混凝土桥面板防水黏结层材料试验研究

王 民，吴雪柳，李 波，肖 丽，彭祝涛

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

桥面铺装起着分散行车荷载、提供行驶基面和保护桥梁结构的重要作用，其中防水和黏结性能是桥面铺装耐久性设计的关键性能[1-3]。若雨水浸入铺装结构内部或者铺装层与桥面板之间，不仅会造成铺装结构的加速破坏，还可能腐蚀桥面板和桥梁结构的重要部件，从而影响桥梁结构的使用寿命和安全，特别是钢板+高性能水泥混凝土铺装层+沥青磨耗层的铺装结构。在类似复合式路面铺装结构中，合理、优良的防水黏结层材料能够保证沥青混凝土与水泥混凝土之间良好的结合，共同承受车辆荷载，从而延长复合式路面的使用寿命。反之，当基面处理方式方法不当、或选择了不能适应使用环境的防水黏结层材料时，在复合式路面较大的剪切受力状态和潮湿环境下，沥青混凝土与水泥混凝土之间的层间黏结作用容易失效，使得整个复合式路面结构处于不利的层间滑动状态，造成沥青面层的推移、开裂等路面病害，严重影响路面的使用寿命[4]。

针对桥梁混凝土基面的防水黏结层材料的研究一直都是热点方向。严恒[5]等选用SBS改性沥青+聚酯玻纤布的形式作为防水黏结材料，通过剪切试验确定黏层油用量，进行拉拔试验，结果表明聚酯玻纤布的层间黏结性能良好。米峻[6]等提出将AC-5沥青砂作为桥面防水黏结层，同时对其关键施工技术进行研究，工程实践表明该设计方案施工效果良好。刘云[7]等将有限元模拟和室内实验相结合，分析了行车荷载在制动时防水黏结层的力学响应。何昌轩[8]等研究了环氧树脂防水层的拉伸、拉拔、拉剪，以及与钢板的随从性和耐腐蚀性，得知在低温环境下防水材料有较好的弯曲效果。张凯[9]等采用剪切试验、抗拉拔试验和附着力拉拔试验对水性环氧沥青材料和其他防水黏结层的进行测试，结果表明水性环氧沥青防水黏结材料的各项力学性能均优于常用的沥青碎石类防水黏结层，具有良好的力学性能和耐久性。薛成[10]等提出二阶反应型防水黏结材料可克服传统防水产品黏结和抗剪性能差的缺点，且可以使防水结构具有优良的防水性能、高强层间黏结力和抗剪切性能好等特性。张勐[11]等通过Fluent研究了动水压力对防水黏结层的性能影响，确定在防水黏结材料的情况下，动水压力会加剧防水黏结层与铺装结构层的剥离。张利东[12]等以敖卜互通主线桥开展季冻区中小跨径钢桥面铺装攻关研究为依托，选取水性环氧沥青、二阶反应性防水黏结剂,及反应型防水黏结剂进行对比，表示采用反应型防水黏结剂作为刚柔复合式钢桥面铺装黏结层的性价比最高。施晓强[13]等依托南京三桥大修工程，对拟选用的环氧树脂防水黏结层的性能进行了试验验证，证明其具有优异的拉伸性能、黏结性能和剪切性能。刘攀[14]等研究了新型环氧树脂黏结剂，分析其高低温性能、化学腐蚀和拉伸性能、不透水性和抗损伤性能，并通过拉拔和剪切试验表明，新型环氧树脂黏结剂综合性能较优，能很好地适应不同类型的铺装材料和铺装组合结构。

本文针对混凝土基面防水黏结层的特殊性能要求，优选4种典型材料、开展黏结性能和密水性试验分析，提出推荐方案，为桥梁桥面防水黏结层材料的选择提供借鉴。

1 原材料及组合方案

1.1 防水黏结层材料

防水黏结层材料需具备良好的温度稳定性、力学强度、抗裂和抗变形能力，方能满足复合式桥面铺装体系的设计要求。

本文从常用的3类防水黏结材料中筛选了4种典型材料，依次为改性乳化沥青、水性环氧乳化沥青、热熔沥青(撒碎石)、环氧树脂黏结剂，材料特点见表1，基本性能见表2。

表1 防水黏结层材料特点Table 1 Waterproof adhesive layer materials 材料类型材料名称优点不足之处水性类材料改性乳化沥青渗透性好、施工工艺便捷黏结强度有限、泌水性不足水性环氧乳化沥青界面黏结强度高、渗透性好防水性能有限热熔类材料热熔型黏结材料防水性能好,施工操作便捷受温度影响较大,几乎无渗透性,黏结力有限反应性材料环氧树脂黏结剂不同界面下黏结强度均非常高材料成本高、施工控制难度大

