摘 要:

针对正交异性钢桥面铺装特性,自行开发了耐高温环氧树脂胶粘剂,进行了力学性能试验。试验结果 表明,其不但具有良好的高温抗剪、抗拔强度,而且在一定温度范围内有良好的韧性。

关键词:钢桥面铺装;环氧树脂胶粘剂;抗剪强度;抗拔强度;韧性 近十多年来,大跨径正交异性钢桥相继落成并 投入到运营中,如广东虎门大桥、江阴长江大桥、厦 门海沧大桥、南京长江二桥和润扬长江公路大桥等 一系列著名的大桥涂料在线coatingol.com。除少数桥梁桥面铺装的运营状 况良好外,大部分桥梁的桥面铺装层都出现了车辙、 开裂、推移等病害。车辙的产生一般被认为是由于材 料或结构的高温稳定性不足而引起的;开裂的形式 有多种,不同的形式有其相应产生的原因。细小裂 缝、纵向和横向裂缝一部分是由于粘结层的开裂造 成的,大部分是疲劳破坏;网状裂缝往往由于局部的 应力集中;推移,少数情况下是由于混合料级配不当 造成的,而大多数情况下则是由于粘结层的推移即 钢桥界面粘结层的破坏而引发的。可见,钢桥面界面 粘结层是钢桥面铺装层的关键。

现有的粘结层采用的材料按施工方法与材料的 特性的不同可分为三大类:一种是热熔型粘结材料, 一般由沥青掺加树脂和各种聚合物(如EVA、PE、 SBR)等组成,这种材料最大的特点是在高温下容易 变软,粘结力下降,粘结层则由于变软而成为软弱 层,导致沥青铺装层在交通荷载下发生推移、开裂等 损害;一种是溶剂型粘结材料,一般多指乳化沥青和 可溶性的橡胶沥青,这种材料在高温时容易软化,并 且材料内部含有热敏感性物质,遇摊铺高温时会释 放出气体,从而使铺装层产生气泡;还有一种是热固 性粘结材料,一般是指环氧沥青和环氧树脂胶粘剂。 南京长江二桥采用环氧沥青作粘结层,其铺装层采用环氧沥青混凝土,较好地解决了钢桥面铺装热稳 定性问题,但是环氧沥青价格昂贵,材料配方及施工 工艺为美国人独家所有,极大地限制了我国其他沥 青混凝土在钢桥面铺装中的应用。环氧树脂胶粘剂 (包括环氧富锌漆),一般是由环氧树脂、固化剂两组 分组成,同时可以根据实际的需要掺加改性剂如增 韧剂或是填料。目前比较有代表性的是上海回天化 工新材料有限公司生产的623环氧结构胶,其常温 抗剪强度高达12 MPa,70℃时也有1.6 MPa,但是其 高温(160℃)抗剪强度只有0.2 MPa左右。沥青混合 料高温摊铺时桥面温度往往高达160℃甚至更高,在 这种情况下,采用623环氧结构胶+单一粒径碎石 的粘结层由于自身粘结力的急剧下降,很容易产生 粘结层和钢桥面的脱离,同时被粘附的单一粒径石 料部分也因粘结层粘结强度的急剧下降而被剥离, 丧失联结沥青混合料与钢板的能力,这样,粘结层成 了滑移层,导致铺装层的推移和开裂等病害。

针对上述情况,长沙理工大学钢桥面铺装课题 组自行开发出了一种能耐高温的环氧树脂胶粘 剂,命名为“达力诺”(DLERA),并进行了力学性能 试验。

1 正交异性钢桥桥面铺装的力学指标 为判断DLERA是否满足使用要求,必须对其 提出相应的力学指标。本文以西陵长江大桥正交异 性钢桥面铺装的力学指标为参考。根据中国长江三峡工程开发总公司坝区管理部门提供的有关该桥钢 箱梁结构的资料,以及钢箱梁结构的横断面图,运用 ANSYS大型通用有限元程序,建立了西陵长江大 桥正交异性钢桥桥面铺装的力学计算模型,计算分 析了钢桥面裸板以及设计铺装层表面最大拉应变特 征值,计算参数及结果见表1和表2[1~3]。

2 钢~胶界面剪切、拉拔试验研究 钢桥面沥青铺装成败与否的首要问题是如何解 决铺装层与光滑的钢板表面之间的界面抗剪能力不 足的问题。由表2可知,西陵长江大桥钢桥面在最不 利加载位置并考虑冲击时防水粘结层(用作粘结层 的同时用作防水层)的最大水平应力为1.32 MPa。 但是,实际工程中防水粘结层与钢板之间的脱离及 与其粘附的石料的剥离往往发生在沥青混合料摊铺 期间,此时,钢桥面温度往往高达160℃,而防水粘结 层在高温的情况下粘结力急剧下降,很难抵抗施工 时上部机械设备所施加的复合作用力而产生破坏。 为此,本文要求160℃时钢与胶的界面抗剪强度τ> 1.32 MPa、拉拔强度σ>1.2 MPa。2.1 简单剪切、拉拔试验 拉拔、剪切试验用涂胶的钢片试件在万能试验 机上进行。试验在4种温度下进行:常温(25℃± 2℃)、中温(70℃±2℃)、高温(140℃±2℃、160℃± 2℃)。试验结果见表3和表4。 

