摘要：通过测试不同温度下拉拔强度和剪切强度，不同养护时间下拉拔强度，不同温度和时间下的恩格拉粘度和储存稳定度，在压力下的透水情况，考察水性环氧沥青的力学特性、固化时间、流动时间、储存稳定性和防水性能。结果表明，水性环氧沥青具有优异的性能，其在苏州市吴江区科林大桥桥面防水粘结层中得到成功应用，从而为类似工程提供参考和借鉴。
关键词：水性环氧沥青；桥面防水粘结层；材料性能；施工工艺
0 前言
伴随社会经济发展，城市路网日益发达，在满足基本通行需求的基础上，人们对道路的舒适性与耐久性有了更高的追求。沥青路面因为其美观、舒适的特点，得到广泛应用，然而根据实际应用经验，市政沥青道路也存在一些薄弱环节，比如桥面沥青铺装层位置，常常会出现坑塘、裂缝、推移等病害，严重影响行车安全与舒适性，亟待解决。
市政桥梁中最常见的就是水泥混凝土桥，经过研究，防水粘结层性能不足是造成水泥混凝土桥面沥青铺装层病害的重要原因。夏季气温升高，防水粘结层和沥青铺装层在行车荷载作用下，产生层间剪切滑移，车辙、拥包等病害出现频繁；冬季气温降低，导致防水粘结层开裂，防水效果大大降低。此外，因防水粘结层粘结力不足，沥青铺装层和桥面之间出现剪切滑移的现象，会导致沥青铺装层路面推挤产生月牙形的裂纹。路面形成裂纹后，雨水会通过裂纹下渗到水泥混凝土桥面板内部，使得结构内钢筋锈蚀，影响水泥混凝土桥的使用寿命[1]。
为使桥面铺装层多层组合体系具有良好的使用性能，必须从改善层间粘结强度着手。水性环氧沥青因其具有良好的施工特性和优异的路用性能，成为防水粘结层材料的理想选择。本文依托苏州市吴江区科林大桥市政桥梁沥青铺筑项目，通过室内试验以及实际工程应用研究水性环氧沥青材料性能及施工工艺，相应研究成果可以为相关的市政道路工程提供参考。
1 水性环氧沥青材料性能
水性环氧沥青是一种新型的防水粘结层材料，由水性环氧树脂、常温固化剂、高温固化剂、乳化沥青以及少量助剂均匀混合，具有一定的热固性。其形成强度一般分为两个过程。
（1）初次洒布阶段：当材料洒布在水泥混凝土桥面后，水分在自然状态下快速挥发，再加上水泥混凝土桥面经过干燥处理，水泥桥面板将部分水分吸入，材料很快破乳并凝结在桥面，初步形成了一定的强度。
（2）沥青摊铺阶段：水性环氧沥青中含有高温固化剂，当防水粘结层上面的沥青铺装层结构施工时，摊铺的上面层沥青混合料接触到水性环氧沥青材料，由于摊铺温度较高，促进水性环氧树脂和高温固化剂发生固化反应，提高材料强度。
从上述两个过程中可以看出，材料完全破乳后，部分水性环氧树脂和常温固化剂反应，材料形成较高的强度，这是第一次固化；当剩余的环氧树脂和高温固化剂在高温的催化下反应，产生第二次固化，使得材料的强度得到提升。二次固化后，水性环氧沥青防水粘结层材料成了不可逆和不可熔的三维网络体系，所以水性环氧沥青不同于传统的防水粘结层材料，其具有优异的粘结性能、力学性能、防水性能以及高低温性能[2][3]。
1.1力学特性
水性环氧沥青作为水泥混凝土桥面防水粘结层材料要求其自身能够达到一定的强度和具有一定的变形能力。本文结合强度和柔韧性两个性能，通过检测拉伸强度和断裂伸长率评价水性环氧沥青力学性能。
本试验采用0℃、25℃、40℃、60℃四个试验温度，拉伸强度和断裂延伸率试验结果如图1-1和图1-2所示。
图1-1 不同温度下水性环氧沥青拉伸强度
从图1-1中可以看出，试验温度为0℃时，水性环氧沥青的拉伸强度达到2.83MPa，当试验温度升到60℃时，拉伸强度降到1.22MPa，拉伸强度随着试验温度逐渐升高，试件的拉伸强度逐渐降低。而观察图中拉伸强度降低的趋势可以发现，当试验温度上升到60℃左右时，拉伸强度降低较为缓慢，这是由于水性环氧沥青中含有高温固化剂，高温促进环氧树脂发生二次固化反应。
图1-2不同温度下水性环氧沥青断裂伸长率
从图1-2中可以看出，材料的断裂延伸率随温度变化而变化，沥青是试验温度为0℃时，水性环氧沥青的断裂延伸率为7.31%，当试验温度升到60℃时，断裂伸长率上升至14.53%。由此可见，断裂伸长率变化趋势与拉伸强度相反，由于环氧树脂具有一定的热固性，当温度较高时断裂延伸率升高较为缓慢。
1.2防水性能