上述材料中，改性乳化沥青具有常温可流动、易喷涂，施工工艺简单，减少环境污染等优点，且具备较好的耐热性与低温柔性，作为防水黏结层能够有较高的黏结性，及抗拉强度和抗变形能力。水性环氧乳化沥青具备强度高、黏结性能好、高温稳定性好且符合环保要求等特点。热熔沥青弹性恢复率高，能起到应力吸收层的作用，延缓桥面板收缩开裂所引起的反射裂缝，显著减弱上下层裂缝引起的破坏作用。环氧树脂黏结剂既具有优异的防水性能，又具有高强的黏结性能，能极大地提高铺装结构的整体使用寿命。

表2 防水黏结层材料基本性能Table 2 Basic performance testing of waterproof adhesive layer防水黏结层材料试验项目测定指标技术要求试验方法筛上剩余量(1.18 mm筛)/%0.06≤0.1T0652蒸发残留物含量/%62.5≥60T 0651改性乳化沥青针入度(25 ℃,100 g,5 s)/mm27.5—T 0604延度(5 cm/min,5 ℃)/cm57.2—T 0605软化点(环球法)/℃56—T 0606耐热性(160 ℃)无分解流淌无分解流淌JC/T 975水性环氧乳化沥青热固性(140 ℃)不融化不融化—高温抗剪(80 ℃)/MPa0.17≥0.1—针入度(25 ℃,100 g,5 s)/mm43.430～60T 0604热熔沥青延度(5 cm/min,5 ℃)/cm30.6≥20T 0605软化点(环球法)/℃86.1≥85T 0606弹性恢复率(25 ℃)/%100≥80T 0662断裂伸长率(23 ℃)/%120≥100GB/T 16777环氧树脂黏结剂不透水性(0.3 MPa,21 h)无渗水不透水黏结强度(与钢板,25 ℃)/MPa4.6≥3.0CJJ/T 279-2018黏结强度(与沥青混合料保护层,25 ℃)/MPa1.18≥1.0

1.2 防水黏结层组合方案

结合已有研究和工程实践经验，沥青磨耗层采用改性沥青SMA13，形成改性沥青SMA13磨耗层+防水黏结层+水泥混凝土桥面板的4种组合方案，具体见表3。

表3 防水黏结层组合方案表Table 3 Combination scheme of waterproof adhesive结构层方案1改性乳化沥青方案2水性环氧乳化沥青方案3(热熔沥青(撒碎石))方案4环氧树脂黏结剂沥青磨耗层4 cm改性沥青SMA13防水黏结层改性乳化沥青,用量:300～500 g/m2水性环氧乳化沥青,用量:300～500 g/m2热熔沥青用量:1.2～ 1.8 kg/m2;撒布碎石9.5～13.2 mm,用量:5.0～7.0 kg/m2环氧树脂黏结剂,用量:400～600 g/m2混凝土基面喷砂处理,形成粗糙、洁净、干燥的基面

根据桥面铺装层间防水黏结的要求，对达到养生强度的水泥混凝土板表面进行喷砂处理，清理干净、干燥后，按照设计用量涂布防水黏结层材料，并在规定时间内铺筑改性沥青SMA13，待降至常温并放置48 h后切割试件。防水黏结层与水泥混凝土的界面黏结强度，以及水泥混凝土与沥青磨耗层组合结构的界面黏结强度和抗剪强度试验，加载速率均为10 mm/min，试验温度为10 ℃、25 ℃、40 ℃。

2 试验结果分析

2.1 界面黏结结强度

按照规范要求制作试件，在规定温度条件下养护4 h后进行测试，防水黏结层与水泥混凝土之间的黏结强度试验结果见表4,测试过程见图1。

从表4可看出，相同温度条件下，环氧树脂黏结剂与混凝土面板的黏结强度最大，在25 ℃时，其黏结强度达到3.86 MPa，水性环氧乳化沥青的黏结强度次之。各类防水黏结层组合结构，其与混凝土面板的黏结强度随着温度的升高均呈现不同程度的降低趋势，且40 ℃高温条件下，仅水性环氧乳化沥青和环氧树脂黏结剂的黏结强度能够达到1 MPa以上。在试验过程中，水性环氧乳化沥青与水泥混凝土面板的黏结性能良好，能够较好满足使用要求，但是在高温条件下，其黏结强度迅速衰减，究其原因在于高温条件下，组分中的沥青成分融化，大幅降低与水泥混凝土界面的黏结效果。

