上海卢浦大桥钢桥面铺装防水体系的研究

2024-09-02 来源：汇智旅游网

第34卷第3期2004年5月　　　　　　

东南大学学报(自然科学版)

JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)　

Vol134No13May2004上海卢浦大桥钢桥面铺装防水体系的研究

陈仕周　邓学钧　　　　　　陈辉强　　　

(东南大学交通学院,南京210096)　　(重庆交通科研设计院,重庆400067)

摘要:研究了环氧型粘接剂的低温柔韧性能及其与钢板的粘接性能和剪切性能,并进行了配方调整,确定出环氧型粘接层的最佳配方;通过研究对环氧粘接层的碎石做不同的表面处理以及岩

沥青用量对缓冲层性能的影响,对钢桥面铺装组合结构的高温剪切性能做了深入的分析表征.建立了环氧树脂和橡胶沥青砂胶防水层共同构成的钢桥面铺装防水体系.关键词:钢桥面;铺装;防水体系中图分类号:U443.33　　文献标识码:A　　文章编号:1001-0505(2004)0320393205

StudyonwaterproofsystemofShanghaiLupusteelbridgepavements

ChenShizhou1　DengXuejun1　ChenHuiqiang2

(1CollegeofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)(2ChongqingCommunicationResearchandDesignInstitute,Chongqing400067,China)

Abstract:Theflexibilityofmodifiedepoxyatlowtemperatureisresearched,andthebondingandshearingpropertiesbetweenmodifiedepoxyandsteelplateareresearchedsystematically.Thepropercompositionofmodifiedepoxyisdecidedbyadjustingtherecipe.Thehightemperatureshearingpropertiesofthecompositestructureofbituminouspavementonsteeldeckareanalyzedbystudyingthetreatmentmethodofgrittingovermodifiedbondinglayerandtheeffectoftheratioofasphaltimpregnatedstoneonthepropertiesofwaterprooflayer.Thewaterproofsystemcomposedofmodi2fiedepoxyandbufferlayerisestablished.

Keywords:steelbridge;pavements;waterproofsystem

　　钢桥面铺装在国内外都是一个世界性技术难题,我国的钢桥面铺装技术与欧美等先进国家相比,仍然存在着相当大的差距.我国几座已建钢桥的桥面铺装都出现了不同程度的破坏,并且相当数量的桥面破坏位置都发生在粘接层和防水层,这表明我国现有的钢桥面铺装层与钢板的粘接技术还存在自身的不足.因此开发一种性能优异的防水体系就显得至关重要.上海卢浦大桥是上海市鲁班路上跨越黄浦江的一座特大型拱桥,也是上海市的重点工程和景观工程.卢浦大桥的这些特殊性赋予了其钢桥面铺装技术研究课题的艰巨任务.通过广泛调研[1～7],在借鉴并吸收国内外成功经验的基础上,设计了如图1所示的钢桥面铺装结构.卢浦大

收稿日期:2003212227.

),男,博士生,国务院特殊津贴获得作者简介:陈仕周(1965—

者;邓学钧(联系人),男,教授,博士生导师.

桥钢桥面铺装的防水体系由环氧树脂粘接层和橡胶沥青砂胶防水层构成,本文将就卢浦大桥的防水体系展开深入探讨.

图1　钢桥面铺装结构示意图

394

东南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第34卷

α.当对试件加荷载P时,试件受剪切面上的切向力Q=Psinα,则剪应力τ=Psinα/S,其中S为试件受剪切截面积.研究中加载装置的剪切角度α=40°,试件剪切截面积为100cm2.试件成型方法同粘接强度试验,按底部钢板大小,切割成规定尺寸(100mm×100mm)试件.

1　钢桥面铺装结构

钢桥面铺装结构示意图如图1所示.

2　关键指标和试验方法

211　粘接强度

　　将配制好的环氧粘接剂涂布于处理好的钢板

上,粘接层的厚度为012～013mm.当环氧粘接层固化后,将<50的拉头用专用胶粘于试件上.考虑到环氧粘接层上将直接摊铺温度达180℃左右的橡胶沥青砂胶防水层和SMA沥青混合料,模拟以上施工条件,即待试件完全固化后,将其放入180℃的烘箱中,并立即关闭烘箱,让其自然冷却.当烘箱内温度降至试验温度后,取出试件,在规定的试验条件下测试其拉拔力,由此计算出粘接强度,其示意图如图2所示.

