水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究_冯云龙.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家重点研发计划课题项目（）作者简介 冯云龙（），男，吉林人，高级工程师，主要从事高速公路建养方面研究相关工作。引文格式 冯云龙，陈 香，张 阳 水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究 公路工程，（）：，（）：水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究冯云龙，陈 香，张 阳（.中国路桥工程有限责任公司，北京；.东南大学，江苏 南京）摘 要 桥梁对不利地形有着独特的跨越作用，极大地方便了交通运输，在公路网中广泛使用，它对交通起着至关重要的作用。防水黏结层是桥面铺装中的重要功能层，但其质量极易受到所用防水黏结材料性能的影响。针对目前桥面防水黏结层材料存在的耐高温性能差和施工黏轮，以及低温柔韧性差等问题。采用环氧改性水性聚氨酯、环氧改性丙烯酸乳液制备高性能防水黏结材料，以水性环氧沥青和 改性沥青为对比，研究不同环氧改性水性聚氨酯、环氧改性丙烯酸乳液掺量对防水黏结层耐热性和柔韧性、力学性能和高温黏轮性能的影响，开发一种综合性能优异的高性能水泥桥面防水黏结材料。研究表明：环氧改性水性聚氨酯可用于制备综合性能优异的水泥桥面防水黏结材料；环氧改性水性聚氨酯和环氧改性丙烯酸乳液均可用于制备高性能防水黏结材料，当环氧改性水性聚氨酯掺量为 和环氧改性丙烯酸掺量为 时，其耐热性与水性环氧沥青相当，明显优于 改性沥青；当环氧改性水性聚氨酯掺量为 时，附着力拉拔强度、复合件拉拔强度和复合件剪切强度等各项性能指标均满足江苏省地方标准的要求，且保证在桥面温度 情况下，不会被施工车辆带走而造成防水黏结层产生破坏。关键词 道路工程；桥面铺装；防水黏结层；水性聚氨酯；黏结强度中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，；.，），第 期冯云龙，等：水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究 ，；引言桥梁对不利地形有着独特的跨越作用，极大地方便了交通运输，在公路网中广泛使用，它对交通的贡献起着至关重要的作用。水泥混凝土桥是桥梁的重要组成部分，它的质量好坏直接关系到整个道路的正常使用。但是随着我国经济的快速增长，重载、超载 等导致水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层在通车不久后就出现推移、拥包和层间滑移等病害，防水黏结层的剪切破坏也是桥面铺装破坏的主要形式，这严重影响了水泥混凝土桥的正常运营与使用寿命。目前国内外越来越多的科研工作者将问题聚焦于防水黏结层，并开发出不同类型防水黏结材料。在性能研究方面，等 研究发现防水材料对温度敏感性很高，随着温度的升高黏结强度降低明显；等发现防水膜受到自下而上的压力和失去附着力容易导致水泥桥面出现严重的腐蚀问题；等认为测试温度是影响桥面铺装结构层间剪切强度的最重要的因素；于晓贺等设计了基于 （）试验系统的直剪试验夹具用于抗剪切性能的评价，研究表明温度对于桥面防水黏结层材料的抗剪强度影响很大，材料的抗剪性能会随着温度升高而急剧降低。钱振东等对混凝土基面抛丸处理方案进行了对比，通过对比两种抛丸实施方案，观察抛丸后界面效果与其构造深度，确定适宜的抛丸遍数。