季冻区中小跨径刚柔复合钢桥面铺装用防水粘结层材料性能研究*

张利东，纵瑾瑜，张羽彤，曹 健，曹延峰

（1.吉林省高等级公路建设局，吉林 长春 130000；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

引 言

钢桥面铺装破坏的形式是多样的，其中一个重要的原因是防水粘结层在极端条件下性能降低，以及产生疲劳破坏[1～2]。根据对国内钢桥面铺装病害调查分析及实体工程的实践经验[3～5]，钢桥面铺装防水粘结层应满足以下性能要求：良好的层间结合力和变形协调能力；温度敏感性小；良好的耐久性；良好的水稳性、抗化学腐蚀的能力和防水能力；重载交通不被刺破；施工方便、容易控制。

本课题依托敖卜互通主线桥开展季冻区中小跨径钢桥面铺装的攻关研究，针对上述性能要求开展防水粘结层材料相关性能研究。选取目前国内外应用较多的水性环氧沥青（1#）、二阶反应性防水粘结剂（2#）及反应型防水粘结剂（3#）等防水粘结层材料作为本研究的主要比选材料。

1 铺装用防水粘结层材料性能试验结果及分析

1.1 施工和易性

本研究主要通过所选防水粘结层材料表干时间与实干时间对比分析所选防水粘结层材料的施工和易性。

表1 不同温度条件下防水粘结层固化特性Table 1 The curing characteristics of waterproof adhesive layer at different temperatures

由表1试验结果可知，所选三种防水粘结层材料在10℃时的表干时间基本在3～4h间，实干时间在6～7h间；25℃时的表干时间基本在2～3h间，实干时间在5.3～5.6h间，三种材料在不同温度下的表干时间与实干时间均较短，且较为接近，具有较好的施工和易性，对于工期较紧的项目均具有较好的适用性。

1.2 强度性能

防水粘结层是为了使钢板和铺装层以及上下铺装层间形成统一的受力整体，增加铺装的疲劳抵抗性，以及改善耐久性而设置的结构层。因此，防水粘结材料应具备较强的粘结力，以保证在外层传来的各种荷载应力下（包括垂直应力和水平剪力）铺装层与钢板及上下铺装层间不发生脱离，并在桥面可能使用的温度范围内保证力学性能稳定[6～7]。

基于该项目具体服役环境条件，本课题研究人员对所选防水粘结层材料在-40～40℃范围内的复合件粘结强度与剪切强度开展了相关研究，试验结果见表2。

1.2.1 粘结强度

桥面板与铺装层之间应有可靠的粘结力，尤其是在轮载的振动作用下保证铺装层与桥面板结为一体，本研究主要采用复合件直接拉伸试验评价防水粘结层的粘结强度。试验结果见表2。

图1 粘结强度试验Fig.1 The bonding strength test

表2 不同温度条件下防水粘结层的粘结强度Table 2 The bonding strength of waterproof bonding layer at different temperatures

图2 不同温度条件下防水粘结层粘结强度Fig.2 The bonding strength of waterproof adhesive layer at different temperatures

由表2及图2可以看出，所选三种防水粘结层材料的粘结强度均随着试验温度的升高而呈降低趋势，其中2#样品粘结强度减低幅度最大，由-40℃时的0.94MPa降低至 40℃时的0.35MPa，降幅达到62.8%，3#样品降低幅度最小，约为60.2%，表明2#样品温度敏感性最大，3#样品温度敏感性最小，对于辅以温度跨度较大区域具有更好的适用性。此外，整体而言，2#及3#样品在所测温度范围内的粘结强度均优于1#样品，表现出更好的粘结性能。

1.2.2 剪切强度

不同剪切试验采用的加载速率有所不同[8]，为了尽量模拟汽车快速行驶时的情况，一般的剪切试验采用50mm/min，本研究也采用此剪切速率。45°斜剪与汽车一般行车状态下铺装层的受力模式相近，目前剪切试验多采用此类剪切方式。因此，本研究采用45°斜剪试验，试验结果见表3所示。

图3 斜剪试验Fig.3 The bevel shear test

表3 不同温度条件下防水粘结层剪切强度Table 3 The shear strength of waterproof adhesive layer at different temperatures

图4 不同温度条件下防水粘结层剪切强度Fig.4 The shear strength of waterproof adhesive layer at different temperatures

由上述试验结果可知，与粘结强度试验结果类似，三种材料的剪切强度也随着温度的升高逐渐下降，说明材料自身的粘结性能随着温度的升高逐渐降低，具有明显的感温性。但与粘结强度不同的是，在-40～25℃温度范围内，三种粘结层材料的剪切强度为：1#样品＞3#样品＞2#样品，25℃时只有1#样品和3#样品满足技术要求，而40℃时1#样品剪切强度最低，温度敏感性最大，不宜用作夏季炎热区域钢桥面铺装防水粘结层材料。

1.3 耐高温性能

调查表明，高温条件下粘结层的失效为桥面铺装层破坏的主要形式之一[9～10]。因此，有必要研究粘结层材料的耐高温特性。参照《水乳型沥青防水涂料》（JC/T408）中相关试验方法研究三种防水粘结层材料的耐高温性能。

由试验结果发现，所选三种防水粘结材料均具有较好的高温稳定性能，在160℃试验温度下均无流淌、滑动及滴落现象，能很好地抵抗沥青混料摊铺时带来的热冲击。

1.4 低温柔韧性

通过在-20℃及-40℃温度下不同防水粘结层材料的变形能力对各材料的低温柔韧性进行比选研究，试验结果如表4所示。

表4 不同防水粘结层材料的低温柔韧性Table 4 The flexibility of different waterproof bonding layer materials at low temperature