图4　70℃时防水体系剪切强度试件示意图

213　柔韧性能21311　断裂伸长率

图2　粘接强度试验示意图(未铺装混合料)

212　剪切强度

21211　未铺装混合料的剪切强度

　　将配置的环氧胶制成如图3所示试件,试件搭

接处以环氧胶粘接.试验条件同211节.在规定的试验条件下测试其剪切荷载,由此计算出剪切强度.

　　将配制好的环氧胶成型为一定规格的矩形试件,待其完全固化后,放入180℃的烘箱中,并立即关闭烘箱,让其自然冷却,取出试件,用样刀裁成哑铃状样条,将样条在拉力机中测试其断裂伸长率.21312　低温弯曲性能将各种环氧胶配制好,涂刷于薄铝片上.待其完全固化后,将试件放入180℃的烘箱中,并立即关闭烘箱,让其自然冷却,取出试件,冷却至室温,再放入冷冻室冷冻1d.让试件在该温度下沿直径为20mm的圆筒弯曲90°,观察环氧胶的裂纹状况.

3　结果与讨论

311　未经增韧的A,B双组分环氧树脂粘接层的

试验研究

图3　环氧粘接层的剪切强度试件示意图(单位:mm)

212.2　铺装混合料之后的剪切强度

先在处理好的10cm×10cm的钢板上涂布012～013mm厚的环氧粘接层,并在其上撒布013

～016mm的碎石,待其固化后,再涂布014～016

mm厚的环氧粘接层,并在其上撒布1118～2136mm的碎石.再在其上依次铺装防水层和沥青混合料,并在70℃的水浴中保温4h,测试剪切强度.粘接层材料受剪性能的加载剪切试验装置如图4所示,本装置使试件的着力面与加载方向成一定角度

　　由于环氧树脂一般都具有强度高、脆性大的特点,因此,在研究它与钢板的粘接强度之前,首先研究它的关键性技术指标———自身的力学性质和柔韧性能.通过测试环氧树脂的拉伸强度、杨氏模量来表征力学强度性质,通过测试断裂伸长率和低温弯曲性能来表征环氧树脂的柔韧性能.

1)断裂伸长率

断裂伸长率按照21311节所述试验方法测试,结果列于表1.从表1可以看出,A,B双组分环氧固化体系具有较高的内聚强度和断裂伸长率,表明A,B双组分环氧固化体系具有一定的柔韧性.

第3期陈仕周,等:上海卢浦大桥钢桥面铺装防水体系的研究395

表1　A,B双组分环氧固化体系的力学性能

试件编号

12345

观察环氧胶的裂纹状况.进行低温弯曲试验,测试结果见表3.从表3可看出,随着增韧剂AP21用量的增大,增韧改性的A,B双组分固化体系的低温抗裂性也随之得到了提高.当AP21用量达到10%时,该固化体系在-10和-20℃环境温度下弯曲90°均未出现任何裂纹,表明此时其低温性能良好.

表3　AP21用量对A,B双组分固化体系低温弯曲性能的影响

AP21用量/%

05101520

-10℃

-20℃

拉伸强度/

MPa9167101318154719781529100

杨氏模量/

MPa286182265102208184250145268129255188

断裂

伸长率/%

8191111921213010117916110158

平均值

　　2)低温弯曲性能

A,B双组分固化体系的低温弯曲性能按照21312节所述试验方法测试,测试结果为:在-12℃弯曲90°无任何裂纹,而在-20℃弯曲90°有较多裂纹.结果表明,A,B双组分固化体系具有较优良的内聚强度,但柔韧性能稍显欠缺.为了改善A,B双组分固化体系的低温弯曲性能,拟掺加AP21增韧剂,再进行上述试验.312　经AP21增韧的A,B双组分环氧树脂的性能

研究

　　通过改变增韧剂AP21的用量(指质量分数,下同),研究了增韧剂AP21用量对整个固化体系综合性能的影响,并由此确定增韧剂AP21的最佳用量.312.1　柔韧性能测试

1)断裂伸长率

断裂伸长率按照21311节所述试验方法测试,测试结果列于表2.由表2可知,随着AP21用量增大,内聚强度与杨氏模量都发生了较大幅度的下降,而断裂伸长率得到了不同程度的提高,当AP21用量小于10%时,断裂伸长率增加迅速,而当AP21的用量超过10%时,断裂伸长率的增加速度变得比较缓慢,说明此时继续增加AP21的用量已无多大意义,反而会降低整个固化体系的内聚强度.

表2　AP21用量对A,B双组分固化体系力学性能的影响

AP21用量/%

05101520

有少许裂纹无任何裂纹无任何裂纹无任何裂纹无任何裂纹有较多裂纹有少许裂纹无任何裂纹无任何裂纹无任何裂纹

31212　粘接强度测试

按照211节描述的试验方法,分别测试了常温(25℃)和高温(70℃)下AP21用量对增韧固化体系粘接强度的影响,测试结果见表4和表5.

