摘 要

為了確保鋼橋面鋪裝層具有良好的抗水損害能力，通過拉拔試驗和剪切試驗對鋼橋面鋪裝防水黏結層施工控制進行研究，分析鋼板表面粗糙度、MMA防水黏結體系各層厚度、施工溫度、環境濕度等對其黏結強度和抗剪強度的影響。結果表明，鋼橋面粗糙并涂抹環氧富鋅底漆能提高防水黏結層的黏結強度，底漆厚度以60~80μm為宜，MMA的厚度宜選擇2.5~3.5ｍｍ，黏結層厚度以80μm左右為宜，各層的施工宜在25℃~40℃下完成，環境相對濕度不超過60%。

關鍵詞

鋼橋面鋪裝 | 水損害 | MMA防水黏結層 | 施工控制

引言

目前，中國大跨徑橋梁多處于濕度較大、溫度較高的跨江沿海地區[1]，且多采用正交異性鋼橋面加鋪瀝青面層形成的剛－柔復合結構[2-3]瀝青網sinoasphalt.com。調查研究發現[4-5]，多數鋼橋面鋪裝實體工程的使用壽命均難以達到設計年限，究其原因在于：一方面瀝青混凝土鋪裝結構層常處于高應力狀態，容易產生疲勞破壞[6]；另一方面在于施工過程中濕熱多雨的氣候條件使防水黏結層間存在一定量的水分，極易導致鼓包、脫層等病害。同時，在重載交通的使用條件下，車輛行駛所產生的動水壓力將促使浸入鋪裝層內部的水分進一步破壞鋪裝層與鋼橋面的黏結效應，并腐蝕鋼橋表面結構[7]。由此可見，水分對鋼橋面鋪裝體系的影響是不可輕視的，橋面防水黏結層的黏結強度較低或防水黏結層失效是鋼橋面鋪裝層水損害產生的主要原因之一[8]。

工程界對濕熱多雨地區鋼橋面鋪裝材料鼓包病害的產生機理以及瀝青混凝土鋪裝體系的黏結特性尚未清晰把握，適用于濕熱多雨氣候條件的鋼橋面鋪裝質量控制標準的研究仍處于起步階段，如何有效提高防水黏結層的施工質量是亟待解決的問題。本文基于鋼橋面防水黏結層的施工工序，通過對防水黏結層各層材料進行拉拔試驗，研究鋼橋面粗糙度、防水黏結材料各層厚度、施工溫度、環境濕度等關鍵因素對防水黏結體系的影響，為現場的施工及檢測提供一種質量控制技術，從而提高鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力。

試驗材料和方法

原材料

本研究采用MMA防水黏結材料，其基本技術指標如表1所示。MMA防水黏結材料是一種雙組分環氧樹脂，不但能夠有效防止水分和氯離子的滲透和侵蝕，而且具有良好的低溫柔性和黏結效應。為增強鋼橋面的防腐能力，在鋼橋面與防水黏結材料之間鋪設一層環氧富鋅漆，其技術指標如表2所示。

試驗方法

防水黏結層處于鋼橋面和瀝青鋪裝層之間，其黏結效果對鋼橋面鋪裝的結構組合以及整體性具有至關重要的作用。鋼橋面進行橋面鋪裝時，先要對橋面進行拋丸清潔，然后涂抹底漆；待漆膜干燥后進行防水黏結材料的噴涂，施工完成各項指標經檢測合格后涂抹黏結層，至此防水黏結體系施工完成[9-10]。

考慮到實際防水黏結層體系施工時的具體工序，本研究通過拉拔試驗對防水黏結層體系的黏結效應及其影響因素進行逐層研究，并通過剪切試驗對其抗剪切性能進行評價。

(1)拉拔試驗

為確保試驗條件的一致性，拉頭與所有試樣間均通過環氧黏結劑固定，如圖1(a)所示，將制備的試樣固定在圖1(b)所示的上下夾具之間。試驗過程中鋼板固定，拉頭隨萬能試驗機上移，直至試樣破壞，得到破壞時的拉拔力，通過式(1)計算得到拉拔強度P1。

