环境条件对自制环氧树脂粘结剂性能的影响

刘攀，刘誉贵，郝增恒，2，盛兴跃，李璐

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

防水粘结层能有效将沥青混凝土铺装层与钢桥面板粘结成整体，并起到防水作用[1-2]。目前国内应用较多的防水粘结层材料主要包括甲基丙烯酸甲酯材料、环氧树脂、环氧沥青、改性沥青及溶剂型粘结剂等[3-5]。针对高韧性环氧沥青[6]，开发出一种具有自主知识产权的环氧树脂粘结剂。

在桥梁的实际服役过程中，防水粘结层会长期受到外界环境的影响[7-9]。然而有针对性地对钢桥面防水粘结材料在不同环境条件下性能的研究及评价较少。本文针对自制环氧树脂粘结剂，采用室内实验研究不同环境条件对其粘结性能的影响，以期为其推广和应用提供依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

高韧性环氧沥青混凝土EA10、环氧树脂粘结剂(由主剂和硬化剂两部分组成，其用量比为100∶50，常温表干时间为1～2 d，常温实干时间约为10 d)均为自制；环氧富锌漆，由环氧树脂、锌粉、助剂及聚酰胺树脂调配而成；氯化钠、氢氧化钠、硫酸、无水亚硫酸均为分析纯；去离子水。

WDW-3100微机控制电子万能试验机；YHS-229WG微机控制电子万能试验机；HTF313C电热鼓风干燥箱；HL1303C高低温试验箱；HDSS-II路面渗水仪；BT-60B盐水喷雾试验机；DZ11-2恒温水浴箱等。

1.2 基本性能测试

主要对环氧树脂粘结剂的拉伸性能、高温性能、低温性能、抗渗水性及耐腐蚀性等方面进行实验研究。

1.3 环境条件对粘结性能的影响

目前，桥面铺装防水粘结层材料的粘结性能主要通过拉拔强度和剪切强度来评价。其中，拉拔强度主要表征防水粘结层垂直方向上的粘结性能。本文主要测试环氧树脂粘结剂在不同环境条件下的拉拔强度，并以残留拉拔强度比表征环境条件对其粘结性能的影响。准备若干个喷砂除锈90 mm×90 mm 的钢板，使其洁净度和粗糙度满足Sa2.5的要求。先在钢板上均匀涂布一层环氧富锌漆，再涂布一层环氧树脂粘结剂，随后加铺EA10，养护完毕后钻心，形成一个直径为50 mm的拉拔面，粘结拉拔头(试件见图1)。将试件放置在不同环境条件下，然后在实验温度下保温4 h后进行拉拔实验。

图1 拉拔试件Fig.1 Pull-out specimen

2 结果与讨论

2.1 基本性能实验

2.1.1 力学性能 将环氧树脂粘结剂成型为哑铃形试件(见图2)后进行拉伸实验，实验温度(23±2)℃，拉伸速率200 mm/min。其拉伸强度为3.7 MPa，断裂伸长率达180%以上，这表明环氧树脂粘结剂的力学性能完全满足要求。

图2 哑铃形试件Fig.2 Dumbbell shaped specimen

2.1.2 高温性能 将环氧树脂粘结剂放置于160 ℃ 下30 min或60 min及240 ℃下30 min，观察表面现象，结果见表1。

由表1可知，环氧树脂粘结剂具有十分优异的高温耐热性，均无粘手、起泡、流淌等现象，不仅能适用于环氧沥青铺装体系或SMA铺装体系，还能适用于浇注式沥青铺装体系的高温施工环境。

表1 环氧树脂粘结剂高温性能实验结果Table 1 Results of high temperature performance ofepoxy resin adhesive

2.1.3 低温性能 将环氧树脂粘结剂放置于-20、-10，-5 ℃下2 h，并将试件用金属棒弯曲至180°，观察有无裂纹现象，结果见表2。

表2 环氧树脂粘结剂低温性能实验结果Table 2 Results of low temperature performance ofepoxy resin adhesive

由表2可知，环氧树脂粘结剂的低温柔韧性符合要求。

2.1.4 抗渗水性 将环氧树脂粘结剂均匀涂布在300 mm×300 mm的牛皮纸上，表干后将其平铺在车辙板模具底部，成型混合料后，用路面渗水仪检测30 min后牛皮纸的透水情况，结果见表3。

表3 环氧树脂粘结剂抗渗水性实验结果Table 3 Results of impermeability ofepoxy resin adhesive

由表3可知，环氧树脂粘结剂用量在0.2 kg/m2以下时，牛皮纸出现潮湿，防水效果较差；当其用量达到0.3 kg/m2及以上时，防水效果良好。实际工程中，可根据桥面实际情况及经济效益，综合确定合理的用量，但不应低于0.3 kg/m2。

