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1、 钢桥面铺装防水粘结材料性能评价方法与力学作用分析 李灏（中冶南方工程技术有限公司，武汉 430223）摘要：总结了防水粘结材料在钢桥面铺装中的作用，阐述了钢桥面铺装防水粘结材料常用的试验方法，介绍了钢桥面铺装防水材料的力学作用，为钢桥面铺装结构和材料的设计与施工提供了技术指导。关键词：防水粘结材料；桥面铺装；钢桥面；性能评价Methods for Performance evaluation and Mechanical Function Analysisof Adhesive Membranes in Surfacing Overlay on Steel Bridge DecksLI Ha
2、o（WISDRI Engineering & Reasearch Incorporation Limited, Wuhan 430223, China)Abstract:This paper summaries the functions of adhesive membranes in surfacing overlays on steel bridge deck. The commonly used test methods were introduced for performance evaluation. The mechanical contribution of adhesive
3、 membrane to promote the composite actions was also studied. The paper provides a guideline for the structural design and construction for surfacing overlay.Key words:adhesive membranes;surfacing overlay;steel bridge deck;performance evaluation收稿日期：2012?02?17.作者简介：李灏（1972?），高级工程师.E?mail:防水体系设置于钢板与铺装
4、层之间，具有承上启下的作用，其设置是确保钢桥面铺装结构耐久性的重大措施之一。防水体系的破坏必然会导致桥面铺装结构层的整体性破坏。钢桥面铺装层病害调查显示表面纵向疲劳开裂和层间脱层是主要病害，其中钢桥面与铺装层的粘结力不足是导致层间脱层破坏的主要原因之一。一旦出现脱层，铺装层将很快发生开裂破坏，伴随着钢板防锈层的破坏，空气和水分的侵入会使钢桥面板表面发生锈蚀1。因此，防水粘结层的设计与施工是钢桥面铺装中非常重要的环节。防水粘结层在桥面铺装中具有以下作用：1)防止从沥青铺装层渗入的水或其它溶液引起面板锈蚀，腐蚀钢桥面顶板，从而提高桥梁结构耐久性。2)能有效吸收在温度变化和行车荷载的作用下桥面板和沥
5、青铺装层间产生的相对位移，减小铺装层间的应力。3)保证桥面板和沥青铺装层的有效粘结性能，既要与桥面板有优良的结合力，又要与铺装的防水层（或缓冲层）相粘结，增加铺装整体结构的稳定性。所以，防水粘结层材料应具有不透水性、延伸性、低温柔韧性、高温耐热性、抗冻性、耐酸耐碱性、抗剪性、与钢板和沥青铺装层间良好的协调性、可以用做应变吸收层和施工可操作性等相关要求2。如何提高钢桥面与铺装层有效的防水粘结，从而延长铺装层的使用寿命是一个关键性难题。为此，世界各国针对防水层粘结力差导致的铺装病害问题开展了众多研究，力图采取多种措施增强防水层与钢桥面的粘结力，并建立相应的试验评价方法。1钢桥面铺装层防水粘结材料钢