2.2 组合结构黏结强度

按照规范要求制作试件，在规定温度条件下养护4 h后进行测试(见图2)，组合结构的黏结强度结果见表5。

表4 防水黏结层材料黏结强度试验结果Table 4 Test results of different treatment methods防水黏结材料类型试验温度/℃试验结果/MPa界面破坏状况101.43材料自身破坏50%,与水泥板界面脱落50%改性乳化沥青251.14材料自身破坏60%,与水泥板界面脱落40%400.76材料自身破坏70%,与水泥板界面脱落30%103.00与水泥板黏结界面脱落70%,水泥板破坏30%水性环氧乳化沥青252.02材料自身破坏40%,与水泥板界面脱落60%401.07材料自身破坏50%,与水泥板界面脱落50%100.78与水泥板黏结界面脱落完全热熔沥青250.57与水泥板黏结界面脱落完全400.37与水泥板黏结界面脱落完全104.06与水泥板黏结界面脱落30%,水泥板破坏70%环氧树脂黏结剂253.86与水泥板黏结界面脱落60%,水泥板破坏40%402.55与水泥板黏结界面脱落80%,水泥板破坏20%

图1 防水黏结剂与水泥混凝土板黏结强度测试过程

表5 组合结构黏结强度试验结果Table 5 Pull-out test results of combined structure防水黏结层组合方案试验温度/℃试验结果/MPa界面破坏状况101.24与混合料脱落70%,与水泥板破坏30%改性乳化沥青+改性沥青 SMA13250.76与混合料脱落80%,与水泥板破坏20%400.31与混合料脱落90%,与水泥板破坏10%101.77与混合料脱落60%,材料自身破坏40%水性环氧乳化沥青+改性沥青 SMA13250.73与混合料脱落70%,材料自身破坏30%400.26与混合料脱落85%,材料自身破坏15%101.33与水泥板脱落50%,材料自身破坏50%热熔沥青(撒碎石)+改性沥青 SMA13250.56与水泥板脱落40%,材料自身破坏60%400.20与水泥板脱落30%,材料自身破坏70%102.51与混合料脱落50%,与水泥板破坏50%环氧树脂黏结剂+改性沥青 SMA13251.31与混合料脱落70%,与水泥板破坏30%400.82与混合料脱落90%,与水泥板破坏10%

图2 防水黏结剂组合结构拉拔试验

从表5可以看出，随着温度的升高，组合结构的黏结强度整体降低，且40 ℃后，除环氧树脂黏结剂的组合结构黏结强度达到0.82 MPa，其余均在0.5 MPa以下；而在其它温度条件下，水性环氧改性乳化沥青和环氧树脂黏结剂的黏结强度也可达到0.5 MPa，具有明显的界面黏结强度优势改性乳化沥青，及热熔沥青(撒碎石)在不同温度条件下的组合结构黏结强度相当，作为以沥青和SBS改性剂形成的热塑性材料，破坏面更多发生于本体, 或于混凝土黏结面的脱落。而含有反应性树脂的2类防水黏结材料与水泥混凝土板黏结强度极高，其破坏面主要集中在防水黏结层与沥青混合料之间。

2.3 组合结构剪切强度

按照规范要求制作试件，在规定温度条件下养护4 h后进行45 ℃的压剪试验测试(见图3)，组合结构的剪切强度试验结果见表6。

表6 组合结构剪切强度试验结果Table 6 Composite structure shear test results防水黏结层组合方案试验温度/℃试验结果/MPa界面破坏状况101.78与混合料脱落60%,与水泥板破坏40%改性乳化沥青+改性沥青 SMA13250.57与混合料脱落70%,与水泥板破坏30%400.19与混合料脱落80%,与水泥板破坏20%102.18与混合料脱落70%,与水泥板破坏30%水性环氧乳化沥青+改性沥青 SMA13250.88与混合料脱落80%,与水泥板破坏20%400.35与混合料脱落90%,与水泥板破坏10%102.13与水泥板脱落40%,材料自身破坏60%热熔沥青(撒碎石)+改性沥青 SMA13250.69与水泥板脱落30%,材料自身破坏70%400.11与水泥板脱落20%,材料自身破坏80%104.88与混合料脱落60%,与水泥板破坏40%环氧树脂黏结剂+改性沥青 SMA13251.64与混合料脱落70%,与水泥板破坏30%400.63与混合料脱落80%,与水泥板破坏20%