防止外界水分渗透进入桥梁结构是桥面防水粘结层的重要功能之一，水分进入桥梁结构后会造成钢筋锈蚀，桥梁使用寿命降低，这就要求防水粘结层材料在经受可能的施工的损伤、长期行车荷载和自然因素作用后仍能就有较强的不透水性[4]。
将水性环氧沥青涂覆在涂膜模框中，控制涂膜的厚度在1.5mm±0.2mm，在标准试验条件下放置2h，裁取三个150mm×150mm的试件。然后把试件置于充满23℃±5℃水的不透水仪中缓慢加压，当压力达到0.6MPa时保持压力30min，观察试件透水情况。水性环氧沥青材料经过试验得到0.6MPa下，保持30min不渗水，具有良好的防水性能。
1.3固化时间
防水粘结层材料实干时间短、形成强度早会大大减少材料养生的时间，减少施工间隙时间，降低施工成本。由于水性环氧沥青防水粘结层材料中含有环氧树脂和固化剂，当材料洒布完成后，强度形成时间长短主要取决于材料破乳后固化时间。为了减少施工时间，要求水性环氧沥青固化时间较短[5]。
将水性环氧均匀涂抹在处理后水泥板上，室内试验在测取第一次拉拔强度后，接着将水泥板放入规定温度养护，每隔10分钟测取一次附着力拉拔强度，得到结果如图1-3所示。
图1-3 附着力拉拔试验仪
从图中可以看出，水性环氧沥青附着力拉拔强度在养护50min时达到最大值2.4MPa左右，50min后附着力拉拔强度基本不变，所以材料的固化时间为50min，时间较短。
1.4流动性
水性环氧沥青作为一种新型的水泥混凝土防水粘结层材料，对于粘层乳化沥青路洒布车不能完全适应新材料，水性环氧沥青粘度较大时，洒布车的洒布系统就会堵塞，这对施工影响十分大；如果材料粘度较小，会导致材料流失增多，施工时洒布均匀性受到影响，所以水性环氧沥青的粘度是该材料的一项重要性能指标。
普通乳化沥青在稳定性良好的情况下粘度随时间推移变化较小，与普通乳化沥青不同的是，水性环氧沥青粘度会随时间的推移而变化，这是因为水性环氧沥青中的水性环氧树脂和水性固化剂是不稳定的体系，二者交联固化反应随着时间的推移不断进行[6]。为了掌握材料的粘度随着时间推移的变化规律，检测水性环氧沥青粘度，对其进行了不同温度下的恩格拉粘度试验，检测结果见图1-4。
图1-4 水性环氧沥青的粘度检测结果
由图1-4可以看出，水性环氧沥青恩格拉粘度随储存时间增加而增大。水性环氧沥青的温度对其恩格拉粘度影响较大，25℃条件下，水性环氧沥青的恩格拉粘度增长缓慢；60℃条件下，发现水性环氧沥青恩格拉粘度随着时间的推移快速增长。且通过25℃、40℃、60℃材料恩格拉粘度的比较，发现温度越高，恩格拉粘度越大，这是因为随着温度的升高，水性环氧树脂和固化剂反应加快，使得水性环氧沥青体系的粘度增加，为了提高施工的和易性，便于材料洒布，施工中采用常温洒布水性环氧沥青。
1.5储存稳定性
水性环氧沥青中环氧树脂分子均匀、充分的分布在沥青分子中形成稳定结构的，其储存稳定性影响着使用性能。水性环氧树脂和乳化沥青的相容性是影响水性环氧沥青的稳定性重要因素，环氧树脂分子中含有极性基团，属于极性物质，而沥青属于弱极性或非极性物质，并且两者的密度相差较大，环氧树脂的密度约为1.16～1.20g/cm2，沥青的密度约为0.98～1.02g/cm2，如果固化剂选择不恰当，会造成环氧树脂沉降[7]。由此可见，水性环氧沥青的储存稳定性是一项中重要的性能指标。
对水性环氧沥青不同储存温度下的稳定性进行检测，检测结果如图3-15所示。
图1-5 水性环氧沥青储存稳定度
从图中我们可以看出，水性环氧乳化沥青常温下储存稳定度较好，1天的储存稳定度为0.12%，5天的稳定度仅有1.11%，由于材料中水性环氧树脂和固化剂始终反应，所以储存稳定度一直在上升。当五天后，将水性环氧树脂放置在60℃的恒温箱中，材料的储存稳定度升高的速度比常温下高，10天的稳定度达到了10%左右，水性环氧沥青性能急剧下降，究其原因，这是因为水性环氧树脂和固化剂在高温条件下快速固化，而环氧树脂密度较大，反应后分子沉降到稳定管底部，使得稳定度加速上升。所以要使水性环氧沥青防水粘结层材料在储存过程中保证使用性能，必须将水性环氧储存在阴凉干燥的地方。
2 水性环氧沥青工程应用