6、桥面铺装防水材料的选择和实施是决定铺装成败及影响其耐久性的关键因素。防水粘结层材料与钢板直接接触，在各种荷载作用下产生弹性变形，要求粘结材料有非常好的柔韧性与抗疲劳特性，由于钢板导热性能好，要求粘结材料具有高温强度高和低温柔韧性好。目前，国内已建钢桥面桥面铺装层产生破坏的形式多种多样，如何选择一种高低温性能优异、耐腐蚀性好的防水材料，是钢桥面铺装建设需要迫切解决的难题3。防水粘结材料种类很多，从材质来看，主要有以下几类：1)薄膜类，如乳化沥青、再生橡胶沥青等；2)涂膜类，如橡胶沥青、氯丁胶乳沥青、环氧树脂等；3)卷材类，如聚合物沥青防水卷材、沥青热溶卷材、砂胶马蹄脂等，其厚度要较前两类厚4。目
7、前应用于钢桥面铺装的防水粘结材料比较多，主要有针对双层环氧沥青混凝土铺装的环氧沥青粘结剂（EA），针对浇注式沥青混凝土及双层SMA铺装体系的溶剂型改性沥青粘结剂（GS）、Eliminator防水膜、双层环氧树脂胶（Double Epoxy Resin，简写为“DER”），橡胶沥青防水材料也有应用，但各种防水材料的使用效果参差不齐。环氧沥青粘结剂与钢板粘结力强，但造价高，施工要求高，一般用于双层环氧沥青混凝土铺装结构。溶剂型改性沥青粘结剂施工操作简单，造价低，但防水性能和高温粘结性能一般。双层环氧树脂胶防腐能力优，抗刺破能力强，但柔韧性较差，在德国浇注式铺装体系中应用较多。Eliminator防
8、水膜是英国进口材料，其主要针对钢桥面防水而专门研发的产品，在我国一些大跨度钢桥面上已有较多应用。2防水粘结材料实验评价方法钢桥面与铺装层的粘结力不足是导致层间脱层破坏的主要原因之一。如何提高钢桥面与铺装层的有效防水粘结是一个关键技术难题。针对防水层粘结力差导致的铺装病害问题已开展了诸多研究3?7，并建立相应的试验评价方法。其中，英国TRRL的研究7是迄今为止规模最大、手段最现代化的。根据防水粘结层对应各阶段的特性提出了18种试验方法，采用7个档次或级别来定量或半定量地研究防水粘结层的性能。2.1防水粘结层粘结性能研究钢桥面铺装层在使用期限内提供良好服务的关键之一是确保沥青混凝土铺装层与钢桥面板
9、的粘结，以及共同承受车辆荷载的垂直力和水平力的综合作用。对选定的防水粘结材料须进行粘结性能研究，国内最常用的试验方法是拉拔试验和剪切试验。其中，拉拔试验由于操作简单，所需仪器体积小，通常用于现场质量监控检测，现场实测的防水粘结材料与钢板间粘结强度是一个重要的力学强度指标。图1（a）为环氧沥青铺装拉拔结构示意图。由于拉拔试验没有外部保温设施，试验温度一般取决于外部温度，同时多数防水材料粘结性能呈温度依赖性，因此拉拔试验时应注明温度。由于目前防水材料粘结强度指定的参考温度多为常温25 和高温60 （也有的地方放宽到75 ）。为了修正现场实测温度影响，建议在室内开展不同温度下的拉拔试验，以建立粘结强
10、度与温度的变化曲线，现场不同温度实测结果应在该曲线上方。在拉拔试验中，其断面可发生在不同的区域，因此有必要注明破坏模式，如界面破坏、防水材料粘聚破坏、拉头界面粘结破坏等。粘结强度可用最大的拉力除以粘结面积确定8。防水层实际受到压力和剪切力的共同作用，为了较好的反映其上述受力状态，有必要开展粘结材料受剪性能检测，其常用剪切试验装置如图1（b）所示。试验时对试件加垂直荷载P时，试件受剪切面上的剪切强度=Psin /S，其中P为测试所能施加的最大破坏荷载，S为试件受剪切力作用的截面积，为剪切面与水平面的夹角（目前所用的试验夹角为40）。由于试验装置较复杂，一般只用于室内材料检测，不用于现场施工质量检
11、测。目前一般采用90的剥离粘结试验来测量粘结层的剥离强度，如图2所示。试验前先按材料施工工艺将防水材料粘结在钢板或水泥混凝土板上。固化成型后，以垂直的角度剥离试样，剥离强度p等于剥离载荷除以试样的宽度。而平均剥离强度为其中，L为剥离位移，J|p|为剥离强度p对剥离位移L的积分。长安大学采用剥离粘结试验研究了防水卷材的熔化温度对其剥离强度的影响，结果表明随着熔化温度从150 增加到550 ，剥离强度先增加然后减小，在施工温度约为300 时出现峰值。所测得和APP改性防水卷材剥离强度约为1.02.0 MPa。国外也有很多评价防水材料的试验方法，该文主要介绍代尔夫特理工大学的4点剪切试验和Stirl
