九江长江大桥防锈粘结层粘结性能试验研究

时间：2024-09-03

杨亚林，薛永超，钱振东，钱宇峰，桂鑫

(1.江西赣鄂皖路桥投资有限责任公司，江西九江 332099； 2.东南大学智能交通运输系统研究中心, 江苏南京 211189； 3.江西省交通建设工程质量监督管理局，江西南昌 330096)

钢桥因其自重轻、结构强度高等优点，逐渐成为我国水上过江通道的主要选择形式，而钢桥面铺装结构的力学与使用性能是影响过江通道交通通行质量的直接影响因素[1]。有研究表明，大量钢桥面铺装层在未达到设计使用寿命的情况下，就开始发生不同程度的推挤、脱层等病害[2-4]，而钢桥面与铺装层的粘结力不足是很多钢桥面铺装产生上述病害的主要原因之一。脱层出现后铺装层将迅速开裂，导致水分和空气进入，造成钢桥面板锈蚀，危害结构安全[5-6]。

钢桥沥青混凝土铺装结构对层间粘结材料提出了较高要求，为加强钢桥面板与铺装层材料间的粘结作用，国内外学者就此展开了相关研究。王胜[7]等测试了防水材料的粘结性能在不同温度下的表现，发现随温度升高其粘结性能将明显降低；Mo[8]等研究了正交异性钢桥面环氧沥青层铺装的力学性能，表明钢板与环氧粘结剂的粘结强度和温度之间显著相关。孙建邦[9]等建立了移动荷载作用下防水粘结层的仿真模型，模拟实际情况下车辆行驶过程，发现粘结层最大剪应力受沥青铺装层模量、粘结层厚度的变化影响较小。上述研究对钢桥面铺装结构中防水粘结材料的选择、层间结构设计及层间处治方式等提供了重要依据。

钢桥面的防锈粘结层是联结钢桥面板与铺装结构的重要功能层，主要由提供防锈能力的防腐底漆与提供防水保护、层间粘结作用的防水粘结材料组成[10]。由于不同的钢桥面铺装材料具有不同的施工工艺，适当选用防锈粘结材料及在施工前根据铺装材料特性对粘层进行针对性的性能验证是保证施工质量与铺装寿命的重要手段[11]。九江长江大桥结构改造工程是国内第一次公铁两用大桥的整体结构改造工程，采用“上层SMA，下层热拌EA”作为桥面铺装结构，施工时温度较高，可达180 ℃左右，故在施工之前，应设计组织试验确定粘结层最佳用量，验证防锈粘结层的抗高温性能，研究粘结剂在受到水损害后力学性能的劣化规律。本文以九江长江大桥所使用的“环氧富锌漆+环氧粘层油”组成的防锈粘结层作为研究对象，考察环氧粘结剂用量范围，提出一种施工阶段验证防锈粘结层的抗高温性能的检测方法，并对其粘结性能进行试验研究。

1 试验设计

1.1 原材料

本项目采用“下层EA+上层改性SMA”铺装结构，其结构如图1所示。该结构是一种长寿命桥面沥青铺装方案，由性能优异的环氧沥青混凝土铺装下层作为防水保护基层，与环氧沥青防水粘结层一起形成安全的防水粘结体系和承重层，为铺装磨耗层提供稳定的铺装基础和可靠的铺装界面；改性SMA作为桥面铺装的磨耗层，可以提供较好的表面抗滑性能，高温抗车辙性能，从而提供舒适、安全的行车环境。

图1 “下层EA+上层改性SMA”铺装结构示意图

本项目使用长沙双洲防腐材料有限公司生产的环氧富锌底漆作为防腐底漆。其技术指标如表1所示。

表1 环氧富锌漆技术指标Table1 Technicalindexesofepoxyzincrichpaint类别不挥发分/%不挥发分中金属锌含量/%涂膜外观表干时间/h实干时间/h耐冲击性/cm附着力/MPa检验结果7178正常<1<18≥50≥6技术要求≥70≥70—≤1≤24506