表4　AP21用量对A,B双组分固化体系25℃时

粘接性能的影响

AP21用量/%

05101520

拉力/kN

713715711912915

粘接强度/

MPa413410414417415

破坏位置环氧富锌漆与钢板之间环氧富锌漆与钢板之间环氧富锌漆与钢板之间环氧富锌漆与钢板之间环氧富锌漆与钢板之间

表5　AP21用量对A,B双组分固化体系70℃时

粘接性能的影响

AP21用量/%

05101520

拉力/kN

715719910713519

粘接强度/

MPa318411416317313

破坏位置

A,B环氧胶的内聚破坏A,B环氧胶的内聚破坏A,B环氧胶的内聚破坏A,B环氧胶的内聚破坏A,B环氧胶的内聚破坏

内聚强度/

MPa9100181212611445137341787

杨氏模量/

MPa25518818211909212487175555165

断裂伸长率/%

101583201353251019271985301514

　　表4结果表明,在常温状态下,拉拔试验的破坏位置主要都是在漆膜与钢板之间,说明上述几种配方的A,B双组分固化体系与油漆之间的粘接强度大于油漆在钢板上的附着力,因此增韧剂AP21的用量对A,B双组分固化体系性能的影响并没有得到很直观的反映.表5结果表明,在70℃的高温状态下,拉拔试验的破坏形式主要都是A,B环氧胶的内聚破坏,但随着增韧剂AP21用量的不断增大,粘接强度先增加后减小,当AP21的用量为10%时,粘接强度达到最大值.分析其原因,随着AP21用量增大,一方面会增加A,B双组分固化体系对环氧富锌漆界面的浸润效果,有利于A,B双组分固化体系与环

　　2)低温弯曲性能

由于实际钢桥面铺装中,环氧粘接层的铺装厚度约为018mm,为使室内试验尽可能与实际工程相吻合,在室内也制作同样厚度的A,B双组分环氧试块,待其完全固化后,放入冷冻室冷冻1d.让试件在该温度下沿直径为20mm的圆筒弯曲90°,

396

东南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第34卷

量增大,防水层的低温性能也会随之降低,并且施工难度也相应增大.因此,在保证防水层性能满足技术要求的前提下,应采用较小的岩沥青用量.当岩沥青的用量为8%时,防水层在60℃的剪切强度达到0181MPa,略高于所期望的指标,但为了增加安全系数,作者初步确定防水层的岩沥青用量为10%.由于设计的轮胎荷载压力为017MPa,考虑015～016的横向力系数,完全不考虑铺装层的分散荷载能力,行车水平剪应力应在0135～0140MPa之间.达到018MPa,安全系数为2,同时,由于环氧粘接层的隔热作用,及过去实测钢板温度一般不超过60℃,因此,考虑最终达到的性能为70℃时约为018MPa,60℃时约为110MPa,安全系数为2～215.

)表7　岩沥青用量对防水层剪切性能的影响(60℃岩沥青剪切强用量/%度/MPa

001575016380181120197　　　　　　破坏位置

主要是防水层内聚破坏,破坏界面较模糊

主要是防水层内聚破坏,破坏界面较模糊主要是防水层内聚破坏,破坏界面很模糊主要是防水层内聚破坏,破坏界面很模糊氧富锌漆之间的粘接;另一方面,增韧剂AP21的加入,会使A,B固化体系自身的内聚强度降低,不利于A,B固化体系与钢板之间的粘接.这2个相互矛盾的因素同时贯穿于A,B双组分固化体系固化过程始终.当AP21的用量小于10%时,前者起主导作用,因此粘接强度增大;当AP21的用量超过10%时,后者起主导作用,因此粘接强度的测试值减小.同时,比较表4和表5的粘接强度和试件的破坏形式还可以看出,油漆在钢板上的附着力在高温时比其在常温时要高,其原因有待进一步研究.

31213　剪切强度测试

)下AP21的用量对增韧固化研究了高温(60℃

体系剪切强度的影响,试验方法如21211节,并把测

试结果列于表6.