从表3和表4知,DLERA不但在常温和中温 (70℃)时有较高的抗剪、抗拔强度,而且在140℃/ 160℃时亦保持较高的抗剪、抗拔强度,完全满足表2 提出的参考指标。2.2 轮碾试验 为了进一步验证DLERA的高温稳定性能,试 验室利用车辙试件成型仪(轮碾法)设计了试验,同 时采用了某环氧树脂胶结剂(25℃、70℃的抗剪强度为别为8.96 MPa、9.40 MPa)进行了对比。试验过 程为:将钢板(300 mm×350 mm×50 mm)沿长度 方向平分成两部分,一部分涂DLERA,另一部分涂 某环氧树脂胶粘剂胶。胶分两层涂抹,第一层为 0.3~0.5 mm,待其初步形成强度后再涂第二层,层 厚为0.6~0.7 mm,同时撒布单一粒径(2.36~ 4.75 mm)的玄武岩;沥青混合料采用SMA-13,油 石比为6%,掺加0.3%的纤维,厚度为3 cm。胶常温 固化后,将钢板装入车辙试模(涂胶面向上),同时采 用沥青混合料拌和机拌和沥青混合料,拌和温度和 出炉温度控制在180℃左右。拌和好后,迅速将热拌 沥青混合料装入车辙试模,粗平后(表面为185℃,底 部温度为155℃)迅速抬上碾压台,施加10.5 kN的 荷载(轮宽350 mm,压力线荷载为300 N/cm),碾压 24次,抬下试模立即将碾压好的沥青混合料拨开进 行观测。碾压前、碾压后钢板试件情况见图1和图2。 

从图2可以明显看到,DLERA保持完好,而某 环氧树脂胶除本身有部分表面被破坏(由于分层涂 抹,破坏部分没有透过最下层),其上粘附的单一粒 径石料则大部分被剥离,在胶层上留下明显的坑槽。 试验证明,DLERA具有良好的高温抗剪、抗拔 性能。 

3 弯曲试验 钢桥面板由于在荷载作用下发生弯曲变形,尤 其是在其纵肋和主梁腹板产生大的变形,而且重复 出现,往往会引起铺装层开裂,尤其是界面铺装层如 防水粘结层的开裂。防水层开裂后,会导致一系列的 后果,如雨水直接渗入到钢板上,导致钢板锈蚀。随 着钢板锈蚀的渗透和扩散,钢-胶界面发生相互脱 离而导致上铺装层的滑移与开裂。因此,要求界面材 料对钢板变形具有良好的随从性能。试验室设计了 简单的弯曲试验设备,如图3所示。 

 试件采用钢板,在其表面分层涂胶,并在涂第二 层胶的同时撒布4.75~9.5 mm单一粒径石料,待 其固化后放置在简单弯曲试验仪(跨度为22.7 cm) 上,涂胶面朝下,在设计温度下测试其能承受的最大 竖向位移(以听到清脆的开裂声为试验结束点),然 后反算相应的最大拉应变(跨中拉应变)和曲率半径。

 由表2知,西陵长江大桥正交异性钢桥桥面裸板表 面在最不利位置产生的最大横向拉应变为332με,同 时综合考虑界面材料在荷载重复作用下产生的疲劳开裂,本文认为可用ε>600με作为参考。试验结果、 计算采用的参数及计算结果见表5。

 从表5可知,DLERA在0~70℃有良好的韧性 即抗弯曲性能,同时试验进一步表明,随着温度的升 高,DLERA会逐步变软,不会在高温沥青混合料摊 铺碾压情况下出现弯曲开裂。4 结论 (1)DLERA具有良好的高温抗剪、抗拔强度, 能较好地满足160℃温度下沥青摊铺碾压对钢界面 粘结材料力学性能的要求。 (2)DLERA在0~70℃有良好的抗弯曲性能, 而且温度越高(不超过200℃,否则易发生热氧化而 破坏),其抗弯曲性能越好。但是,随着温度的降低,

DLERA会逐步变脆而在超荷载作用下发生弯曲开 裂。若投入实际施工,一方面要防止超重车的破坏即 实施交通管制,另一方面则可以从铺装结构层的合 理性方面着手,从而达到更好的利用效果。