由表4可以看出，1#样品在所设定试验温度下均发生断裂，而2#及3#样品在-20℃下经弯曲后仍然保持完好，未出现任何裂纹及断裂，表现出更好的低温柔韧性，对于季冻区钢桥面铺装具有很好的适用性。

1.5 抗冻性

本项目所在地具有典型的季冻区气候特点，冬季冻融循环频繁。因此，需重点关注防水粘结层的抗冻融循环能力。试验结果见表5。

表5 不同防水粘结层材料抗冻性试验结果Table 5 The freezing resistance test results of different waterproof adhesive layer materials

由表5可知，所选3#样品在-40℃试验温度下的抗冻融循环次数为15次，-20℃试验温度下的抗冻融循环次数则达到25次，均优于1#及2#样品，具有更好的抗冻融循环能力。

1.6 耐腐蚀性

对不同防水粘结层材料在不同温度下的耐腐蚀性能进行了研究，试验结果见表6、表7所示。

表6 不同温度条件下防水粘结层材料耐盐水性Table 6 The salt water resistance of waterproof adhesive layer materials at different temperatures

表7 不同温度条件下防水粘结层材料耐碱性Table 7 The alkali resistance of waterproof adhesive layer materials at different temperatures

由表6及表7试验结果可以看出，所选三种防水粘结层材料在所设定的-40～40℃温度范围内，经3%NaCl溶液、0.1%NaOH与饱和Ca（OH）2混合溶液浸泡15d后，均无起泡等异常现象，具有良好的耐盐及耐碱腐蚀性，可较好地抵抗施工及服役过程中的腐蚀性物质的侵蚀，保持防水粘结层的完整性及性能稳定性。

1.7 不透水性

作为防水粘结层材料，除需具备良好的粘结性能，确保铺装层与钢桥面协同受力外，还需具有良好的密水性能以防止水分下渗至铺装下层乃至钢桥面板，避免铺装下层的早期破坏及钢桥面板的锈蚀。针对三种防水粘结层材料开展不透水性试验，试验结果见表8。

表8 防水粘结层材料不透水性Table 8 The impermeability of waterproof bonding layer material

由表8可知，三种防水粘结层材料在原始状态下（未摊铺铺装上层）均具有较好的防水性能，可有效阻止表面层水分下渗至铺装下层。

1.8 抗刺破性

防水粘结层最主要的作用就是密实不透水，在原始状态下粘结材料必须不透水，但在混合料施工过程中粘结层可能会受到一定程度的损伤。防水粘结层的损伤主要来自于表面层摊铺时的机械损伤，一方面，运料车等施工车辆在未加铺面层的防水粘结层上行驶，不可避免的起动、刹车、转弯等产生水平方向剪应力会使防水粘结层粘带、推挤，薄弱处被拉裂；另一方面，摊铺机、压路机等大型机械在其上摊铺碾压作业，尤其匝道桥处曲线半径小、横向超高和纵坡较大，条件更加苛刻，防水粘结层也更易遭到破坏。因此有必要针对防水粘结层的抗刺破性进行研究。本课题主要借助暴露轮碾试验来验证所选防水粘结层材料的抗刺破性，试验结果见表9。

表9 防水粘结层材料抗刺破性Table 9 The puncture resistance of waterproof adhesive layer material

从表9可以看出，所选三种防水粘结层材料在暴露轮碾试验（0.7MPa，100次）后，0.3MPa水压下均不渗水，表明即使在面层沥青混合料的摊铺碾压过程中受到骨料的冲击、碾压作用后，防水粘结层仍保持完好无损，没有出现渗水现象，均满足不透水的要求。

2 方案分析

基于依托工程桥梁结构特点与服役环境特点，本项目需重点关注防水粘结层的剪切强度、抗冻性能、低温柔韧性及耐腐蚀性能。文中对所选三种防水粘结层材料的施工和易性、粘结强度与剪切强度、耐高温性能、低温柔韧性、抗冻性能及耐腐蚀性能等进行了相关研究，本节将基于本项目特点对防水粘结层的性能要求赋予不同性能以相应的权重，并通过各种材料性能检测结果优劣给予相应的评分，通过加权平均计算出各种材料的综合性能评分，最后计算各种材料的综合性价比，推荐出最适用于本项目的防水粘结层材料。

表10 不同防水粘结层材料性能比选Table 10 The properties comparisons of different waterproof bonding layer materials

上述分析结果显示，2#样品与3#样品综合评分接近，且均优于1#样品，综合评分分别为92.5及93.5，1#样品最低，综合评分为81.5；然而由于2#样品售价较高，导致其性价比较1#样品低，综合比选，推荐采用性价比最高的3#样品，即反应型防水粘结剂作为刚柔复合式钢桥面铺装粘结层。

3 结 论

综上，通过对水性环氧沥青（1#）、二阶反应性防水粘结剂（2#）及反应型防水粘结剂（3#）等防水粘结层材料性能进行研究，得出以下主要结论：

（1）三种材料均具有较好的施工和易性、高温稳定性能、良好的耐盐及耐碱腐蚀性。

（2）40℃时1#样品温度敏感性最大，不宜用作夏季炎热区域钢桥面铺装防水粘结层材料。

（3）3#样品温度敏感性最小，具有较好的抗冻性，能够更好地适应温差较大的地区。

（4）2#及3#样品具有更好的低温柔韧性，对于季冻区钢桥面铺装具有更好的适用性。

（5）采用性价比最高的3#样品，即反应型防水粘结剂作为刚柔复合式钢桥面铺装粘结层。