固化条件对二阶固化防水粘接层粘层油性能测试的影响

张 炜,刘宇星,赵世琦

(北京金岛奇士材料科技有限公司，北京 100083)

近年来，中国大跨径桥梁建设发展迅速，但桥面易发生早期破坏，尤其以铺装层破坏最为严重。而桥面铺装中防水粘接层的破坏则是导致铺装层病害的一个主要原因。桥面易出现的鼓包、网裂、龟裂、沥青面层剥落、沥青面层与桥面板脱离以及桥梁主体钢筋锈蚀等病害均与桥面防排水能力直接相关[1]。在桥面铺装工程中防水粘结层的设计至关重要,为了获得更好的防水粘接效果，已有多种材料、技术路线或施工方案得到试验和采用[2-6]。

钢桥面铺装工程中，典型铺装结构由下到上依次是钢桥面、环氧富锌漆、防水粘接层、改性沥青铺装下层、防水粘接层、改性沥青铺装上层，在这种结构中有2处界面都用到防水粘结剂。传统的乳化沥青或普通改性沥青粘接层仅能提供不到0.3 MPa的粘接力和剪切力，其用于防水粘接层使用效果不够理想。环氧树脂改性沥青也可用作防水粘接层且性能优异[7-10]；但不管是温拌类环氧沥青(拌和温度110～130 ℃)[11-13]，还是热拌类环氧沥青(拌和温度160～180 ℃)[14-15]，都需要高温拌合且对养护条件要求较高，其在一定程度上对现场施工造成了不便。环氧树脂具有优异的力学性能，附着能力强，且稳定性好，其固化物通常质地坚硬，在建筑结构加固及路桥修补领域应用非常广泛[16-19]。环氧树脂经增韧改性并结合特殊固化剂，通过配方设计可制得具有二阶热固性的界面防水粘结剂，即：撒布后在常温下可以很快地表干固化(一阶)，使得车辆和人员在该粘接层上作业时不会发生粘连；当热拌沥青混合料铺筑时，该粘接层在混合料热量作用下重新液化，与热拌沥青混合料中的沥青熔融相连并快速固化(二阶)，进而形成环氧材料的粘接层界面[20]。

本研究通过对工作中所接触到的国内外几种环氧树脂类防水粘层油进行了测试，对不同固化条件下各固化物的性能进行对比实验，以供实际应用参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

外来防水粘层油样品WL-1、WL-2、WL-3和WL-4：工业品，前3种防水粘层油样品树脂A与固化剂B质量比均为100∶100；WL-4样品树脂A与固化剂B质量比为100∶90。自制防水粘层油FS-1、FS-2、FS-3和FS-4：工业品，北京金岛奇士材料科技有限公司；其样品树脂A与固化剂B质量比均为100∶100。本研究所用防水粘层油样品均为环氧树脂类型。

1.2 实验方法

1.2.1试样制备

环氧树脂A和固化剂B2种组分在30～35 ℃烘箱中提前预热，之后按设定计量比称量，并边搅拌边抽真空至二者混合均匀且基本无气泡，留出少量用于粘接打磨好的碳钢试片；其余胶液倒入薄平板模具中，控制模腔厚度约2～2.3 mm。然后，钢片和模具按照设定好的6种固化条件进行固化，固化后的样片冷却到常温后拆模取出用切刀裁成小哑铃型样条；样条及钢片放入23 ℃测试室恒温后再进行性能测定。

1.2.2拉伸性能

参照GB/T 528—2009测试，拉伸速率分别采用500、100 mm/min。

1.2.3钢-钢拉伸剪切强度

按GB/T 7124—1986测试，拉伸速率5 mm/min。

1.2.4硬度

采用型号LX-A邵氏A型硬度计。

2 结果与讨论

研究了环氧树脂A组分和固化剂B组分混合后在常温及略高于常温的固化条件下的性能，选定了3种固化条件：常温23 ℃固化7 d、温度40 ℃固化1 d和温度60 ℃固化4 d。常温23 ℃固化7 d是检测环氧树脂类建筑结构胶常用的固化条件；温度40、60 ℃是模拟气温较高时的现场施工环境温度，在夏天中午太阳直射的情况下钢板或者混凝土基材表面很容易达到60℃。按照一些样品的使用说明，防水粘层油涂刷后的养护固化过程中存在粘接有效期限，在粘接有效期限内完成后续的热沥青摊铺工序以保证施工质量；不同产品的粘接有效期会有区别，同一产品在不同温度区间的粘接有效期也有差异，通常环境温度低其粘接有效期限较长，例如20～30 ℃温度区间粘接有效期限可达3～4 d，而在40～50 ℃温度区间粘接有效期限只有1～2 d。在实际工程施工过程中，基面涂刷防水粘层油后时常会遇到一些意外情况，导致无法在短期内进行随后的热沥青摊铺，防水粘层油施工面可能会在铺装后长时间在环境温度中保留，本文采用常温固化7 d和60 ℃固化4 d工艺来尽量模拟极端情况下的条件。