(2)剪切試驗

通過鋪裝整體的剪切試驗，對防水黏結層的抗剪切能力進行驗證，從而研究鋼橋面鋪裝層對脫層、推移等病害的抵抗能力。本研究注重研究防水黏結體系，因此瀝青混合料上涂布一層SMA-13改性瀝青，成型試件如圖2(a)所示，將其置于圖2(b)所示的裝置上，通過式(2)計算試件的抗剪強度PS。

施工質量檢測的拉拔速率

底漆、MMA以及黏結層材料對拉拔試驗的拉拔速率響應不同，因此基于施工工序對各層材料適宜的拉拔速率進行確定。按照鋼橋面處理(粗糙度Ⅲ級)、涂抹底漆(單層厚約60μm)、噴涂MMA(厚度為2.5ｍｍ)以及噴灑黏結層(單層厚約80μm)的施工工序，試驗時拉頭分別黏結于底漆表面、MMA表面以及黏結層表面，在試驗溫度25℃、相對空氣濕度為60%的環境下，進行10、20、30ｍｍ·min ^-1等不同速率下的拉拔試驗，結果如圖3所示。試樣破壞時其破壞界面占整個試樣面積的比例為破壞界面占比。

通過圖3可以看出，隨著拉拔試驗速率的增大，底漆層的拉拔強度逐漸增大，其破壞界面占比也逐漸增大，在30ｍｍ·min^-1的拉拔速率下，破壞界面占比可達80%，能夠有效反映鋼面板與底漆之間的黏結強度。隨著拉拔速率的增大，測得MMA和黏結層的拉拔強度逐漸降低，同時其破壞界面占比也逐漸減小，在10ｍｍ·min^-1的拉拔速率下，兩者的破壞界面占比均在80%左右。因此，在對鋼橋面涂抹環氧富鋅底漆后，其施工質量檢驗時的拉拔速率可取30 mm.min^-1，在MMA防水層和黏結層施工完畢后，采用10ｍｍ.min^-1的拉拔速度進行強度檢測。

MMA防水黏結效果的影響因素

鋼橋面粗糙度

通過角磨機將鋼板打磨粗糙，從而模擬施工時對鋼橋表面的處理，采用TestexPress-O-FilmHT測試紙測定鋼板打磨后的粗糙度。在不同粗糙度的鋼板表面涂抹60μm的底漆并在黏結拉頭后進行拉拔試驗，結果如表3所示。

通過表3可以看出，對于未打磨的鋼板而言，其拉拔強度處于較低水平。鋼板粗糙的表面有利于底漆的黏結，粗糙度等級越高，拉拔強度越大。但鑒于粗糙度達到Ⅲ級以后，拉拔強度增大幅度較小，考慮到現場施工時對鋼板表面粗糙度處理工程量以及經濟性，鋼橋面的粗糙度處理達到Ⅲ級即可。

底漆厚度

底漆在鋼橋面鋪裝體系中主要起防止鋼板生銹的作用，底漆的厚度也是防水黏結體系施工控制的一個重要環節。在鋼板打磨至粗糙度Ⅲ級的基礎上，涂抹不同厚度(40、60、80、100、120μm)的底漆，進行拉拔試驗，結果如表4所示。

通過表4可以看出：隨著底漆厚度的增加，拉拔強度先增加后減小，當底漆厚度在60μm時，拉拔強度達到最大；底漆厚度小于60μm時，拉拔破壞界面均發生在鋼板和底漆之間；當底漆厚度增加到超過80μm之后，破壞界面基本發生在拉頭和底漆之間，且抗拉強度降低。根據相關規范要求，鋼橋面如果噴灑底漆，其拉拔強度要達到5MPa以上，因此底漆厚度宜為60~80μm。