研究发现抛丸后的界面粗糙度和构造深度对防水黏结层的黏结强度影响较为明显。纪伦等通过设计直向剪切试验和斜向剪切试验研究桥面防水黏结层的力学性能，分析不同因素对于防水黏结层剪切性能的影响，研究表明随着加载速率的提高，黏结层最大剪切应力有呈线性增大的趋势；采用不同温度的对比试验，同样发现随温度的升高，其抗剪切能力显著衰减。王笃喜选取 种典型的桥面防水黏结层和一种新开发的防水黏结层进行室内附着力、剪切、拉拔、不透水性和疲劳试验，考查所选典型桥面铺装结构防水黏结层的附着力、抗剪、抗拉拔和抗渗性能，结果表明所选用的试验方法能客观反映各种防水黏结材料的实际性能。在防水黏结层材料研究方面，王涓等对比了 桥面二涂防水黏结材料、高剂量 改性沥青和环氧沥青 种柔性防水黏结材料，并验证该材料的路用性能与可行性，研制出一种新型环氧改性沥青防水黏结材料；王朝锋等研制出了一种高性能聚合物桥面防水材料，并与 卷材、自黏卷材、系统 种防水材料进行了对比，并通过大量试验说明了高聚物桥面防水材料在抗剪强度、抗拉拔强度、抗施工损伤新能和透水性上的优越性；张争齐等采用剪切、拉拔等试验研究分析了环氧沥青对钢板基面和水泥板基面的黏结强度与其强度随温度和养生时间的关系，采用复合板模拟试验，分析比较了几种防水黏结层与不同基面板和沥青铺装层的剪切强度和拉拔强度，并对桥面铺装环氧沥青的性能做了全面试验研究，开发出高性能水泥桥面防水黏结材料；周少林等确定了 改性沥青同步碎石、改性乳化沥青同步碎石、型防水涂膜 种防水黏结层材料的最佳用量范围，并通过力学性能研究发现：改性沥青同步碎石的抗剪性能和抗拉性能好于 型防水涂膜和 改性乳化沥青同步碎石。王伟针对防水黏结层材料进行研究，选取了 改性乳化沥青、改性乳化沥青、改性乳化沥青、普通乳化沥青进行综合性能指标进行比较。研究发现，改性乳化沥青的蒸发残留物三大指标均优于其它 种乳化沥青，说明其有良好的高低温性能；改性乳化沥青由于黏度较大，其乳液稳定性略低，但 仍 然 满 足 规 范 的 要 求。郭 健 彬 和 郭佩 选用 改性沥青、环氧沥青和二阶反应防水涂料 这 种进行分析，探究 公路工程 卷种黏结材料在功能上的区别，研究发现在路用性能角度环氧沥青材质的抗剪强度、不渗水属性和拉伸强度是最优的，而在经济层面优选，改性沥青的性价比是最高的。李爱芳对新型水性环氧沥青防水黏结层技术的路用性能指标、质量关键影响因素进行了研究，并与常用乳化沥青、改性沥青、橡胶沥青、环氧树脂进行了对比，证实了新型水性环氧防水黏结层的可行性，虽然新型水性环氧沥青高温抗剪强度较小，但其拉拔强度和常温抗剪强度较为突出，可用于桥面铺装工程应用中。国内外虽然对水泥桥面防水黏结层做了大量研究，并开发出系列水泥桥面防水黏结材料，但是在这些防水黏结材料施工中经常会出现防水黏结层容易被施工车辆带走、防水黏结层洒布工艺较为苛刻，以及层间黏结强度不足等问题。近年来，水性环氧沥青防水黏结层具有优异的抗施工损伤和层间黏结强度，在桥面防水黏结层中大量应用，但水性环氧沥青的低温柔韧性较差，低温脆裂，严重影响桥面铺装的使用耐久性。因此亟须开发一种低温柔韧、高温抗施工损伤的综合性能优异的防水黏结材料来提升水泥桥面铺装的耐久性。本研究的目的是探究不同环氧改性水性聚氨酯、环氧改性丙烯酸乳液掺量对防水黏结层耐热性和柔韧性、力学性能和高温黏轮性能的影响，进而开发一种综合性能优异的高性能水泥桥面防水黏结材料。通过耐热性试验（）、柔韧性试验（）、黏结强度试验和复合件剪切强度试验，探究了不同掺量的环氧改性水性聚氨酯、环氧改性丙烯酸乳液对防水黏结层性能的影响。