环氧薄层铺装材料耐候性试验研究

环氧薄层铺装材料耐候性试验研究

王兴昌1,2，王凯3，范瑛1，磨炼同3

(1.湖北工业大学土木工程与建筑学院，武汉 430068； 2.武汉光谷建设投资有限公司，

武汉 430205； 3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点试验室，武汉 430070)

摘要：通过开展室内加速紫外老化试验和冻融试验分析环氧薄层抗滑铺装材料的耐候性。经过模拟9年的紫外老化效果和20次高低温冻融循环后环氧铺装材料仍保持很好的拉拔强度。试验证实了环氧薄层抗滑铺装材料具有良好的抗紫外老化性、温度收缩兼容性和耐候性，不会因为温度变化和紫外老化而产生粘结失效、集料脱落和脱层等严重问题。

关键词：环氧；薄层铺装；紫外老化；冻融

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.017

Abstract:The weathering resistance of thin epoxy overlay materials was investigated by using UV aging test and freezing and thawing test.After subjected to 9-year UV aging effect and 20 freezing and thawing cycles,the overlay still remained good pull-off strength.Test results confirmed that thin epoxy overlay materials have good UV aging resistance,temperature shrinkage compatibility and weathering resistance,which are important to prevent adhesion failure,loss of aggregate and debonding.

收稿日期：2015-02-27.

作者简介：王兴昌(1972-)，高级工程师.E-mail:383727481@qq.com

Experimental Investigation of Weathering Resistance

of Thin Epoxy Overlay Materials

WANGXing-chang1,2,WANGKai3,FANYing1,MOLian-tong3

( 1.School of Civil Engineering and Architecture,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;

2.Wuhan Guanggu Construction and Investment Co,Ltd,Wuhan 430205,China;3.State Key

Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Key words:epoxy;thin overlay;UV aging;freezing and thawing

环氧薄层抗滑铺装材料主要由环氧黏结剂和单级配细骨料组成，摊铺厚度小，能长期保持良好抗滑和防水性能的新型罩面材料，主要用于水泥混凝土桥面修复、彩色路面和钢桥面铺装[1-6]。该铺装材料采用冷涂方法进行施工，即在路面或桥面上先涂上一层环氧胶黏，再撒布耐磨骨料经环氧固化后而成。环氧黏结剂一般由环氧树脂和固化剂混合而成，尽管环氧黏结剂具有优良的耐腐蚀性，同时与很多材料黏结强度高，但其在一定的温度、湿度、紫外光等条件下也会发生腐蚀和降解使其力学性能降低。由于环氧薄层抗滑铺装层厚度(约3～10 mm)比传统的沥青混凝土铺装层(约30～100 mm)小，同时其作为表面层一直暴露在自然环境中，因此所用环氧黏结剂的耐老化性是影响铺装层使用寿命的一大因素。太阳紫外线具有对环氧树脂的降解作用，其原因是环氧树脂中芳香族苯环结构易吸收紫外线而发生氧化反应，变色黄化就是直接的证据，因此有必要对环氧薄层抗滑铺装材料所用的环氧黏结剂进行耐紫外老化试验研究。此外，路面需承受一年四季昼夜温度周期性的变化，温度的变化会引起材料不同程度上的膨胀或收缩变形，由于铺装层与基层材料的热膨胀性能有差异，当层间温度应力过大时可能导致脱层，因此有必要研究环氧薄层铺装材料的抗冻融性能。国内外一些实体工程调查表明环氧薄层铺装材料的主要病害，如表面开裂和脱层与材料耐候性有关，环氧材料低温收缩变形性差和粘结不足是主要原因[3-6]。通过开展室内加速紫外老化试验和冻融试验，分析环氧薄层抗滑铺装材料老化和冻融前后层间拉拔强度变化以检验其耐候性。

1原材料与试验方法

试验原材料主要有改性环氧胶黏剂和耐磨骨料，其中环氧粘结剂不含溶剂、100%固含、固化后模量低、由环氧树脂和固化剂A、B两组分组成，由武汉兴正源路桥复合材料有限公司生产，所用耐磨骨料为玄武岩细集料，粒径在2.36～4.75 mm之间。环氧抗滑薄层材料采用双层施工，铺装层总厚度为7 mm，基层采用钢板，尺寸为长300 mm×宽300 mm×厚12 mm。施工时先对钢板进行表面处理，底涂层环氧胶用量为1.0 L/m2，玄武岩细骨料撒布用量为5.4 kg/m2；固化后回收多余骨料，涂抹第二层环氧胶黏剂，用量为2.0 L/m2，撒布玄武岩细骨料用量为7.6 kg/m2。固化后回收多余骨料，形成双层环氧抗滑铺装层。