MMA厚度

為合理控制MMA用量，在表面粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60μm厚的底漆，待漆膜干燥后，通過制作厚度為0.5、1.5、2.5、3.5ｍｍ的模框進而澆筑不同厚度MMA，用玻璃棒沿模框刮平后黏結拉頭養護12h，然后進行拉拔試驗，結果如表5所示。

通過表5可以看出：防水層厚度較小時，未形成良好的黏結結構層，因此抗拉強度相對較低；隨著防水層厚度的增加，拉拔強度增大，當防水層厚度達到2.5ｍｍ左右時，拉拔強度達到較大水平；防水層厚度持續增大，拉拔強度有所下降。因此，施工時防水層厚度宜選擇2.5~3.5ｍｍ。

黏結層厚度

黏結層作為防水體系及與瀝青面層的聯結層，其施工質量的重要性不言而喻。為此，對40、80、120、160μm四種黏結層厚度下的拉拔強度進行試驗，研究黏結層厚度對MMA體系黏結效應的影響。在表面粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60μm厚的底漆，待漆膜干燥后，澆筑2.5ｍｍ的MMA材料，成型后在其上噴灑不同厚度的黏結層改性乳化瀝青，然后測得其拉拔強度，結果如表6所示。

通過表6可以看出，隨著黏結層厚度的增加，拉拔強度先增加后減小，黏結層厚度達到80μm時其拉拔強度最大，隨后持續增厚黏結層并沒有使黏結強度增加，而過厚的黏結層會導致發生在黏結層與拉頭界面的破壞面面積增大，因此適宜的黏結層厚度為80μm。

施工溫度

施工溫度影響防水黏結體系各結構層的黏結強度，進而影響鋼橋面鋪裝層的抗水損害能力[11]，因此有必要確定出防水黏結層的最佳施工溫度。按施工工序對各層材料的施工溫度進行研究，分別在不同溫度條件下成型試件，然后置于環境箱中保溫24h，控制相應加載速率進行拉拔試驗，結果如圖4所示。

通過圖4可以看出，隨著試驗溫度的升高，3種黏結材料的拉拔強度逐漸降低，在常溫(25℃)下其拉拔強度均較大。溫度一方面會影響材料強度的形成；另一方面，隨著溫度升高材料逐漸軟化，導致其黏結力減小。3種材料的拉拔強度與溫度均成對數遞減關系，相關系數均可達0.99以上。因此，為確保鋼橋面鋪裝層具有較好的抵抗水損害能力，防水黏結體系的施工溫度均控制在25℃左右。

環境濕度

水分的存在導致防水黏結材料的黏結效應降低，甚至使層間黏結失效，因此需要研究環境濕度對防水黏結材料黏結強度的影響。在溫度為25℃且相對空氣濕度分別為40%、60%、80%、100%的條件下成型經不同工序后的試件，養護24h后測試拉拔強度，結果如圖5所示。

由圖5可以看出：相對空氣濕度增大，防水黏結體系的拉拔強度逐漸下降；空氣相對濕度超過60%以后，拉拔強度下降幅度相對變大，尤其是底漆層在施工時受到環境濕度的影響最為顯著。因此，在施工時要注意控制施工現場的空氣濕度，如果濕度較大，則要通過養生技術手段嚴格進行控制，確保施工環境的相對濕度不超過60%。

防水黏結層的抗剪切性能

行駛在橋面上的車輛在發生緊急制動或加速的過程中，鋪裝層會受到較大的剪切力，防水黏結層的抗剪切性能衰減或失效是鋼橋面鋪裝發生脫層或推移的原因[12]。通過剪切試驗評價防水黏結體系的抗剪切性能，結合各層材料的黏結強度，研究影響體系抗剪切性能的因素。

施工溫度

在粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60μm厚的底漆，澆筑2.5ｍｍ厚的MMA后噴灑80μm厚的黏結層，然后在此基礎上澆筑30ｍｍ厚的SMA-10瀝青混合料。將此試件置于相對濕度為60%的環境箱內，在不同溫度條件下分別養護24h后測試其抗剪強度，結果如表7所示。

