.环氧沥青是指将环氧树脂加入到沥青中，经与固化剂反应，形成不可逆的固化物，这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质而赋予沥青全新的优良物力力学性质.用环氧沥青拌制的沥青混凝土，其路用性能比普通沥青混凝土优异得多[2].

本文主要研究环氧树脂胶黏剂与钢桥面之间的作用机理，所以只讨论该种类黏结剂.环氧树脂胶黏剂(包括环氧富锌漆)，一般是由环氧树脂、固化剂两部分组成，同时可以根据实际的需要掺加改性剂，如增韧剂或是填料.目前，比较有代表性的是上海回天化工新材料有限公司生产的623环氧结构胶，其常温抗剪强度高达 12 MPa，70 ℃时也有 1.6 MPa，但是其高温(160 ℃)抗剪强度只有0.2 MPa左右.也有某些钢桥面铺装采用“环氧结构胶＋单一粒径碎石”结构形式作黏结层，如西陵长江大桥，采用的是长沙理工大学直道钢桥面铺装研究组自行开发的环氧树脂胶黏剂(25 ℃抗剪强度为 6.64 MPa，70 ℃抗剪强度为 7.09 MPa)作黏结层，但是效果不是很好，原因主要是其高温抗剪强度低，160 ℃时的抗剪强度仅为0.1 MPa.沥青混合料高温摊铺时，桥面温度往往高达160 ℃甚至更高，在这种情况下，黏结层由于自身黏结力的急剧下降，很容易在施工荷载产生的复合作用力下与钢桥面脱离，同时被黏附的单一粒径石料部分也因黏结层黏结强度的急剧下降而被剥离，丧失联结沥青混合料与钢板的能力，这样，黏结层成了滑移层，导致铺装层产生推移和开裂等病害.

2 环氧树脂黏结材料的工作温度研究

钢材的热容较小，钢板温度随气温的变化较为剧烈，这种情况是一般沥青路面及室内模拟试验所不能达到的.同时，大跨径钢桥一般建在跨海、跨江、或跨湖的地方，风荷载几乎时时存在，加之没有树木植被遮阳，桥面在太阳下暴晒，铺装层和钢板的表面温度均远高于气温.重庆公路科学研究所曾经对厦门海沧大桥进行过观测，在气温为 34 ℃时，铺装表面混凝土内的温度高达 69.5 ℃，钢板表面也达到 62 ℃，即使在夜间，桥面板及铺装层温度也较气温高出4～5 ℃.在南京二桥桥面铺装的设计中，南京位于江苏省西南部，属于亚热带向中亚热带过渡气候，年极端最高温度为 43 ℃，年极端最低气温为-14 ℃，东南大学课题组选择的桥面铺装使用的设计温度范围为-15～＋70 ℃；西陵长江大桥的极端最高温度为43.9 ℃，极端最低气温为-9.8 ℃，而佛山市和顺至北窖公路主干线工程海八路立交 WN 匝道所在地区气候属亚热带季风气候，极端最高气温为 38.7 ℃，极端最低温度为-1 ℃，显然-5～＋70 ℃是环氧树脂胶黏剂长期服务条件下所必需经受的[3].沥青混合料高温摊铺时，钢桥桥面板温度往往高达160 ℃甚至更高，在这种情况下，若直接在采用环氧胶黏剂＋单一粒径碎石的黏结层上进行沥青混合料的摊铺，则要求环氧胶黏剂在 160 ℃甚至更高的条件下仍保持有较高的力学性能，否则黏附的单一粒径石料部分因黏结层黏结强度的急剧下降在摊铺的复合作用力下被剥离，丧失联结沥青混合料与钢板的能力.这样，黏结层成了滑移层，导致铺装层产生推移和开裂等病害.因此，本文将环氧树脂胶黏剂的长期使用温度定为-5～＋70 ℃，短期使用温度为160 ℃，且时间定为 t≤10 min.

