路桥铺装用弹性环氧材料研究

朱本玮

摘要：通过对环氧材料粘接失效的界面应力分析，介绍了环氧铺装材料抗开裂能力的评价方法以及弹性环氧铺装材料的技术要求，最后简述了几种常用的弹性环氧路面铺装材料。

关键词：铺装材料；界面应力；环氧粘接剂

中图分类号：TQ433.4+37 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）08-0078-03

环氧树脂具有良好的力学性能和粘接性能，广泛用作胶粘剂、涂料、修补材料等。国外早就将环氧树脂路面材料使用在高等级公路、飞机跑道方面以取代传统的沥青铺装。采用环氧树脂路面材料建成的道路与传统材料建造的相比，强度高、耐油性好、耐水性好、耐磨损、施工及维护方便（后期费用低）。国内从上世纪80年代后才开始用环氧树脂进行建筑结构加固，近年来也逐渐用于地坪的加固修补。随着国内建筑水平的提高，在高等级路面、桥面应用环氧树脂已逐渐成为热点。

本文对环氧树脂材料固化过程和应用过程中的界面应力进行了初步分析，介绍了评价环氧材料抗开裂性能的评价方法、国外对路桥铺装用弹性环氧树脂材料的技术要求和目前应用较为成熟的2种铺装用弹性环氧材料。

1 粘接界面应力分析

环氧树脂材料的综合性能远优于混凝土材料，但在其修补混凝土基层特别是在修补较大面积混凝土时经常发生脱层现象。导致环氧树脂砂浆与混凝土界面脱落的主要原因是粘接界面存在应力。这种应力一方面包括环氧树脂砂浆固化过程中产生的收缩应力，另一方面包括在使用温度变化时由于2种材料线胀系数不同产生的应力。

1.1 固化过程产生的应力

环氧树脂固化反应是放热反应，2组分混合后就开始发生化学反应，体系温度升高，在达到放热峰顶时体系的体积达到最大，然后固化反应减缓，体系缓慢降温。在达到凝胶点前体系为能流动的液体，在凝胶点由液体变成胶体失去流动性。随着体系温度的降低，整个反应体系的体积缩小。凝胶点前体系处于液体状态，体积收缩不会产生永久内应力；凝胶点后尤其是进入玻璃态后，由于聚合物内部结构调整以及温度下降导致的体积收缩受到界面约束而在材料内部产生永久内应力。若内应力超过材料的本体强度或界面粘接强度，就会产生裂缝、脱粘、分层等形式的破坏[1]。

1.2 使用过程中环境温度变化产生的应力

热胀冷缩是材料固有的性能之一。铺装材料与基层材料的性能不同，线胀系数相差较大。因此在环境温度变化时由于2种材料的尺寸变化不同而导致粘接界面会发生变化[2]。由于界面的约束，不可避免会在材料中产生内应力。内应力大小取决于线胀系数的差值以及温度变化幅度。如果这种应力超过了任一材料的强度，就会导致粘接处材料破损或者界面脱层破坏。

2 铺装材料抗开裂能力评价

粘接界面应力影响因素较多，目前还没有合适的方法直接测量界面应力。通过大量的测试试验和建立数学模型进行应力分析，水利水电科学院采用圆环强化开裂试验来评价环氧修补砂浆薄层结构抗裂性[3]。圆环法采用圆环试件，试件内环为混凝土，外环为1 cm厚的环氧砂浆薄层（见图1），a=100 mm，b=160 mm，c=170 mm，轴向厚度B=60 mm。试件养护龄期为28 d 。试验方法是将试件在-20 ℃静置16 h，然后在80 ℃静置8 h，作为一个循环。每个循环都需检查试件的开裂情况，包括环氧砂浆薄层是否开裂、环氧砂浆与混凝土之间是否开裂等。若经10～15循环试件无裂缝，则认为环氧砂浆薄层满足抗开裂要求。

美国ASTM D884标准也提供了一种评价环氧砂浆与粘接混凝土界面抗裂性的方法——热相容性试验方法，通过实验手段直接反映环氧砂浆与基层能否满足使用要求而不致脱落破坏[4]。实验方法是在300 mm×300 mm×75 mm的混凝土上铺装15 mm厚环氧材料，常温固化7 d。以-20 ℃/24 h+常温/24 h为1个循环，如果经过5个循环粘接界面和材料本身无开裂或裂缝产生，则认为这种环氧材料具有较好的抗开裂能力，可用于混凝土桥面铺装。