2.1 常温及略高于常温的固化条件固化物的性能

将环氧树脂A和固化剂B按照设定配比混合均匀，并在常温23 ℃条件下养护7 d后的固化物性能如表1所示。

表1 不同配方固化物的性能(常温23 ℃固化7 d)Tab.1 Properties of different formulations cured after 7 days at 23 ℃

由表1可知，经常温养护7 d后，所用的8种防水粘层油配方在拉伸速率为500 mm/min下测试，拉伸强度均超过3 MPa，断裂伸长率超过200%；当采用较慢的拉伸速率100 mm/min测试拉伸强度会有不同程度降低，而断裂伸长率则比采用较快的拉伸速率测试时都有一定增加，因此对比不同配方性能时应在同样的拉伸速率下进行测试才有可比性。从不同配方间对比也可以看出，通常固化物硬度越高的配方其粘接强度也会越高，拉伸强度和断裂伸长率也跟硬度有关联，大致的规律是硬度越高拉伸强度越高，同时断裂伸长率较低。然而，例如硬度较高的3个配方WL-4、FS-2和FS-4的拉伸强度均可达到7 MPa，但硬度最高的配方FS-4拉伸强度并不是最高的。

在温度40 ℃条件下养护1 d后的固化物性能如表2所示。

表2 不同配方固化物的性能(40 ℃固化1 d)Tab.2 Properties of different formulations cured after 1 days at 40 ℃

由表2可知，适当升高养护温度至40 ℃并缩短养护时间为1 d，与常温23 ℃固化7 d相比，8种配方的固化物拉伸强度、粘接性能和硬度都有不同程度降低；而断裂伸长率则相反，这可能是因为温度40 ℃固化1 d时间较短，各配方的固化程度不如常温23 ℃固化7 d和温度40 ℃固化1 d的固化物更柔软。这与不同配方的降低幅度也并不一致，且与各配方的固化速度不同有一定关系。

在温度60 ℃条件下养护4 d后的固化物性能如表3所示。

表3 不同配方固化物的性能(60 ℃固化4 d)Tab.3 Properties of different formulations cured after 4 days at 60 ℃

由表3可知，进一步升高养护温度至60 ℃并养护4 d，与常温23 ℃固化7 d相比，除个别配方外各配方的固化物拉伸强度、粘接性能和硬度都有不同程度地提高；而断裂伸长率则相反。这可能是因为跟常温23 ℃固化相比，在温度60 ℃下树脂和固化剂分子链段更易活动，经4 d养护后各配方固化都比较充分所致。尤其是配方WL-4和FS-4，经温度60 ℃固化4 d后拉伸剪切强度都超过10 MPa，断裂伸长率达到200%左右，且拉伸剪切强度都在15 MPa以上。

2.2 经过高温150 ℃加热固化条件固化物的性能

在实际施工中，因为防水粘层油涂刷到路、桥基材表面上待其表干后还要在上面摊铺热拌沥青混合料。热拌沥青混合料摊铺时的温度通常在150～180 ℃，高温热沥青混合料接触到已初步固化表干的防水粘层油后会迅速将其加热到较高温度并使其重新液化，与热拌沥青混合料中的沥青熔融并继续发生反应。此过程中，在经摊铺碾压作用下骨料大颗粒嵌入防水粘接层中，形成均匀分布的抗剪力结构体；同时，高温加速二阶反应的快速进行，生成弹塑性的防水粘接层，内聚力进一步提高，使面层沥青混凝土与水泥混凝土之间形成良好的防水粘接层[21]。因此，前面研究中所用到的3种固化条件并不能代表防水粘层油在实际工况中最终所经历的固化过程，应该额外增加在高温下(150 ℃以上)经过短时间加热处理的固化阶段，考虑到这个因素，下面的试验采用了3种比较有代表性的固化条件：23 ℃/1 d+150 ℃/1 h，23 ℃/4 d+150 ℃/1 h和60 ℃/1 d+150 ℃/1 h。

由表4可知，与常温7 d固化工艺相比，经过常温固化1天再额外增加150 ℃/1 h高温处理后，除了WL-4和FS-4这2个配方，其余高温1 h处理后的各配方固化物的硬度、拉伸强度都明显低于没有经过高温处理的，尤其是WL-1和WL-2配方降低幅度非常大，WL-1的拉伸强度由常温7 d的3.3 MPa降到只有0.29 MPa，WL-2的拉伸强度也由常温7 d的5 MPa降到0.34 MPa；配方WL-3、FS-1、FS-2和FS-3的拉伸强度也有不同程度下降。经过高温处理后固化物明显变得更柔软，断裂伸长率也随之增加，WL-1和WL-2的断裂伸长率甚至超过1 000%；配方WL-1、WL-2和WL-3的拉伸剪切强度略有降低，配方FS-1、FS-2和FS-3的拉伸剪切强度则略有提高。WL-4、FS-4这2个配方与其余6个配方的主要区别在于经过高温处理与否对固化物的拉伸强度和硬度影响不是很大，经过高温处理后拉伸剪切强度和断裂伸长率有一定增长。