试验.仪器和试剂鼓风干燥烘箱、实验室用 胶体磨、附着力拉拔仪、拉力试验机、复合件拉拔仪、基质沥青、助剂、水性环氧沥青、改性沥青、环氧改性水性聚氨酯、环氧改性丙烯酸水性乳液、阴离子乳化剂 型、阴离子乳化沥青稳定剂 。.制备方法.阴离子乳化沥青制备取 的 基 质 沥 青 加 热 到 备用；取 阴离子乳化剂 、.阴离子乳化沥青稳定剂 和 水加入到 的塑料烧杯中混合均匀，加入 溶液调节 至 ，再加水至总质量为 配成皂液，然后将皂液加热到 后，倒入胶体磨中，开启胶体磨，将加热好的 基质沥青缓缓加入到胶体磨中制备阴离子乳化沥青。.高性能水泥桥面防水黏结材料制备将阴离子乳化沥青与环氧改性水性树脂材料和占总质量.助剂按照特定比例加入到烧杯中，搅拌均匀后制备成防水黏结材料。.技术指标 碎石的防水黏结层方案为 改性沥青加上玄武岩碎石，碎石粒径为 ，水性环氧沥青为江苏某厂家生产，其性能指标如表 和表。表 改性沥青性能指标 类别针入度（，）（）针入度指数软化点延度（）延度（）运动黏度（）（）动力黏度（）（）黏韧性（）技术要求 实测指标 类别韧性（）闪点溶解度 离析弹性恢复（）（）质量变化 延度（）等级技术要求 实测指标 表 水性环氧沥青性能指标 类别外观蒸发残留物含量 黏度（）比重耐热性能（）不透水性（的水溶液）技术要求 褐色或黑色均匀液体，无明显颗粒 实测不流动，不滑动 ，不渗水实测指标褐色均匀液体，无明显颗粒不流动，不滑动不渗水第 期冯云龙，等：水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究 评价方法.耐热性能（）将环氧树脂或者自制不同比例防水黏结层涂料按照.涂布到直径为 铁盘中，下烘 至乳化沥青完全破乳，然后将铁盘垂直吊到 烘箱中放置，在恒温（）下放置 ，观察铁盘中材料的分布状态。热喷改性沥青加碎石方案，因碎石密度较大，容易掉粒，因此本试验只验证 改性沥青耐热性能，将.改性沥青涂布到直径为 铁盘中，然后将铁盘垂直吊到 烘箱中，恒温（）下放置，观察铁盘中材料的分布状态。.低温柔韧性不同防水黏结材料低温柔 韧 性 按 照 中.的方法进行测试。.黏结强度采用附着力拉拔试验和复合件拉拔试验来评价水泥桥面铺装防水黏结层的黏结强度。分别从附着力拉拔仪上读取附着力拉拔强度，从复合件拉拔仪上读取最大拉力，然后根据式（）计算其复合件拉拔强度。（）式中：为拉拔强度，；为最大拉力，；为拉拔头的面积，。不同防水黏结材料附着力拉拔强度和复合件拉拔强度测试方法按照江苏省地方标准 水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范（）中的附着力拉拔强度和复合件拉拔强度方法进行测试。.复合件剪切强度斜剪试验更好地模拟了防水黏结层工作时受剪切的情形。采用 斜剪试验对防水黏结层抗剪强度进行评价，按照式（）计算剪切强度。（）式中：为剪切强度，；为最大压力，；为钉子面积，。不同防水黏结材料复合件剪切强度测试方法按照江苏省地方标准 水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范（）中的复合件剪切强度方法进行测试。试验和结果分析.耐热性能（）耐热性能是评价防水黏结层材料在摊铺高温沥青混合料时，防水黏结层的耐温性能，防止因高温作用防水黏结层发生流淌对水泥桥面防水效果产生致命影响。水性树脂材料掺量和种类对防水黏结层材料耐热性能影响见表 和表，耐温试验如图 所示。