环氧黏层油由环氧树脂与固化剂按照1∶1的比例配制，在钢桥面铺装中作为环氧富锌漆与环氧沥青铺装层之间的粘结剂，其技术指标如表2所示。

表2 环氧粘层油技术指标Table2 Technicalindexesofepoxytackcoatoil检验项目抗拉强度(23℃)/MPa破坏延伸率(23℃)/%与钢板的粘结强度(23℃)/MPa与钢板的剪切强度(25℃)/MPa荷载作用下的热挠曲温度/℃吸水率(7d,20℃)/%不透水性(0.3MPa)/30min检验结果7.96193.84.3-160.15不渗水技术要求≥6.9≥190≥3.0≥3.5-18～15≤0.3不渗水

从上述检测结果可以看出，本项目使用的铺装结构材料的力学性能与耐用性能优异，但防锈-粘结材料的常规检测指标中没有体现出材料的抗高温特性，为了保证施工工期不延误、铺装工作顺利进行，同时为了保证铺装结构的服役时间，本文提出以下方法作为施工前针对防锈-粘结材料的耐高温性能检验的手段。

1.2 试验方案

使用与钢桥面板同标号的钢材，尺寸为300 mm×300 mm×16 mm，表面经过喷砂除锈处理，使其清洁等级达到Sa 2.5级，粗糙度为Rz40～80 μm，先后在钢板表面涂刷环氧富锌漆、环氧粘层油，在车辙板模具内轮碾成型下面层环氧沥青混凝土，制备“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合体系试件。

常规试验包括剪切试验与拉拔试验，复合结构剪切试验使用的仪器为万能试验机UTM，试验首先将试件横置在剪切试验专用夹具内，并提供恒定的侧向力保证试件处于夹紧状态，然后在竖直方向施加荷载，加载方式采用位移控制，剪切速率为10 mm/min。剪切试验具体示意见图2、图3。

图2 层间剪切试验图

图3 万能试验机UTM

拉拔试验使用的仪器为桥面铺装专用拉拔仪。参考美国标准试验方法ASTMD 638，拉拔仪加载方式采用位移控制，加载速率为10 mm/min。拉拔试验具体示意见图4、图5。

图4 复合结构拉拔试件

图5 桥面铺装专用拉拔仪

2 粘结剂最佳用量

考虑到工程经济与施工标准，通过改变环氧富锌漆-环氧粘层油”防锈粘结体系的涂布量，按1.2所示步骤制作“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合体系试件，测试其拉拔强度与剪切强度(见表3)，确定粘结剂最佳用量。

表3复合体系剪切试验与拉拔试验结果Table3 Sheartestanddrawingtestresultsofcompositesystem用量/(L·m-2)编号剪切强度/MPa剪切强度均值/MPa拉拔强度/MPa拉拔强度均值/MPa破坏位置1-12.924.56粘结层0.31-22.902.944.734.57粘结层1-33.004.42粘结层2-13.145.20粘结层0.42-23.083.114.985.07粘结层2-33.125.03粘结层3-13.105.02粘结层0.53-23.193.125.105.11粘结层3-33.075.22粘结层4-13.025.13粘结层0.64-23.063.075.045.12粘结层4-33.135.19粘结层5-13.015.09粘结层0.75-23.083.064.924.96粘结层5-33.084.87粘结层

2.1 剪切强度

“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合体系结构剪切试验强度的散点图如下，为了进一步研究剪切强度随粘结料用量变化的趋势，对剪切强度与粘结料用量进行线性回归，得到其回归方程与相关系数，结果如图6所示，x，y分别为拟合方程的变量与自变量。

图6 不同粘结料用量下复合体系剪切强度

由表3可见，在粘结材料用量大于0.4 L/m2时，层间剪切强度较高，最大剪切强度为3.12 MPa。但层间剪切强度对粘结材料的用量并不敏感，这主要是由于层间剪切强度受到上、下层表面的摩擦状况影响较大。因此，在具体施工过程中，除了有效撒布粘结材料外，还应从级配设计角度及其他角度出发，尽可能增大下层表面与上层底边的粗糙程度，加大层间的摩擦性能，提高层间粘结性能。根据复合结构剪切试验结果，从粘结层剪切性能的角度出发，粘结材料的用量应不低于0.4 L/m2。