通過表7可以看出，隨著溫度升高，試件的抗剪強度逐漸降低。這是由于：溫度過高，防水黏結材料隨著時間的延長逐漸軟化，抗剪能力下降。考慮到施工時雖然不能直接對防水黏結層的抗剪強度進行檢測，但可在每層施工結束后進行拉拔試驗檢測，兩者之間的關系如圖6所示。通過圖6可以看出，不同溫度條件下，防水黏結體系的抗剪強度和拉拔強度之間具有一定的相關性，底漆的施工質量對防水黏結體系抗剪強度的影響最大，其次是MMA材料。因此，要確保防水黏結體系具有較大的抗剪強度，其底漆和MMA材料的施工質量必須嚴格控制。現場底漆、MMA材料施工后的拉拔檢測結果證明，滿足拉拔強度指標的施工可保證鋼橋面鋪裝具有良好的抗剪性能。

環境濕度

在粗糙度為Ⅲ級的鋼板上涂抹60μm厚的底漆，澆筑2.5ｍｍ厚的MMA后噴灑80μm厚的黏結層，然后在此基礎上澆筑30ｍｍ厚的SMA-10瀝青混合料。將此試件在25℃常溫環境下置于不同相對濕度的環境箱內，養護24h后檢測其抗剪強度，結果如表8所示。

通過表8可以看出，環境濕度增加導致鋪裝層與防水黏結層之間的抗剪強度下降，而且當相對空氣濕度超過60%后，降低幅度明顯增大，隨后降低幅度相對變小。相較于溫度對其抗剪強度的影響，濕度增大引起抗剪強度下降的幅度相對較小。分析認為，濕度增大導致水分進入黏結層與瀝青層之間影響兩者的黏結，是抗剪強度下降的主要原因，這不同于溫度導致黏結材料自身抗剪能力和黏結能力的下降，濕度較大更多地是弱化了黏結層的黏結能力。因此，為確保足夠的抗剪強度，在防水黏結層上鋪裝瀝青面層時，需要控制環境相對濕度不超過60%。抗剪強度和各層材料拉拔強度之間的關系如圖7所示。

通過圖7可以看出，防水黏結體系的抗剪強度和MMA防水層的拉拔強度之間的相關性最大，在MMA防水層施工完成后進行拉拔強度檢測，可評價其防水黏結體系的抗剪強度受環境濕度的影響。

剪切速率

行車荷載在橋面鋪裝層產生的沖擊可以通過剪切速率進行模擬，因此在標準條件下制作試件分別進行加載速率為5、10、15、20ｍｍ.min^-1的剪切試驗，結果如表9所示。

通過表9可以發現，隨著剪切速率的增大，防水黏結層的抗剪強度逐漸增大。這說明防水黏結層與瀝青面層底部的黏滯效應與剪切速率正相關，剪切速率越大，黏滯效應越強，克服這種黏滯效應所需的剪切力越大，抗剪強度也越大。對于MMA防水黏結體系來說，其抵抗高剪切速率破壞的能力要強于抵抗低剪切速率下的破壞，這說明在鋼橋面鋪裝路面中，低速率行駛的車輛將會對鋼橋面鋪裝層產生較大的剪切破環。

結語

鋼橋面鋪裝防水黏結層的施工需從鋼橋面處理到黏結層鋪設層層進行控制，施工時對鋼橋表面打磨處理并涂抹環氧富鋅底漆有利于提高防水黏結層的黏結強度，底漆涂抹不宜過厚，控制在60~80μm即可，然后依次鋪設2.5~3.5ｍｍ的MMA防水層和80μm黏結層。施工時確保施工溫度控制在25℃~40℃，環境的相對濕度不超過60%，在這種條件下施工，防水黏結層不但具有較高的黏結強度，而且具有良好的抗剪切能力。底漆層和MMA層施工完成后應在現場對其拉拔強度進行檢測，以預估防水黏結體系的抗剪切強度。