钢桥面铺装防水黏结层材料黏结性能影响因素分析

洪 亮，姑丽比娅·艾斯卡尔 ，刘书君

（1.新疆维吾尔自治区交通运输工程质量监督局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆交通科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

目前，我国大跨径桥梁多采用正交异性钢桥面加铺沥青面层形成的刚-柔复合结构[1-2]，且多处于湿度较大、温度较高的跨江沿海地区[3]。调查研究发现[4-5]，多数钢桥面铺装实体工程的使用寿命均难以达到设计年限，究其原因在于，一方面沥青混凝土铺装结构层常处于高应力状态，容易产生疲劳破坏[6]；另一方面在于施工过程中湿热多雨气候条件将使防水黏结层间存在一定量的水分，极易导致鼓包、脱层等病害[7]。同时，在重载交通的使用条件下，车辆行驶所产生的动水压力将使浸入铺装层内部的水分进一步破坏铺装层与钢桥面的黏结效应，并腐蚀钢桥表面结构[8]。由此可见，水分对钢桥面铺装体系的影响是不可轻视的，桥面防水黏结层的黏结强度较低或防水黏结层失效是钢桥面铺装层水损害产生的主要原因之一[9]。

工程界对湿热多雨地区钢桥面铺装材料鼓包病害的产生机理以及沥青混凝土铺装体系的黏结特性尚未清晰把握，适用于湿热多雨气候条件的钢桥面铺装质量控制标准的研究仍处于起步阶段，如何确保防水黏结层的黏结性能是亟待解决的问题。本文基于影响黏结性能的钢桥面粗糙度、防水黏结材料各层用量、施工温度、环境湿度关键因素考虑，进行不同试验条件下的拉拔试验，分析其对防水黏结层黏结性能的影响，旨在提高钢桥面铺装层的抗水损害能力以及控制其他病害发展。

1 试验材料

表1 环氧富锌漆技术指标

表2 防水层黏结层技术指标

本文采用的防水黏结体系由底漆、防水黏合层组成，不但能够防止水分和氯离子对钢桥面的腐蚀，而且具有良好的柔性和黏结效应。底漆材料为环氧富锌漆，其性能技术指标如表1所示，防水黏结层材料的技术指标如表2所示。

2 拉拔试验

防水黏结层黏结效果对钢桥面和铺装层的结构联合和整体性能具有至关重要的作用，其黏结效应可通过拉拔试验进行评价[10]。拉拔试验前先对钢板表面进行抛丸处理，待清洁度和粗糙度满足指标要求后，涂抹底漆、防水黏结层，用环氧黏结剂黏结拉头后在万能试验机上进行拉拔试验，其试验机理和试验装置如图1所示，拉头直径为50 mm，测得试验拉拔力与拉头底面面积之比为拉拔强度，拉拔强度越大说明黏结效应越好，其计算如式（1）所示。

式中：P为拉拔强度；F为试验力；S为拉头底面面积。

图1 拉拔试验示意图

3 黏结性能的影响分析

3.1 钢桥面板粗糙度

为模拟粗糙的钢桥面板对防水黏结层的黏结效果，通过角磨机将100 mm×100 mm×5 mm的钢板打磨成不同粗糙程度，其粗糙度采用Testex Press-O-Flim测试纸测定，然后涂抹60 μm的底漆，黏结拉头后进行拉拔试验。钢板粗糙度及相应的拉拔强度如表3所示。

表3 钢板表面粗糙度分级

通过表3可以看出，对于未打磨的钢板而言，其拉拔强度处于较低水平。钢板具有粗糙的表面，有利于底漆的黏结，粗糙度等级越高，拉拔强度越大。鉴于粗糙度达到Ⅲ级以后，拉拔强度增大幅度较小，考虑到现场施工时对钢板表面粗糙度处理工程量以及经济性，钢桥面的粗糙度处理达到Ⅲ级即可。

