施工間隔時(shí)間對(duì)鋼橋面防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度的影響

胡海波，吳小韻，錢振東

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050；2.東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 211189)

鋼橋面防水粘結(jié)層是橋面鋪裝不可或缺的一部分，其主要作用是保護(hù)鋼板免遭滲水侵蝕，同時(shí)為鋼板與面層提供層間粘結(jié)的作用。粘結(jié)強(qiáng)度的大小將會(huì)直接影響橋面鋪裝的耐久性能及使用壽命，不少學(xué)者對(duì)溫度[1]、濕度條件[2]與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究。對(duì)于施工來(lái)講，溫度、濕度及用量等都有明確的限制要求，但各層材料施工的間隔時(shí)間有時(shí)卻沒(méi)有一個(gè)明確的說(shuō)明，現(xiàn)有的規(guī)范及施工指南對(duì)于施工間隔時(shí)間的規(guī)定較少，施工時(shí)往往會(huì)因?yàn)楣て谕涎訑R置導(dǎo)致防水粘結(jié)層施工完成后質(zhì)量較差，甚至影響整個(gè)橋面鋪裝的質(zhì)量，所以對(duì)于各層結(jié)構(gòu)的間隔時(shí)間進(jìn)行相關(guān)研究十分重要。

現(xiàn)有的澆注式鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層體系可以歸結(jié)為四種類型[3]：反應(yīng)性樹(shù)脂防水粘結(jié)體系、甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂防水粘結(jié)體系、溶劑型防水粘結(jié)體系、環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)體系。姚美珍[4]、錢振東等[5]對(duì)環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑與施工間隔時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了研究，對(duì)于武漢青山長(zhǎng)江大橋采用的甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂防水粘結(jié)體系相關(guān)研究較少，該體系現(xiàn)場(chǎng)施工方案為噴砂除銹完成后3 h內(nèi)進(jìn)行防腐底漆的輥涂，待底漆固化后，即可進(jìn)行兩層樹(shù)脂膜的涂布，樹(shù)脂膜噴涂結(jié)束后約1 h(23 ℃)并完全固化后可涂布丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑固化后擱置或進(jìn)行下一步GA-10混合料的攤鋪。防水粘結(jié)層及澆注式瀝青混合料施工過(guò)程中，底漆與樹(shù)脂膜、粘結(jié)劑與澆注式瀝青混合料的施工間隔時(shí)間并未作出明確規(guī)定，故本文結(jié)合武漢青山長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝實(shí)體工程，采用拉拔試驗(yàn)測(cè)出其粘接強(qiáng)度與施工間隔時(shí)間的關(guān)系，探究最佳施工間隔時(shí)間以保證施工質(zhì)量，為青山長(zhǎng)江大橋鋼橋面防水粘結(jié)層施工提供更好的指導(dǎo)，也可為類似項(xiàng)目提供借鑒和參考。

1 工程概況

武漢青山長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)7547.6 m，其中長(zhǎng)江大橋段(主橋、灘地橋、跨堤孔橋)長(zhǎng)4.3736 km，接線引橋長(zhǎng)3.174 km(南岸引橋長(zhǎng)1.634 km，北岸引橋長(zhǎng)1.540 km)。中跨鋼箱梁鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為2 mm甲基丙烯酸樹(shù)脂防水體系+3 cm的澆注式瀝青混合料GA-10+改性乳化瀝青粘層+4 cm高彈改性瀝青SMA-13，總厚度7.2 cm。具體鋪裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中防水粘結(jié)層結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖1 青山長(zhǎng)江大橋中跨鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意

表1 青山長(zhǎng)江大橋鋼橋面防水粘結(jié)層鋪裝結(jié)構(gòu)

2 原材料性質(zhì)

(1)防水粘結(jié)層材料

甲基丙烯酸防腐體系分為三層結(jié)構(gòu)：丙烯酸防腐底漆、甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂膜以及丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑。各層材料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～4。

表2 丙烯酸防腐底漆技術(shù)指標(biāo)

表3 甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)

表4 丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)