紫外老化试验一般可采用在自然环境条件下紫外老化试验和室内加速紫外老化试验。后者一般采用人工方法，在室内或设备内模拟近似于大气环境条件，并强化某些因素如幅照强度，以期在较短时间内获得结果。自然紫外老化需要很长的时间而缺少实用性，室内加速紫外老化所需用时间短，但可能失真，表现为室内加速紫外老化与真正自然紫外老化的缺乏直接的对应关系，更多只能说明一种变化趋势，不能等同地对应比较。本试验采用自制的室内加速紫外光老化试验箱，试验箱主要包括光源和温度控制系统。1)光源：光源采用GHF125W-03反射型黑光高压汞灯，它的外壳采用可阻挡可见光通过，而只透紫外光UV-A的伍得氏玻璃，起到滤光片的作用，能够透过外壳的只有单纯的狭窄的线光谱-365 nm紫外光。由于这种灯具有输出光谱单色性强的特点，因此也被广泛用作光化学试验和荧光分析试验仪器。2)温度控制系统：由于高压汞灯在产生紫外线的同时还产生大量的热量，使试验箱内的温度升高，为保证试验不受环境温度的影响，宜对老化箱内的温度进行控制。本试验设定老化箱内的温度为50 ℃，接近自然老化环境下的老化条件。3)辐照强度的计量：辐照度的测量采用UV-A型紫外辐照计。UV-A型紫外辐照计(环地牌，88量制京字00000176)由北京师范大学光电仪器厂生产，主要技术参数如下：UV365探头对应波长范围λ为320～400 nm，峰值波长λp为365 nm；UV420探头对应波长范围λ为375～475 nm，峰值波长λp为420 nm；辐照度测量范围为0.1 μW/cm2至1.999×105μW/cm2；紫外带外区杂光小于0.02%。

室内加速紫外光老化试验箱的紫外辐照强度与光源距离以及紫外灯强度衰减有关，经紫外辐照计测量，紫外光强度在λp=365 nm为15.5～61 W/m2。环氧薄层铺装材料的老化过程如图1所示，紫外光持续照射5 d。老化前后分别对试样同一位置进行拍照记录，同时采用ZQS6-2000型饰面砖粘结强度检测仪进行拉拔试验(如图2所示)以检验老化对环氧铺装材料的影响。

冻融试验的具体步骤是：首先将试样水浴加热至60 ℃，并保温1 h，然后取出将试样直接放到-18 ℃冰柜中保温7 h，取出后直接放到60 ℃水浴升温中保持1 h。通过冷冻-解冻循环，观察不同循环次数后试样界面粘结区的情况，以此评价抗冻融性能，同时采用20次冻融后的试样进行拉拔试验，试验重点考虑高温条件，即60 ℃和75 ℃，记录下抗拉强度来评价冻融后粘结性能的衰减规律。

2结果与讨论

本次试验的紫外线持续照射为5 d，由紫外光的辐照量由辐照强度的时间积分来计算。本次试验最大的幅照量为2.64×104kJ/m2。结合太阳年幅射总量约为5×104kJ/m2，其中紫外光谱约占地面太阳幅射总量的6%，即按年紫外光辐照量约为3×102kJ/m2计算，本次紫外老化试验至少模拟了近9年的室外太阳光紫外老化效果。为了分析紫外老化的影响，对紫外老化前后试件表面进行了拍照，如图3所示。通过对比分析可知，紫外老化对试件表面影响很小，试件表面没有发生明显的颜色变化或开裂。与此相反，试件的侧面图片对比分析表明紫外老化严重，环氧材料发黄并观察到众多裂纹。上述试验结果表明所采用的紫外老化对环氧胶老化效果显著，但由于试件表面有集料遮挡，紫外线老化并不严重。

为了分析老化对拉拔强度的影响，试验采用了空白试件(未处理标准试件)和老化试件进行对比分析。每组试件做60 ℃和75 ℃两种不同温度环境下的拉拔试验。试验中拉头处采用环氧树脂来粘结，试验时破坏面取决于不同的最薄弱环节。整个试验主要由数显式拉力机仪和与拉拔试验配套的控制架组成，粘结强度为拉力除以粘结面积来确定。

表1为老化前后粘结强度对比分析。老化后环氧铺装材料的粘结强度有明显的下降，如60 ℃和75 ℃时其降幅分别约为40%和30%，这表明了老化对铺装层材料的耐久性可产生很大的影响。温度升高后试样的粘结强度降低，表明了试样的粘结强度对温度的依赖性[6]。由于所用拉拔仪为手摇式加载，加载速度相对于直接拉伸试验慢。直接拉伸试验结果表明在60 ℃时的粘结强度为1.30 MPa，而手摇式拉拔强度为0.782 MPa，证实了实验条件会产生不同的试验结果，因此在现场拉拔强度检测时应注意试验时的温度和加载速度[5]。当温度低或加载快时，拉拔强度偏高，反之则偏小。

表1　老化前后粘结强度对比分析

试验结果表明经过20次冻融循环后，试件表面和界面均未观测到微裂。冻融后纹粘结强度出现了较小的下降，如60 ℃和75 ℃时其降幅分别约为12%和15%，表明环氧铺装材料具有优良的抗冻融性能。图4为紫外老化和冻融对粘结强度的影响对比分析，结果显示紫外老化的影响大于冻融循环，说明了紫外老化对环氧薄层铺装耐久性有很大的影响，在材料选择时应注意抗老化性能的比选。

表2　老化前后粘结强度对比分析

3结语

通过紫外环境箱和冻融试验检验了环氧薄层铺装材料的耐候性。紫外老化和20次冻融循环后环氧铺装材料在高温下还保持很好的拉拔强度。紫外老化模拟试验、冻融试验和拉拔强度试验均证实了所用环氧胶黏剂具有良好的抗紫外老化性、温度收缩兼容性和耐候性，不会因为温度变化和紫外老化而产生粘结失效、集料脱落和脱层的严重问题，但必须指出，室内紫外加速老化很难真实反映自然老化过程，建议与现场实际使用效果相结合，以更好地评价环氧铺装层的耐久性。

参考文献

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