12、ing Lloyd试验方法。代尔夫特理工大学的4点剪切试验是通过控制粘结层的剪切应力和正应力来达到测试的目的，其结构示意图如图3（a）所示。该实验装置中有两个可独立加载剪切力和正应力的装置，以便于调节不同的剪切力与正应力比值。此外，剪切力加载装置可施加静态力和动态力，以实现强度、疲劳和力学响应测试。考虑到温度的影响，试验配备特制的保温箱，以便在恒定温度下进行试验。图3给出了试样受剪切变形后详细视图和对应的有限元模拟图。通过有限元模拟，分析粘结层的受力状态，了解其力学响应、强度和疲劳性能，为钢桥面有限元模拟提供了非常可靠的材料力学参数。Stirling Lloyd专注于开发、制造和应用高性能防水
13、结构的保护膜系统。他们开发的Eliminator体系桥面铺装防水系统被广泛应用于世界各地。现场粘结层质量控制检测演示如图4所示。Stirling Lloyd的室内拉拔试验和剪切强度试验如图5所示。水泥混凝土基层Eliminator防水材料的相关试验数据也同样适用于钢桥面铺装防水材料。Eliminator防水膜的应用已超过十万座桥梁，在不同气候条件、不同交通荷载特点下，这些桥梁具有各种各样的设计、类型和尺寸。通过对大量文献资料调查，将不同防水材料的拉伸粘结强度汇总于表1。由表中可知，目前试验温度一般都考虑了常温（25 左右）和高温（60 或70 ）粘结强度。试验数据显示在沥青类、环氧沥青和环氧树
14、脂3种防水材料中，环氧树脂的粘结性能最好，其次为环氧沥青，沥青类防水材料粘结性能最差，特别是在高温时，粘结强度很小。2.2防水粘结层其它性能研究按照实际需要，防水粘结材料还需进行渗水、防腐、低温等性能的研究。可以通过室内试验模拟防水粘结材料所处的工作环境，全面检测其不透水性能。通过盐雾试验检验防水粘结层的防腐能力，即防水粘结层材料的隔水(汽)能力、与钢板的结合性能以及耐盐、碱(水)腐蚀能力等12。通过低温弯曲试验观察防水粘结层在弯曲后表面的状况(裂纹等)，评价防水粘结材料的抗低温弯曲变形能力13。3防水材料力学作用粘结层将铺装层与桥面板粘结成一个整体，充分发挥铺装层与桥面板的复合作用，改善桥面
15、板与铺装层的受力情况，两者相辅相成。钢桥面铺装中，防水粘结层的力学性能在整个铺装结构中起着很重要的作用。国内外很多研究人员分析了防水材料的力学参数对于整个铺装结构的力学性能的影响。表2为代尔夫特理工大学钢桥面铺装层数值模拟部分结果14。模拟的铺装结构依次为：多孔沥青混凝土（PA）+粘结层（上）+ MA沥青混凝土+粘结层（下）+钢桥面+钢箱梁。多孔沥青混凝土和MA沥青混凝土的弹性模量为定值，通过改变上下粘结层的剪切刚度来检验防水粘结层力学性能的改变对整个铺装结构的影响。从表2中可以看出，增加防水粘结层的刚度可以大大减小多孔沥青混凝土面层的应力应变，同时增加上下粘结层的剪切刚度，多孔沥青混凝土的水平应力和应变降到了19%。简而言之，随着防水材料刚度的增加，可以大大提高铺装结构粘结复合性能。虽然防水粘结层的几何厚度很薄，但它对整个铺装结构的受力影响却很大，需重视粘结层材料的力学作用。从上下粘结层的剪切应力变化我们可以得出，防水粘结层的剪切应力随着防水材料刚度的增加而增加，这表明粘结层刚度的增加会导致高的层间应力，这对粘结层的抗疲劳性能是不利的。数值模拟结果表明采用较高剪切刚度的防水材料能够在较大程度上提高铺装结构粘结后的复合性能。此外，抗剪切能力高的防水材料能够避免车辙的发生。但须指出的是，增加防水材料的刚度对其