(2)澆注式瀝青混合料

本文試驗(yàn)GA-10澆注式瀝青混合料采用的是聚合物改性瀝青(基質(zhì)瀝青為韓國(guó)進(jìn)口SKA-70道路石油瀝青)，粗集料采用潔凈、干燥、表面粗糙的玄武巖，細(xì)集料采用0～3 mm玄武巖機(jī)制砂，礦粉采用細(xì)磨石灰石粉?；旌狭霞夹g(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 GA-10瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)采用PosiTest AT拉拔強(qiáng)度測(cè)試儀(見(jiàn)圖2)，該儀器試驗(yàn)快捷且易操作。進(jìn)行“鋼板-底漆-防水層”拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)采用直徑20 mm的拉拔頭，檢測(cè)“防水層-粘結(jié)層-澆注式瀝青混合料”拉拔強(qiáng)度時(shí)，采用直徑50 mm的拉拔頭。試驗(yàn)過(guò)程中的拉拔速率控制為10 mm/min，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度要求為25 ℃。

圖2 PosiTest AT拉拔強(qiáng)度測(cè)試儀

3.2 “鋼板-底漆-防水層”拉拔試驗(yàn)

為了研究施工間隔時(shí)間對(duì)鋼橋面防水粘結(jié)層層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響，本文試驗(yàn)選取與鋼橋面板相同材質(zhì)且等厚度的30 cm×30 cm的鋼板進(jìn)行噴砂除銹處理，待其粗糙度和清潔度達(dá)到設(shè)計(jì)要求(清潔度達(dá)到Sa2.5級(jí)，粗糙度到達(dá)60～100 μm)后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)所需試件的制作。

待鋼板噴砂除銹完成后，需在3 h內(nèi)進(jìn)行丙烯酸防腐底漆的涂布，以防止鋼板反銹。防腐底漆涂布用量要求為100～200 g/m2，本文試驗(yàn)分150，200 g/m2兩種用量進(jìn)行拉拔試件成型。由于采用環(huán)氧樹(shù)脂AB膠作為粘結(jié)劑時(shí)，其測(cè)試結(jié)果不能反應(yīng)鋼板、底漆和防水層之間的粘結(jié)強(qiáng)度[6]，故本文試驗(yàn)采用甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，該方法試驗(yàn)結(jié)果可準(zhǔn)確反應(yīng)防腐底漆與防水層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)也能間接反應(yīng)防腐底漆與鋼板之間的粘結(jié)強(qiáng)度。丙烯酸防腐底漆完全干燥后，即可進(jìn)行拉拔頭的粘貼(拉拔頭預(yù)先涂抹一層防腐底漆)。按照上述方法，在防腐底漆固化后養(yǎng)生1～6 d，然后沾上拉拔頭，分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，相對(duì)濕度要求為60%，試驗(yàn)結(jié)果如表6及圖3所示。

表6 “鋼板-底漆-防水層”拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同間隔時(shí)間不同用量下“鋼板-底漆-防水層”拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由表6、圖3可知，隨著底漆用量增加，其粘結(jié)強(qiáng)度減小。分析認(rèn)為，底漆用量較多時(shí)，由于鋼板噴砂除銹后粗糙度為60～100 μm，底漆用量越多，涂布厚度越大，底漆用量在200 g/m2時(shí)其厚度能達(dá)到80 μm，導(dǎo)致界面粗糙度降低，進(jìn)而影響底漆與防水層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。隨著間隔時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，大于4 d時(shí)，“鋼板-底漆-防水層”層間粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)小于5 MPa的現(xiàn)象，不滿足層間粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，因此根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文認(rèn)為防腐底漆施工完成后與防水層的施工間隔時(shí)間避免超過(guò)4 d。

3.3 “防水層-粘結(jié)層-澆注式瀝青混合料”拉拔試驗(yàn)

按照3.2節(jié)中相同的方法噴砂除銹并涂抹防腐底漆，防腐底漆用量為150 g/m2，養(yǎng)生一天后，進(jìn)行兩層甲基丙烯酸樹(shù)脂膜的涂布，總用量控制在3000 g/m2，經(jīng)過(guò)1 h固化后涂抹丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑，用量控制在180 g/m2，上述工序完成后，模擬防水粘結(jié)層完工1～0 d后再進(jìn)行澆注式瀝青混合料攤鋪的工況，將10塊成型好的鋼板分別養(yǎng)生1～10 d，然后實(shí)施澆注式瀝青混合料鋪裝，待澆注式瀝青混合料養(yǎng)生1 d后，鉆取直徑50 mm的芯樣，粘貼直徑50 mm的拉拔頭，試件與拉拔頭之間的粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹(shù)脂AB膠，然后在粘結(jié)劑固化后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖4所示。