表 环氧改性丙烯酸乳液对防水黏结材料耐温性能的影响 环氧改性丙烯酸乳液 乳化沥青助剂耐热性能.流淌.流淌.不流淌，不滑动.不流淌，不滑动.不流淌，不滑动.不流淌，不滑动 注：水性环氧沥青耐垫性能为不流淌、不滑动，热喷改性沥青耐热性能为流淌。表 环氧改性水性聚氨酯对防水黏结材料耐温性能的影响 环氧改性水性聚氨酯 乳化沥青 助剂耐热性能.流淌.流淌.流淌.不流淌，不滑动.不流淌，不滑动.不流淌，不滑动图 水泥桥面防水黏结层的耐温试验 由于水泥混凝土桥面具有一定的坡度，因此耐温性能对水泥桥面防水黏结层非常重要。由表 可以看出：热喷改性沥青作为桥面防水黏结层时，高温混合料摊铺后，防水黏结层容易在热混合料作用下发生流淌而影响防水黏结层的防水效果。水性环 公路工程 卷氧沥青耐温性能较为优异，下不发生流淌，这是因为水性环氧树脂在沥青中形成网络结构，阻碍沥青的高温流动性；由表 还可以看出：随着环氧改性丙烯酸乳液掺量增加，防水黏结层材料抗高温流淌性能逐渐提升，当掺量达到 时，防水黏结层材料在 不发生流淌，这是由于掺量为 环氧改性丙烯酸乳液可在沥青中形成致密的网状结构，阻碍了沥青流动性。由表 可以看出：随着环氧改性水性聚氨酯掺量增大，防水黏结层材料高温性能增大，当掺量达到 时，防水黏结层材料在 下不发生流淌，这是由于环氧改性水性聚氨酯可与沥青形成互穿网络结构，束缚了沥青流动性，增加材料的耐高温性能。.柔韧性（）由耐高温性能研究发现，当环氧改性丙烯酸乳液掺量达到 、环氧改性水性聚氨酯掺量达到 时，制备防水黏结层材料耐高温性能优异。下面将研究不同防水黏结层对低温（）柔韧性的影响，具体结果见表 和表。表 环氧改性丙烯酸乳液对防水黏结材料低温柔韧性的影响 环氧改性丙烯酸乳液 乳化沥青助剂低温柔韧性卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂卷曲 碎裂 注：水性环氧沥青和 热喷改性沥青低温柔韧性均为卷曲、碎裂。由表 可以看出：无论是市售水性环氧沥青、改性沥青还是环氧改性丙烯酸乳液制备的防水黏结层材料的低温柔韧性均难满足江苏省地方标准 水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范（）中低温柔韧性的要求。由于环氧改性水性聚氨酯的玻璃化转变温度为.，因此采用环氧改性水性聚氨酯复合乳化沥青将具有较好的低温柔韧性，具体结果见表。表 环氧改性水性聚氨酯对防水黏结材料耐温性能的影响 环氧改性水性聚氨酯 乳化沥青 助剂耐热性能卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 碎裂.卷曲 开裂.卷曲无裂纹.卷曲无裂纹.卷曲无裂纹卷曲无裂纹 由表 可以看出：随着环氧改性水性聚氨酯掺量增大，防水黏结层的低温柔韧性逐渐提升，当掺量提升到 时，卷曲没有发生开裂，低温柔韧性较好，这是由于环氧改性水性聚氨酯低温柔韧性较好，玻璃化转变温度 较低，复合改性后在体系中形成空间网状结构，增大了体系的低温柔韧性。因此高性能防水黏结层材料开发时，选取环氧改性水性聚氨酯作为树脂组分。.高性能防水黏结材料力学性能研究.防水黏结层材料的附着力拉拔强度研究前面研究优选出高性能环氧改性水性聚氨酯作为防水黏结材料的树脂组分，下面将研究高性能环氧改性水性聚氨酯掺量对、和 附着力拉拔强度的影响，具体对比材料水性环氧沥青（缩写为，撒 布 量 为.）和 热 喷 改性沥青（.）碎 石（.）缩写为，具体结果如图。