3 抗拔强度抗剪强度方面的要求

如何保证铺装层和钢板之间牢固耐久的黏结力，以及铺装层能否适应钢板复杂的应力应变状态，一方面取决于铺装层材料自身的强度和韧性，另一方面还取决于铺装层与钢板以及铺装上下层间的黏结作用.铺装层和钢板之间由于黏结力散失而脱层是桥面铺装损坏的一种主要现象，而铺装层与钢板之间的脱层可认为桥面铺装的完全破坏.一旦出现脱层现象，铺装层本身将很快发生破坏，铺装层在荷载的作用下对钢板的冲击会破坏钢板防锈层，钢板表面在空气和水分的作用下会发生锈蚀.因此，铺装层与钢板之间的良好结合是桥面铺装与钢板面协同工作的关键.从国内外钢桥面沥青铺装的破坏情况看，黏结层的设计不当被认为是铺装层破坏的主要原因之一，如澳大利亚 West Gate 桥，其钢桥面采用的环氧沥青混凝土铺装曾产生过脱层破坏现象，我国较早修建的北江马房大桥、虎门大桥等也都产生过这样的破坏.由现场破坏调查可知，铺装层和钢板之间黏结力的丧失主要发生在沥青混合料和防锈层之间，也就是说，黏结层的黏结强度不够.由此可见，铺装层与钢桥面板、铺装上下层之间的黏结是钢桥面沥青铺装技术需要研究解决的关键技术之一.根据以往的设计经验，要求黏结层材料与钢板之间的抗拔强度Pt满足：①25 ℃，≥4.0 MPa；②70 ℃，≥4.0 MPa；160 ℃，≥2.0 MPa.

黏结层的黏结强度不仅仅指抗拔强度，还包括抗剪强度，而钢桥面沥青铺装成败与否的首要问题是如何解决铺装层与光滑的钢板表面之间的界面抗剪力不足的问题.在南京长江二桥桥面铺装方案中，根据实际结构，考虑水平力作用(摩擦系数为 0.5)，采用有限元分析计算，常温时钢板与铺装层间的最大剪应力为0.48 MPa，60 ℃时为0.33 MPa，但考虑到疲劳的因素，黏结层的抗剪强度应达到实际剪应力的几倍以上.

4 黏结材料抗拉抗剪数值分析

在对环氧树脂类黏性材料的研究中，发现跟传统沥青铺装相比，该材料能更好的与正交互异钢板相互作用，根据切应力互等定理，其自身的膨胀系数与钢板膨胀系数的不同而造成的材料层间的剪切力远远小于荷载带来的层间剪应力.为了满足环氧树脂系胶结剂与钢板的协同作用的要求，这里重点讨论抗拔和抗剪两个性能指标.

本文通过研究，提出了钢桥面沥青铺装对界面黏结层使用温度、抗拔强度、抗剪强度的性能要求[4]，相应的指标汇总见表1.

表1 环氧树脂黏结材料的技术要求

针对黏结材料的特点，采用了长沙理工开发的DLERA、上海回天 623结构胶、环氧富锌漆、环氧沥青、某高强改性沥青等五种黏结剂进行了数据对比[5].表2、表3分别是抗剪强度和拉拔强度值[6].

建立图表视图，可以看到彼此间的对比效果，如图1-2所示.

从图1-2可知，就本文提出的抗剪、抗拔强度要求而言，在常温条件下，只有DLERA、上海回天623结构胶能满足，而在 70 ℃和 60 ℃高温条件下，仅DLERA能够满足要求.环氧富锌漆在常温时的抗剪、抗拔强度分别为1.35 MPa和2.03 MPa，70 ℃时分别为0.9 MPa和1.06 MPa，160 ℃时没有强度.现在的钢桥面沥青铺装倾向于取消环氧富锌漆作为防锈层，其原因是高温混合料摊铺时钢桥面温度过高，环氧富锌漆在高温下的抗剪、抗拔强度不够而容易被施工荷载所破坏，成为薄弱层；虽然环氧沥青在常温条件下有较高的抗剪、抗拔强度，但是 70 ℃时只有 0.97 MPa、1.48 MPa；测试的改性沥青为国内某桥使用的高强改性沥青，70 ℃时的抗剪强度仅为 0.36 MPa，这是因为沥青类黏结剂属于热塑性材料，在高温条件下会软化，从而导致强度的大幅度下降.