3.2 底漆厚度

底漆在钢桥面铺装体系中主要起到防止钢板生锈的作用，底漆的厚度也是防水黏结体系施工控制的一个重要环节。在钢板打磨至Ⅲ级的基础上，涂抹不 同 厚 度（40 μm、60 μm、80 μm、100 μm、120 μm）的底漆，进行拉拔试验，试验结果如图2所示。

图2 不同底漆厚度条件下的拉拔强度

通过图2可以看出，随着底漆厚度的增加，拉拔强度先增加后减小，当底漆厚度在60 μm时，拉拔强度达到最大。随着底漆厚度的增加，过厚的底漆将会导致拉拔试验的破坏面发生在底漆层间，导致抗拉强度降低。

3.3 防水黏结层厚度

基于在钢板和防水层之间涂抹底漆和无底漆两种形式，研究了不同防水黏结层厚度（0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5mm）条件下试件的拉拔强度。试验钢板粗糙度均为Ⅲ级，底漆60 μm，涂抹不同厚度的防水黏结层后黏结拉头，并养护12 h后进行拉拔试验，试验结果如图3所示。

图3 防水黏结层厚度与拉拔强度关系

可以看出，在同样的防水黏结层厚度下，涂抹了底漆的结构组合的拉拔强度较高，这也说明底漆有助于增强防水体系的黏结效应，在施工时涂抹底漆不但起到防水保护钢桥面的作用，还可以增强钢桥面防水体系的黏结强度。防水层厚度较小时，未形成良好的黏结结构层，因此抗拉强度较低。随着防水层厚度的增加，拉拔强度增大，当防水层厚度达到2.5 mm左右时，拉拔强度达到较大水平。防水层厚度持续增大，拉拔强度有所下降。

3.4 施工温度

施工温度影响防水黏结体系各结构层的黏结强度，进而影响钢桥面铺装层的抗水损害能力。在表面粗糙度达到Ⅲ级的钢板上涂抹60 μm厚的底漆，然后涂抹2.5 mm的防水黏结层。各层涂抹前，将钢板放在烘箱内部进行不同温度下的养护1 h，各层涂抹完毕后在环境箱中保温24 h后进行拉拔试验，试验结果如图4所示。

图4 不同试验温度下的拉拔强度

通过图4可以看出，随着试验温度的升高，拉拔强度逐渐降低，在常温下（即25℃）其拉拔强度均较大。温度一方面会影响材料的强度形成，另一方面，作为感温材料，随着温度升高，材料逐渐软化导致其黏结力减小。拉拔强度与温度成对数递减关系，相关系数均可达0.99以上。为确保钢桥面铺装层具有较好的抵抗水损害能力，防水黏结体系的施工温度均控制在25℃左右。

3.5 环境湿度

水分的存在导致防水黏结材料的黏结效应降低，甚至导致层间黏结失效，因此需要研究环境湿度对防水黏结材料黏结强度的影响，从而对施工环境的湿度进行控制。控制钢板表面的粗糙度为Ⅲ级，钢板上涂抹60 μm厚的底漆和2.5 mm的防水黏结层，在温度为25℃，相对空气湿度为40%、60%、80%、100%条件下养护试件24 h后测试拉拔强度，试验结果如图5所示。

图5 不同环境湿度下的拉拔强度

通过图5可以看出，相对空气湿度增大。防水黏结体系的拉拔强度逐渐下降。空气相对湿度超过60%以后，拉拔强度下降幅度相对变大。因此在施工时要注意控制施工现场的空气湿度，如果湿度较大，则要通过养生技术手段严格控制环境湿度，确保施工环境的相对湿度不超过60%。

4 结论

钢桥面铺装防水黏结层的施工控制需从钢桥面处理到黏结层铺设层层控制。施工时对钢桥表面打磨处理并涂抹环氧富锌底漆有利于提高防水黏结层的黏结强度，底漆涂抹不宜过厚，控制在60 μm即可，防水黏结层的厚度可控制在2.5 mm左右。施工时确保施工温度控制在25℃～40℃，环境的相对湿度不超过60%，在这种环境条件下施工，防水黏结层不单具有较高黏结强度。