图 环氧改性水性聚氨酯掺量对附着力拉拔强度的影响 第 期冯云龙，等：水泥混凝土桥面防水黏结层性能研究 由图 可以看出：随着环氧改性水性聚氨酯掺量的增加，防水黏结材料的附着力拉拔强度增大，当掺量为 时，和 附着力拉拔强度均满足分别不小于.和.的技术要求。当掺量为 时，、和 附着力拉拔强度分别为.、.和.，、和 附着力拉拔强度均大于水性环氧沥青。与 热喷改性沥青 碎石方案相比，拉拔强度低于 热喷改性沥青 碎石，但是 和 附着力拉拔强度均明显优于 热喷改性沥青 碎石，这是由于环氧改性水性聚氨酯制备的防水黏结层在高温情况下，树脂与沥青可形成互穿网络结构，促使沥青膜强度较高，黏结强度较强。.防水黏结层材料的复合件拉拔强度环氧改性水性聚氨酯掺量对复合件拉拔强度的影响如图 所示。图 环氧改性水性聚氨酯掺量对复合件拉拔强度的影响 由图 可以看出：随着环氧改性水性聚氨酯掺量的增加，防水黏结材料的复合件拉拔强度逐渐增大，当掺量达到 时，和 复合件拉拔强度分别为.和.，满足江苏省地方标准水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范（）复合件拉拔强度技术要求。且 和 复合件拉拔强度要优于市售水性环氧沥青和 热喷改性沥青 碎石黏结强度，其中市售水性环氧沥青和 改性沥青 碎石 复合件拉拔强度均低于江苏省地方标准技术要求。.防水黏结层材料的复合件剪切强度环氧改性水性聚氨酯掺量对复合件剪切强度的影响如图 所示。由图 可以看出：随着环氧改性水性聚氨酯掺图 环氧改性水性聚氨酯掺量对复合件剪切强度的影响 量的增加，防水黏结材料的复合件剪切强度逐渐增大，当掺量达到 时，和 复合件剪切强度分别为.和.，满足江苏省地方标准水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范（）复合件剪切强度技术要求，其复合件剪切强度要优于水性环氧沥青和 热喷改性沥青 碎石复合件剪切强度。.高性能防水黏结材料抗施工损伤性能为评价防水黏结材料的抗施工损伤性能，对其在不同温度和不同掺量下进行黏轮试验，试验装置图如图 所示。由表 可以看出：环氧改性水性聚氨酯掺量在 时，防水黏结层在 情况下即发生黏轮，而环氧改性水性聚氨酯掺量在 时，防水黏结层直到 才发生黏轮。夏季高温水泥桥面表面温度最高可达 ，为防止因夏季高温施工黏轮对防水黏结层造成破坏，建议环氧改性水性聚氨酯掺量为 。图 黏轮试验装置图 .高性能防水黏结材料综合性能当环氧改性水性聚氨酯掺量为 ，乳化沥青掺量为.、助剂掺量为.时，制备的高性能防水黏结材料的综合性能见表。公路工程 卷表 环氧改性水性聚氨酯掺量对黏轮性能的影响 掺量 表 高性能防水黏结层材料综合性能 项目外观蒸发残留物含量 黏度（，）比重（）（）（水溶液）柔韧性（）耐热性（）不透水性复合件剪切强度 环氧改性水性聚氨酯褐色均匀液体，无明显颗粒 无裂纹不流淌，不滑动不渗水技术要求黑色或褐色均匀液体，无明显颗粒 实测 无裂纹不流淌，不滑动，不渗水试验方法 复合件拉拔强度 附着力拉拔强度 抗冻性（）耐腐蚀性（）干燥性（，日光照）碱盐水表干实干抗硌破和渗水 黏轮性能不开裂无异常无异常不穿孔，不渗水不黏轮 次不开裂（）中浸泡 无异常盐水中浸泡 无异常重锤（，高）自由下落后，不穿孔，不渗水不黏轮 目测 结论本论文制备了高性能防水黏结层材料，并与常用水性环氧沥青和 改性沥青 碎石方案进行对比，主要得出如下结论：.环氧改性水性聚氨酯和环氧改性丙烯酸乳液均可用于制备高性能防水黏结材料，当环氧改性水性聚氨酯掺量为 和环氧改性丙烯酸掺量为 时，其耐热性（）与水性环氧沥青相当，明显优于 改性沥青。.