圖4 不同間隔時(shí)間下“防水層-粘結(jié)層-澆注式瀝青混合料”拉拔試驗(yàn)結(jié)果

表7 “防水層-粘結(jié)層-澆注式瀝青混合料”拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由表7、圖4可知，隨著防水粘結(jié)層養(yǎng)生天數(shù)的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸減小，不大于3 d時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到3 MPa，斷裂面90%為澆注式瀝青混凝土表面，10%為丙烯酸粘結(jié)劑，表明此時(shí)防水粘結(jié)層間的粘結(jié)性能良好；養(yǎng)生時(shí)間在3～6 d時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度降低速度增加，但是斷裂面依舊在澆注式瀝青混凝土與丙烯酸粘結(jié)劑之間，防水粘結(jié)層層間粘結(jié)性能保持正常；大于6 d時(shí)，拉拔試驗(yàn)斷裂面出現(xiàn)在甲基丙烯酸樹(shù)脂膜表面，隨著時(shí)間增加至10 d，試件則完全在甲基丙烯酸樹(shù)脂膜表面斷開(kāi)，粘結(jié)強(qiáng)度降至1.31 MPa，表明了兩層甲基丙烯酸樹(shù)脂膜之間的粘結(jié)性能嚴(yán)重下降，故本文建議施工時(shí)防水粘結(jié)層與GA-10澆注式瀝青混合料的施工間隔時(shí)間不超過(guò)6 d。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

由于GA-10瀝青混合料與防水粘結(jié)層的拉拔試驗(yàn)需要現(xiàn)場(chǎng)鉆芯，會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)，影響路用性能，故只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室拉拔強(qiáng)度檢測(cè)。對(duì)于“鋼板-底漆-防水層”拉拔試驗(yàn)，因?yàn)橥|(zhì)材料的匹配性，采用甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂作為粘結(jié)劑進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，僅需在試驗(yàn)完成后對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)小范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)涂，對(duì)施工質(zhì)量影響甚小，故青山長(zhǎng)江大橋鋼橋面底漆輥涂完成后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)檢測(cè)(見(jiàn)圖5)，檢測(cè)時(shí)環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為60%。本文按照底漆與防水層的施工間隔時(shí)間將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，如表8、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)

表8 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖6 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由表8可知，隨著防腐底漆養(yǎng)生天數(shù)的增加，選定區(qū)域的整體粘結(jié)強(qiáng)度降低，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)結(jié)論一致；現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)結(jié)果較室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果增大，這是由于現(xiàn)場(chǎng)拋丸方式采用大型機(jī)械拋丸機(jī)，拋丸后鋼板的粗糙度比室內(nèi)人工打磨高，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度整體較高[7,8]。同時(shí)，從圖5可以看出，間隔時(shí)間1～3 d時(shí)，各測(cè)點(diǎn)間拉拔試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果整體處于較高水平，但間隔時(shí)間增加到5 d，拉拔試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出波動(dòng)較大的情況，部分測(cè)點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度明顯降低，即底漆與甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂膜之間粘結(jié)性能下降，故本文建議防腐底漆與甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂膜的施工間隔時(shí)間小于5 d。

5 結(jié) 論

(1)隨著防腐底漆養(yǎng)生天數(shù)的增加，“鋼板-底漆-防水層”之間的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸減小，本文認(rèn)為施工時(shí)底漆與防水層之間的間隔時(shí)間不超過(guò)4 d。同時(shí)，武漢青山長(zhǎng)江大橋防水粘結(jié)層施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，丙烯酸防腐底漆與甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂膜層間粘結(jié)強(qiáng)度隨著施工間隔時(shí)間的增加而減小，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論一致。丙烯酸防腐底漆養(yǎng)生時(shí)間達(dá)到5 d，測(cè)試區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度波動(dòng)較大，一半測(cè)點(diǎn)處的粘結(jié)強(qiáng)度明顯降低。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果綜合分析，本文建議丙烯酸防腐底漆與甲基丙烯酸甲酯樹(shù)脂膜施工間隔時(shí)間不超過(guò)4 d。

(2)拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著施工間隔時(shí)間的增加，“防水層-粘結(jié)層-澆注式瀝青混合料”復(fù)合結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低；施工間隔時(shí)間大于6 d時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)斷裂面出現(xiàn)在甲基丙烯酸樹(shù)脂膜和丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑表面，表明防水粘結(jié)層層間粘結(jié)性能下降，影響鋼橋面鋪裝的質(zhì)量，故本文建議丙烯酸粘結(jié)劑與GA-10澆注式瀝青混合料施工間隔時(shí)間不超過(guò)6 d。