表6　AP21用量对A,B双组分固化体系60℃时

剪切强度的影响

AP21用量/%

5101520剪切力/kN

58124118331517181516剪切面积/cm

1001410210104169816103182

剪切强度/MPa

51841131211811531312　环氧粘接层表面处理方案的确定

　　表6的测试结果表明,随着增韧剂AP21用量的

增加,剪切性能发生了大幅度的下降,说明增韧剂AP21的加入,尽管改善了固化体系的柔韧性能,但

对于固化体系的剪切性能是不利的.因此在保证固化体系柔韧性能的基础上,应选择较小的AP21用量,即选择10%作为AP21的最佳用量.313　组合结构的性能研究

防水层是作者自制的特种改性沥青与一定规格的碎石热拌而成的混合料.由于它具有一定的粘弹性,因此又称之为橡胶沥青砂胶,主要起到防水和吸收应力的作用.又因为它本身的性能测试以及相关配方,都是在技术保密的范围之内,故在此暂不作讨论.为了提高橡胶沥青砂胶的高温稳定性,采取了添加岩沥青的方法;通过组合结构的剪切性能测试,研究缓冲层与环氧粘接层、沥青混合料铺装层之间的层间结合问题以及相应解决办法.31311　岩沥青用量对防水层高温剪切性能的影响

分别测试了岩沥青用量(指质量分数,下同)为0,5%,8%和12%时防水层的高温剪切性能,并把测

采用如下4种方案对环氧粘接层表面的碎石进行处理,以增加其与防水层之间的层间结合.具体如下:①在环氧粘接层表面涂布2层GS25溶剂型粘接剂;②在环氧粘接层表面涂布4层GS25溶剂型粘接剂;③在环氧粘接层表面涂布2层经环氧树脂改性的GS25溶剂型粘接剂;④在环氧粘接层表面涂布2层K211改性沥青.

上述4种方案采用完全相同的防水层.作者对这4种处理方案进行了剪切性能测试,试件的铺装结构为:钢板+环氧富锌漆+2层增韧A,B环氧胶撒1118～2136mm碎石+表面处理剂(粘接剂或改性沥青)+防水层+SMA10沥青混合料.表8为几种表面处理方案的剪切强度测试结果.

)表8　碎石表面不同处理方案的剪切强度测试结果(60℃处理方式不做处理

2层GS254层GS252层环氧改

性GS252层K211

剪切强度/

MPa01401105017501950144

　　　　　破坏位置

防水层内聚破坏,碎石部分脱落,破

坏界面清晰

防水层内聚破坏,碎石部分脱落,破坏界面很模糊

防水层内聚破坏,碎石部分脱落,破坏界面较模糊

防水层内聚破坏,碎石部分脱落,破坏界面较清晰

试结果列于表7.

表7的测试结果表明,随着岩沥青用量增加,防水层的高温抗剪性能得到了明显提高.这是因为岩沥青本身有着优良的高温性能和内聚强度.但岩沥青的用量也不是越大越好.相关研究表明,岩沥青用

　　试验结果表明,不同的表面处理方案对整个铺

第3期陈仕周,等:上海卢浦大桥钢桥面铺装防水体系的研究

装工程中得以推广应用.

397

装结构的抗剪性能的影响非常明显.当环氧粘接层表面的碎石表面涂布2层GS25时,整个铺装结构的高温剪切性能最好,达到了1105MPa,相当于表面涂布2层K211时的214倍.其次是碎石表面涂布2层环氧改性的GS25和涂布4层GS25时的剪切性能.说明经过环氧树脂改性的GS25并没有提高防水层与碎石之间的剪切性能,在碎石表面涂布过多的GS25并不利于增大防水层与碎石之间的抗剪性能.另外,从剪切破坏情况看,涂布2层GS25和2层环氧改性的GS25时的破坏界面更加模糊,表明通过这2种表面处理之后,防水层与环氧粘接层表面的碎

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的作用.

4　结　论

1)经AP21增韧的A,B双组分固化体系的柔韧

452.

[4]吕伟民.高强沥青铺面材料的特性与应用[A].见:第

性能得到了明显提高,并且仍能保持很高的粘接性能和剪切性能.当AP21的用量为10%时,整个固化体系的强度和柔韧性都较好.因此,上海卢浦大桥钢桥面铺装粘接层采用经10%AP21增韧的A,B双组分环氧树脂固化体系.

2)采用在环氧粘接层表面涂布2层GS25的处理方案效果最佳.所以,在上海卢浦大桥钢桥面铺装中采用在环氧粘接层表面涂布2层GS25方案.

3)岩沥青对防水层的高温剪切性能影响显著.综合考虑防水层的高温性能和施工工艺等各种因素,把10%作为岩沥青的最佳用量.

4)通过对粘接层和防水层的系统研究以及对其间的碎石进行表面处理,建立了适合卢浦大桥钢桥面铺装的防水体系.并且,这种防水体系已在厦门海沧大桥的修补工程和山东胜利黄河大桥钢桥面铺

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