环氧改性丙烯酸乳液制备防水黏结层材料、水性环氧沥青和 低温柔韧性均较差，不能满足规范要求，但是当环氧改性水性聚氨酯掺量占 时，制备高性能防水黏结层材料低温柔韧性较好，满足规范要求的技术指标。.通过附着力拉拔强度、复合件拉拔强度和复合件剪切强度试验发现：当环氧改性水性聚氨酯掺量超过 时，其力学指标均能满足江苏省地方标准 水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结 （下转第 页）第 期宋竹兵，等：左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究 张亮 水泥稳定铁尾矿碎石的路用性能研究 山西建筑，（）：沈卫国 铁尾矿在高速公路工程中的综合利用研究 武汉：武汉理工大学，李洪斌 铁尾矿砂对水泥稳定碎石基层性能的影响研究公路，（）：李静 铁尾矿砂中的磁铁矿在混凝土中的稳定性研究 开封：河南大学，建设用砂 邢界泉，詹树林，李新宇，等 人工砂石粉中云母含量测试方法及其对混凝土性能影响研究 新型建筑材料，（）：，陈潇，周明凯，蔡智，等 水泥粉煤灰稳定碎石的力学参数体系研究 公路交通科技，（）：，陈潇，周明凯，沈卫国 对水泥粉煤灰稳定碎石力学与抗干缩开裂性能的影响 建筑材料学报，（）：牟文宁，辛海霞，雷雪飞，等 表面改性对铁尾矿基复合材料吸水性能的影响 矿冶工程，（）：，邹梦超，陈颖辉，欧明喜，等 淋滤固结对尾矿砂土作用试验分析 中国地质灾害与防治学报，（）：（上接第 页）层施工技术规范（）规范要求，为保证高温不黏轮和节省成本，建议环氧改性水性聚氨酯掺量为 。.当环氧改性水性聚氨酯掺量为 时，制备的高性能防水黏结层材料各项指标均满足水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水黏结层施工技术规范（）技术要求。参考文献 孙立军 沥青路面结构行为理论 上海：同济大学出版社，沈金安 高速公路沥青路面早期损坏分析与防治措施 北京：人民交通出版社，孙建邦，陈辉强，方源仁，等 移动荷载下桥面防水黏结层剪应力有限元分析 中外公路，（）：，（）：，：于晓贺，汪帮平，陈龙龙，等 基于 的桥面铺装防水粘结层抗剪性能研究 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：，胡海波，刘刚，钱振东，等 武汉青山长江公路大桥混凝土桥面防水粘结层试验研究 桥梁建设，（）：纪伦，李云良，任俊达，等 桥面铺面防水粘结层胶结材料洒布量的确定方法 哈尔滨工业大学学报，（）：王笃喜 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究 重庆：重庆交通大学，王涓 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究 南京：东南大学，王朝锋 基于高聚物的桥面防水材料应用技术研究 西安：长安大学，张争奇，陶晶，张思桐 桥面铺装环氧沥青防水粘结层性能试验与评价 长安大学学报（自然科学版），（）：周少林，褚峰，吴边，等 桥面铺装防水粘结材料力学性能试验研究 中外公路，（）：王伟 改性乳化沥青桥面防水粘结层材料研究 西安：长安大学，郭健彬 水泥混凝土桥面防水粘结层性能研究及应用广州：华南理工大学，郭佩 水泥混凝土桥面防水粘结层研究 西安：长安大学，李爱芳 新型水性环氧防水粧结层在贵州山区水泥混凝土桥面铺装中的应用研究 南京：东南大学，水泥混凝土桥面水性环氧沥青防水粘结层施工技术规范