本次工程应用于苏州市吴江区科林大桥市政桥梁养护项目中，该桥为水泥混凝土桥，桥面结构形式如下图：
图2-1桥路面结构形式
2.1防水粘结层施工工艺
施工工艺是控制施工质量的关键，施工工艺的合理性和科学性直接影响了桥面防水粘结层材料的使用效果[8]。
（1）施工机械准备
采用智能洒布车喷洒水性环氧沥青防水粘结层材料，常温洒布。施工前需彻底清洗智能洒布车的储料罐、循环泵和喷洒管道，在装载水性环氧沥青前应完全清洁干净。另外，在施工前需要对洒布车的各个喷头进行检查，应对洒布车的各个喷头、喷嘴、输送泵逐一进行调试，确保在施工时洒布车不会出现故障。
（2）桥面板处理
为了使水泥混凝土桥面和沥青铺装层之间具有良好的界面，必须对原桥面沥青铺装层充分铣刨，铣刨后的桥面板上无附着的的沥青混合料，桥面板充分暴露。铣刨完成后，将杂物和灰尘仔细清理干净，表面应无浮浆。
（3）水性环氧沥青的洒布
水性环氧沥青洒布时，洒布车应该保持匀速行驶，洒布系统的喷洒速度必须稳定。当洒布车过了洒布量检测点之后，将小托盘拿走计算洒布量，及时补洒空缺部分的材料。一般要求洒布时气温较高，气温不能低于10℃，并且雨雪天气禁止洒布水性环氧沥青。雨后施工应注意水泥混凝土桥面干燥性。
（4）防水粘结层的养生
施工时，严禁施工人员在水性环氧沥青防水粘结层随意走动，时刻注意避免施工器材掉入水性环氧沥青中，对其成膜产生影响，同时减少过往大、小车辆路过产生的灰尘和杂物进入防水粘结层。养生一段时间后，待水性环氧沥青表面和内部均已干燥，方可进行下一道工序。为了使水性环氧沥青达到二次固化的效果，要求确保沥青混合料摊铺温度不低于170℃。
2.2防水粘结层质量检测
在铺筑三天后，项目组对项目进行钻芯取样，分别对防水粘结层的拉拔强度、剪切强度进行检测。见表2-1[9]。
根据上表数据，养护后的桥面防水粘结层的拉拔强度在25℃和40℃试验温度情况下分别为1.221Mpa和0.835Mpa，剪切强度在25℃和40℃试验温度情况下分别为1.457Mpa和1.018Mpa，均明显高于技术指标要求，并且分别是技术指标要求的3.5倍、5.6倍、4.9倍和10.2倍。分析可知，随着温度的增加，水性环氧沥青防水粘结层的拉拔强度和剪切强度均有所降低，但相比技术指标的倍数却在增加，说明水性环氧沥青相比其他传统防水粘结层不管是在常温情况下还是高温情况下均具有更优异的性能。
3 结论
（1）结果表明，水性环氧沥青作为防水粘结层材料其粘结过程发生二次高温固化反应；水性环氧沥青具有较为优良的力学特性、防水效果、固化时间、流动性以及储存稳定性等。
（2）结合实体工程，明确水性环氧沥青应用于市政水泥混凝土桥面防水粘结层的施工工艺。试验段质量检测试验结果表明，各项指标符合规范要求，工程应用效果良好。
参考文献
[1] 常卫平.水性环氧乳化沥青的应用研究[D].北京建筑大学，2016.
[2] 王玉杰.水性环氧树脂改性乳化沥青的应用研究综述[J].江西建材，2016（16）：181-181.
[3] 王佳炜.水性环氧-乳化沥青结构形成及性能影响因素研究[D].重庆交通大学，2015.
[4] 胡飞玲，周孔.混凝土桥面铺装防水粘结层技术指标探讨[J].城市道桥与防洪，2011（7）：124-126.
[5] 李致立.水性环氧乳化沥青制备工艺与微结构及其基本性能[D].重庆交通大学，2016.
[6] 孙筑豫，汪超.水性环氧沥青防水黏结层在桥面铺装中应用探讨[J].上海公路，2016（3）：9-12.
[7] 周剑光，张玮，钱海涛.水性环氧沥青在桥面防水粘结层中的应用分析[J].中国建材科技，2015（2）：70-71.
[8] 李宏志.桥面防水粘结层性能试验分析[J].交通科学与工程，2007，23（1）：14-18.
[9] 汪学君，李亚平，张璠，等.桥面防水粘结层材料的性能试验及施工质量检测要求[J].公路交通科技（应用技术版），2016（6）.
论文作者:叶强
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/21
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