表4 不同配方固化物的性能(23 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.4 Properties of different formulations cured after 1 day at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表5可知，与经23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化工艺的固化物性能对比，经过23 ℃/4 d+150 ℃/1 h固化工艺的各配方固化物性能虽有差异,但相对比较接近，常温固化4 d后再经过高温处理后固化物硬度也会明显下降，其余各项性能也表现出类似的变化趋势。这其中配方FS-1、FS-2和FS-3常温固化4 d后再经150 ℃/1 h处理比在常温下只固化1 d后再经150 ℃/1 h处理的固化物拉伸强度要高一些；而其余5个配方经2种固化工艺处理后的拉伸强度相差不大。

表5 不同配方固化物的性能(23 ℃/4 d+150 ℃/1 h)Tab.5 Properties of different formulations cured after 4 days at 23 ℃ and 1 hour at 150 ℃

由表4、表6可知，将第1阶段的固化工艺由常温23 ℃+/1 d调整到60 ℃固化1 d，同样增加150 ℃/1 h的高温处理过程，这2种固化工艺最终固化物的各项性能比较接近。

表6 不同配方固化物的性能(60 ℃/1 d+150 ℃/1 h)Tab.6 6 Properties of different formulations cured after 1 day at 60 ℃ and 1 hour at 150 ℃

上述的2大类固化工艺所测数据对比，直观地表现出在温度150 ℃条件下短时间的高温处理过程对固化物性能的影响，在本研究所涉及的8种防水粘层油配方中，多数都在经过高温处理再恢复到常温后会变得更柔软，推测固化物在高温加热处理的过程中未反应完的官能团会继续完成固化反应，同时固化物中的某些结构在高温下也发生了不可逆的转变或者破坏，导致经过高温处理后再降温到常温测试时固化物的性能与仅经过温度60 ℃以下固化历程的差异显著。少数配方如WL-4和FS-4之所以受影响不大，可能是由于其固化物中所含的主要链段结构在高温下不易发生转变或者破坏所致。

2.3 不同固化条件所得固化物的熔融性能

上述已经提到，防水粘层油撒布后可在常温下表干 (一阶)；而当热拌沥青混合料铺筑时，该粘接层在高温混合料热量作用下应该能够重新液化，这样才能与热拌沥青混合料中的沥青熔融相连 (二阶)，冷却到常温后形成环氧/沥青混合料的粘接界面。此外，防水粘层油受热后的这种熔融过程应该持续一定时间，使得随后碾压时骨料大颗粒可以嵌入熔化的防水粘接层中。基于以上考虑，通过对各种配方在经历不同固化过程后所形成的固化物的高温熔融情况进行了相关试验，具体试验过程是将各配方按设定比例混合后分到样品杯中，按照预设有代表性的固化条件进行固化，待达到相应的固化时间后将固化物取出切碎重新放入样品杯中；然后放置到已预热到温度150 ℃的烘箱中观察其熔融情况，结果如表7所示。

表7 不同固化工艺各配方固化物的加热熔融情况Tab.7 Melted states of different formulations cured after different process

由表7可知，有5个配方在设定的各种固化工艺处理后都能达到高温加热熔融的效果；另外3个配方在不同固化工艺处理后的加热熔融程度上有一定区别。配方WL-3在23 ℃/1 d、40 ℃/1 d和60 ℃/1 d初固化后的固化物可以在温度150 ℃加热一段时间后完全融化；而经过23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在温度150 ℃加热后只能达到部分熔化的状态。针对配方WL-3，在现场施工时要注意及时摊铺热沥青混合料，如果防水粘层油涂刷后耽搁时间过长，超过了粘接有效期限就会影响最终的粘接效果。配方FS-3的情况与WL-3的情况类似，经过23 ℃/7 d、60 ℃/4 d和23 ℃/1 d+150 ℃/1 h固化后的固化物在温度150 ℃加热后完全不能熔融，粘接有效期限比WL-3更短。配方WL-4只在23 ℃/1 d和40 ℃/1 d这2种固化工艺处理后高温加热时可以达到部分熔化的状态，其余工艺条件下高温加热后都完全不能熔融，这种配方对现场施工不同工序间的紧密衔接配合要求就更高了，在实际施工中最终粘接效果很难保证符合预期要求。

3 结语

(1)对8种防水粘层油样品在不同固化条件下的固化物性能进行了测试，在温度60 ℃以下的3种固化工艺所得试验结果随固化温度和固化时间不同有一定差别。而经过较低温度的初固化再进行150 ℃高温加热处理1 h后，多数配方固化物比仅经过60 ℃以下固化工艺的要更柔软一些，且各项性能差别也较明显，这可能与高温下固化物中的某些结构发生了不可逆的转变或者破坏有关；

(2)对各种防水粘层油样品在经历不同固化过程后所形成固化物的高温熔融情况进行了相关试验，结果表明不同配方的粘接有效期限长短各有不同，在实际施工中应留意根据现场实际环境和所用产品性能调整施工工艺和各步骤工期要求；

(3)在防水粘层油产品实际性能检测和技术要求中应结合施工现场条件明确制备样条和试件时的具体养护温度和养护时间，以便于对比考察。