图3 组合结构试件剪切试验

从表6可以看出，4种方案的抗剪强度受温度影响非常敏感，10 ℃条件下，组合结构黏度强度都比较高，随着温度的升高，抗剪强度大幅降低，特别是改性乳化沥青和热熔沥青(撒碎石)方案，剪切强度不足0.2 MPa。由于环氧树脂黏结剂为纯树脂材料，不含其它溶剂，因此组合结构层间剪切强度在不同温度条件下均为最优值，在增强与基面黏结强度的同时，能够与沥青混合料产生有效黏结，以保持混合料结构性能的稳定。水性环氧乳化改性沥青防水黏结剂的抗剪切性能居中，与环氧树脂黏结剂存在一定差距，但明显优于另外2种防水黏结材料。

2.4 防水体系密水性

按照拟定的防水黏结层组合方案，将已经成型的圆柱体试件，待其强度完全达到规范要求后，将试件的表面喷砂，涂布防水黏结材料。待防水材料形成强度后，装入测试圆筒试模，采用热沥青对侧壁进行密封，采用T 0528混凝土抗渗性试验方法进行测试。试验中，涂有防水材料的一面为迎水面，当水穿破防水层后，才接触到水泥混凝土板。一旦压力水穿透防水层，渗透出混凝土表面，试验即结束，试验结果见表7。在试验过程中，如果试件周围发生透水，即立即停止试验，重新密封后，再进行加压测试。

在水压力达到一定强度并持续作用下，不同防水黏结材料均产生透水情况，但与无防水黏结层材料保护的水泥混凝土裸板相比，密水性能得到大幅提升。 从4种材料防水效果差异来看，一方面与材

表7 透水性试验结果Table 7 Results of water permeability test防水黏结材料类型水压力/MPa持续时间/h渗水状况水泥混凝土板(裸板)2.00.1试件中心透水、随即开裂改性乳化沥青2.51.8试件中心局部透水水性环氧乳化沥青2.52.5试件中心局部透水热熔沥青(撒碎石)2.51.5试件局部透水环氧树脂黏结剂2.53.5试件中心局部透水

料有效成分或厚度相关，另一方面也同防水材料与混凝土基面的渗透或结合状态有关。改性乳化沥青虽然膜较薄，但黏度小，渗透性强，与混凝土结合界面比较深，而热熔沥青虽有一定厚度，但碎石会破坏其整体性。

3 结论

本文针对混凝土基面的桥面铺装结构中4种防水黏结层材料，进行多项关键性能对比分析，得出以下结论：

a.4类防水黏结层材料性能水平各具差异。改性乳化沥青具有常温可流动、易喷涂施工的特点；水性环氧乳化沥青具备强度高、环保等特点；热熔沥青弹性恢复率高，能减轻裂缝引起的破坏作用；环氧树脂黏结剂具有优异的防水性能和黏结性能。

b.4类防水黏结层材料与基面的黏结强度均能满足规范要求，但高温条件下的基面黏结强度只有水性环氧乳化沥青和环氧树脂黏结剂达到1.0MPa的要求。

c.对于组合结构黏结强度而言，当温度超过40 ℃时，除环氧树脂黏结剂外，黏结强度整体偏低，均在0.5 MPa以下。

d.环氧树脂黏结剂的组合结构层间剪切强度，在不同温度条件下均为最佳值；热熔沥青(撒碎石)防水黏结剂在温度较低时具有较好的黏结性能，但温度超过25 ℃后，其层间抗剪切性能急剧下降；水性环氧乳化改性沥青防水黏结剂抗剪强度基本能保持在0.5 MPa以上，鉴于其成本低廉，潜在的应用市场规模较大。

e.从防水效果来看，环氧树脂黏结剂与水性环氧乳化沥青作为黏结层的密水效果最佳，热熔沥青方案相对最弱。

f.综合考虑，4类防水黏结剂在选择时，其界面黏结强度、组合结构黏结强度，及其剪切强度均随着温度的升高而呈现降低趋势；相同温度条件下，环氧树脂黏结剂的各项强度指标均为最优，但考虑到环氧材料成本较高，在有特殊使用要求的情况下，可选用该材料。