对拉拔强度与粘结料用量进行回归分析，发现二次多项式模型能较好地拟合数据，回归方程如下：

y=-3x2+3.2x+2.27，

判定系数R2=0.805 8。

回归模型峰值出现在粘结料用量为0.53 L/m2时，此时复合体系的剪切强度为3.12 MPa。

2.2 拉拔强度

“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合体系结构拉拔试验强度与粘结料用量的相关性分析如图7所示，由拉拔试验结果可知，层间拉拔性能随粘结料用量的变化有较明显的差异，拉拔强度随着粘结料用量的增加呈现先增大后略微减小的趋势，其中当粘结料用量为0.5～0.6 L/m2时，层间拉拔性能较好；拉拔强度值均大于2 MPa，其中在0.6 kg/m2用量时达到最大拉拔强度值为2.27 MPa。

图7 不同粘结料用量下复合体系拉拔强度

剪切强度与粘结料用量的回归方程如下：y=-9.642 9x2+10.473x+2.333 1，判定系数R2=0.938 5。回归模型的峰值出现在粘结料用量为0.54 L/m2时，此时复合体系的剪切强度为5.18 MPa。

3 施工前防锈粘结层的抗高温性能检测方法

复合结构拉拔试验是检测钢桥面铺装粘结能力的常用手段[12]，可分为室内试验与现场试验两种，其中现场试验为铺装工程试验段施工时在铺装承载结构上埋设试件，与试验段同步施工，养生结束后取出试件，进行拉拔试验，由于材料及施工工艺与现场摊铺完全一致，最能反映实际铺装的力学行为。但环氧类材料强度形成均需要一定的时间，若完全依靠复合结构拉拔试验验证防锈-粘结层高温稳定性，试验周期较长，在长江中下游复杂气候条件下，可能会错过最佳的施工时间。故本文提出分层验证方法，分步检测防锈-粘结层的高温性能。

3.1 环氧富锌漆的高温性能检测方法

环氧富锌漆是钢桥面上第一道保护层材料，若其高温稳定性不足，则不论铺装材料力学性能如何优越，都会不可避免地导致铺装结构早期破坏[13-16]，故在涂刷环氧富锌漆之前，应对其高温性能进行检验。

3.1.1环氧富锌漆耐高温性能试验

制备尺寸为300 mm×50 mm×16 mm的钢板，表面经过喷砂除锈处理后喷涂环氧富锌漆，漆膜厚度为60～80 μm，随后静置至完全干燥，为了模拟混合料摊铺过程中产生的高温影响，将试验组放入180 ℃烘箱中加热45 min，对照组置于常温中静置45 min，取出烘箱中的试件，冷却至室温后使用Positest AT-M型拉拔仪根据《色漆和清漆拉开法附着力试验》(GBT 5210-2006)[17]中规定的方法进行拉拔强度试验(拉拔仪与试件见图8)，同时考虑到环氧类材料的时温等效特性，本文还将对照组按试件室温静置4 d后的强度进行了检测。

图8 Positest AT-M型拉拔仪与试件

3.1.2试验结果与数据分析

试验组与对照组的抗高温性能试验结果如表4所示。

表4 环氧富锌漆抗高温性能试验结果Table4 Hightemperatureresistancetestresultsofepoxyzincrichpaint试验对象处理情况外观抗拉强度/MPa断裂面情况试验组1180℃加热45min变化不大>16.0对照组1室温静置45min—6.2富锌漆下表面剥离对照组2室温静置4d变化不大>16.0 注:拉拔仪量程为0～20MPa,为保护仪器,在拉力达到量程的80%时人工停止试验。

从表4可以看出，环氧富锌漆加热后强度依然较高，远高于环氧富锌漆与钢板的抗拉强度要求(≥5.0 MPa)，故而追究高温作用对其绝对抗拉强度的影响程度是不必要的。

由于环氧富锌漆的施工时间与保质时间均较长，在验证了抗高温性能后，可以立即在不同工作面上连续施工，为后续工作的开展提供前提与保障。

3.2 “环氧富锌漆-环氧粘层油”防锈粘结体系的高温性能检测方法

由于防锈粘结体系是结合钢桥面与混合料的过渡层，对环氧粘层油重复“钢板-粘层油-拉拔头”的试验方法不足以直接反映防锈粘结体系的粘结能力，同时考虑到九江长江大桥结构改造工程施工组织设计施工进度安排，本文采用“铺装-钢板”复合结构拉拔试验检测粘结体系高温残余粘结能力。