3 路桥面环氧铺装材料技术要求

路桥面聚合物铺装层主要由环氧粘接剂和单粒径碎石组成。其中树脂类粘接剂与水泥混凝土、集料、钢板等基材粘接性能好，如常温下环氧的粘接强度高达20 MPa以上，可对桥面起到防水、保护等作用。铺装层一般采用薄层技术，单层厚度小于1 mm，但可以通过多层铺装来增加总的厚度。从上世纪70年代开始，相继在桥面上采用甲基丙烯酸树脂、聚酯和环氧树脂混凝土取代原来的沥青混凝土进行铺装应用。1995年美国交通与运输委员会（AASHTO）提出了技术要求《Guide Specifications for Polymer Concrete Bridge Deck Overlays》（AASHTO-AGC-ARTBA Task Force 34），要求用于混凝土桥面铺装的环氧材料性能必须达到表1指标。

对聚合物薄层铺装应用6～19年实例调查表明：上述3种材料中环氧粘接剂使用性能优于其他2种材料，特别是低模量的环氧树脂最合适混凝土薄层铺装，服役寿命长达10～15年甚至更长；开裂和脱层是聚合物薄层铺装的主要破坏形式；所有调查中没有发现抗滑性能不足和耐紫外老化性不佳的问题。因此2007年AASHTO与ASTM标准共同提出了一个新标准，对相关的技术指标及要求作了修改（见表2）。

4 几种常用道路铺装环氧材料介绍

4.1 环氧薄层铺装材料

通过采用聚氨酯、橡胶增韧等方法配制的弹性环氧材料具有韧性好、强度适中、粘接性能好的优点，施工时将环氧树脂胶粘剂涂刷于基面，再撒布高强度集料，待树脂固化后形成一种高韧性、高强度、高抗滑的铺装功能表层[5]。相对于传统的沥青混合料或水泥混凝土铺装结构，低模量弹性环氧树脂铺装结构的厚度通常小于1 cm，因此称之为薄层铺装。这种材料使用寿命长达20年以上，是沥青路面使用寿命的3倍以上，可常温施工，固化速度快，对交通影响小，方便快捷。到一定使用年限后，只需在基层上再涂刷一层即可，因此后期维护非常方便。特别是铺装层整个厚度较小，大大减轻了固定荷载，对大跨度桥梁特别有利。

在上世纪70年代，弹性环氧等聚合物材料在桥面铺装领域的应用在美国发展起来。美国国家公路与运输协会（AASHTO）于1995年发表了聚合物薄铺应用技术规范。目前在美国聚合物薄铺装层在超过40个州的各类桥梁都有应用，包括跨海大桥、公路桥梁、城市高架、FRP桥梁、吊桥、隧道等。美国西卡公司、BASF、DOW公司都有类似的产品。

国内也有单位如武汉理工大学、长沙理工大学等[6，7]单位都进行了此类产品的研发工作，并在一些运行的桥梁上进行了小面积的试验路段施工，但由于目前此产品没有相应的技术规范和设计标准，而且试验路段实际运行时间比较短，长时间的运行效果尚有待观察，因此弹性环氧薄层铺装材料仍处于小面积推广实验阶段。

本文采用增韧剂、橡胶等对环氧树脂进行改性，开发了一种性能优良的JQ-105薄层铺装用弹性环氧铺装材料，其技术性能见表3。它粘接性能和柔韧性好，强度适中，可用于桥梁、路面修补，也可以修补环氧沥青铺装层。

4.2 粘接层环氧材料

典型的钢桥面铺装结构是对钢板进行防锈处理后直接施工沥青混凝土。由于沥青混凝土与钢板性能相差较大，2者结合面会发生脱层。经过试验，在钢板上用弹性环氧材料（见表4）作为粘接层以缓冲2种材料的性能差异，增加铺装材料与桥面板的粘接性能，吸收冲击荷载，减小荷载对粘接界面的影响，使用效果非常好，延长了沥青混凝土铺装层的使用寿命[8]。

参考文献

[1]孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]ACI 503R-93 Use of Epoxy Compounds with Concrete[R].

[3]郝巨涛，黄吴，买淑芳.聚合物砂浆薄层结构圆环强化开裂试验方法的研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2009，7（3）：199-205.

[4]ASTM D884 Thermal Compatibility Between Concrete and an Epoxy-Resin Overlay[S].

[5]李明俊，闫磊.改性环氧树脂薄层铺装在铺面工程中的应用[J].桥隧工程，2013（2）：140-144.

[6]方星，王昌兴，磨炼同，等.薄层环氧铺装材料加速加载试验研究[J].公路，2010（10）：214-219.

[7]赵锋军，李宇峙.钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装材料路用性能试验研究[J].公路，2010（2）：74-78.

[8]樊叶华，王敬民，陈雄飞，等.正交异性钢桥面柔性防水粘接材料应用技术研究[J].交通运输工程与信息学报，2007，5（2）：57-61.