3.2.1复合结构高温残余拉拔强度试验

铺面工程试验段施工前将制备完成的钢板试件埋置于试验段端部，与试验段同步涂刷环氧富锌漆、环氧粘层油，养生及下面层摊铺。试验段下面层施工、养生结束后，取出钢板，清洁表面。使用桥面铺装结构专用拉拔仪分别在室温(25±2)℃与高温(70±2)℃下进行拉拔试验，观察断面形态。同时考虑到九江长江大桥所处区位夏季多雨的气候特性，本文还设计进行了潮湿情况下60 ℃水浴36 h后的复合结构高温拉拔试验。

3.2.2试验结果与数据分析

复合结构拉拔试验结果如表5所示。

从表5可以看出，经过摊铺高温过程后，复合结构仍然具有较高的抗拉强度，且破坏形式主要为混合料内部断裂，说明本项目使用的环氧粘层油有较好的抵抗高温作用的能力，满足热拌环氧沥青混凝土的施工要求。同时，较高的试验温度导致混合料软化，抗拉强度降低40%左右，但由于环氧沥青混合料悬浮密实的结构特性，其水稳定性良好，60 ℃水浴36 h使混合料的抗拉强度仅降低12%左右，力学性能仍然较好。

表5 复合结构拉拔试验结果Table5 Drawingtestresultsofcompositestructure试验环境试验结果技术指标破损面状态室温(25±2)℃3.12≥3.01个试件粘层脱落,2个试件混合料内部断裂高温(70±2)℃1.85≥1.5所有试件均为混合料内部断裂浸水高温(60℃水浴36h、(70±2)℃1.62—所有试件均为混合料内部断裂

4 浸水残留强度

九江长江大桥桥面铺装材料的设计温度范围为-15 ℃～70 ℃，桥区年最大降雨量可达2 500 mm以上，独特的气候环境对防锈粘结体系提出了较高要求。钢桥面铺装结构中，防锈粘结层既要有优良的抗高温性能抵御环氧沥青混凝土施工所产生的较高温度，又要具备持久的抗水损害能力保护钢桥面板不受雨水侵蚀。采用最佳粘结剂用量制作试件，以水损害为模拟条件，研究浸水时长对粘结剂性能的影响。

参照剪切强度、拉拔强度试验结果分析，采用粘结料用量为0.5 L/m2，制备“钢板-防锈粘结层-铺装层”试件，在常温(25 ℃)环境下自然养护48 h，将养护完成的试件分别置于25 ℃的恒温水箱中持续12 h、24 h、36 h，模拟九江地区夏季多雨的环境因素，测试试件在不同浸水时间下的剪切强度、拉拔强度，研究浸水时长对复合结构强度影响，试验结果见表6。

表6 复合体系残留强度试验结果Table6 TestresultsofresidualstrengthofcompositestructureMPa组别残留剪切强度残留剪切强度均值残留拉拔强度残留拉拔强度均值3.165.12不浸水3.133.145.125.103.125.063.044.90浸水12h3.023.024.944.933.004.952.894.86浸水24h2.902.884.854.862.854.872.744.77浸水36h2.782.754.754.782.734.81 注:本试验破坏位置为粘结层。

由表6可知，浸水之后，粘结层的剪切强度与拉拔强度都有所降低，浸水36 h之后，“钢板-防锈粘结层-铺装层”试件剪切强度由3.14 MPa下降到2.75 MPa，残留强度比为87.6%；拉拔强度由5.10 MPa下降到4.78 MPa，残留强度比为93.7%。环氧沥青粘结层在浸水条件下仍然不是拉拔破坏的薄弱面，其粘结强度能够达到“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合结构的要求。

由不同浸水时长区间内强度平均值降幅图9可知，随着浸水时间增加，“钢板-防锈粘结层-铺装层”复合体系的剪切强度下降幅度大于拉拔强度。在不浸水到浸水12 h区间内，剪切强度与拉拔强度平均值降幅最大，分别达到5.1%和3.3%，表明在浸泡初期，水对粘结层性能影响相对较大。

图9 不同浸水时长区间复合体系强度降幅