2.1.5 耐腐蚀性 将环氧树脂粘结剂放置在2%NaCl溶液、2%NaOH溶液及2%H2SO4溶液中7 d，观察表面状况，结果见表4。

表4 环氧树脂粘结剂耐腐蚀性实验结果Table 4 Results of corrosion resistance ofepoxy resin adhesive

由表4可知，环氧树脂粘结剂无论在盐溶液，还是碱溶液或酸溶液，均表现出良好的耐化学腐蚀性。

2.2 不同环境条件影响实验

主要对环氧树脂粘结剂在盐雾环境、酸雾环境、浸水环境、冻融环境、环境温度及放置时间等环境条件下的粘结性能进行实验研究。

2.2.1 盐雾环境 采用氯化钠溶剂配制的盐雾溶液(pH值为6.5～7.2)，在环境箱内通过喷洒盐雾溶液进行盐雾实验[8]。测试盐雾实验前后试件的25 ℃拉拔强度，结果见图3。

图3 盐雾环境对试件粘结性能的影响Fig.3 Effect of salt spray on bonding performance of specimens

由图3可知，随着盐雾实验时间的延长，试件的拉拔强度逐渐下降。盐雾实验10 d后，其拉拔强度为3.71 MPa，残留拉拔强度比为90.3%，表明盐雾环境对其粘结强度并未有明显影响。从拉拔实验破坏现象来看，破坏薄弱面基本没变，处于富锌漆与钢板之间，富锌漆与环氧树脂之间或混合料与拉拔头之间。

2.2.2 酸雾环境 采用氯化钠溶剂和无水亚硫酸溶剂配制的酸雾溶液(pH值为4.5)，在环境箱内通过喷洒酸雾溶液进行酸雾实验[8]。测试酸雾实验前后试件的25 ℃拉拔强度，结果见图4。

图4 酸雾环境对试件粘结性能的影响Fig.4 Effect of acid mist on bonding performance of specimens

由图4可知，酸雾环境对试件粘结性能的影响同盐雾环境是一致的，酸雾实验10 d后，其拉拔强度为3.69 MPa，残留拉拔强度比为88.9%，同样并不显著。从拉拔实验破坏现象来看，破坏薄弱面也基本未变。酸雾实验和盐雾实验进一步说明环氧树脂粘结剂具有良好的耐化学腐蚀性。

2.2.3 浸水环境 将试件分别置于10，25，60 ℃的恒温水浴中浸泡一定时间，测试水浴前后试件的25 ℃拉拔强度，结果见图5。

图5 浸水对试件粘结性能的影响Fig.5 Effect of immersion on bonding performance of specimens

由图5可知，试件浸水后，其拉拔强度呈下降趋势，且浸水时间越长或浸水温度过高、过低，其拉拔强度就越小。10，25，60 ℃下浸水5 d后，试件的残留拉拔强度比分别为89.9%，93.5%和84.4%，依旧保持良好的粘结性能。从拉拔实验破坏现象来看，10 ℃和25 ℃浸水后，破坏薄弱面基本未变，但60 ℃浸水后，破坏薄弱面主要处于富锌漆与钢板之间及富锌漆与环氧树脂之间。整体来看，环氧树脂粘结剂受浸水的影响较小。

2.2.4 冻融环境 在气温较低时，雨水会在桥面铺装层内部冻结，待气温回升后形成冻融，降低防水粘结层的粘结强度。将试件饱水后放入-18 ℃冰箱保持16 h，60 ℃水浴恒定24 h，25 ℃水浴2 h，记为一个冻融循环。测试冻融循环前后试件的25 ℃拉拔强度，结果见图6。

图6 冻融循环对试件粘结性能的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw on bonding performance of specimens

由图6可知，冻融循环对试件的粘结性能有一定影响，冻融循环后，其拉拔强度降低，且冻融循环次数越多，拉拔强度越小。5次冻融循环后，其残留拉拔强度比依然可以达到80%以上。从拉拔实验破坏现象来看，冻融后试件的破坏薄弱面主要处于富锌漆与钢板之间及富锌漆与环氧树脂之间。说明环氧树脂粘结剂能很好地抵御冻融循环对其粘结性能带来的破坏。

2.2.5 环境温度 温度升高，防水粘结材料逐渐变软，温度下降，防水粘结材料逐渐变脆，这都将影响其粘结性能[10]。测试不同环境温度下试件的拉拔强度，结果见图7。

图7 环境温度对试件粘结性能的影响Fig.7 Effect of temperature on bonding performance of specimens

由图7可知，环境温度会显著影响试件的粘结性能，当温度从10 ℃上升至20 ℃时，其拉拔强度略有增大；当温度>30 ℃时，其拉拔强度逐渐下降。60 ℃时试件的拉拔强度降至1.18 MPa，70 ℃时降至0.78 MPa，高温下其残留拉拔强度比仅为30%～40%。从拉拔实验破坏现象来看，10～30 ℃时，试件的破坏薄弱面处于富锌漆与钢板之间、富锌漆与环氧树脂之间或混合料与拉拔头之间；而高温下，试件的破坏薄弱面主要在富锌漆与环氧树脂之间。说明自制环氧树脂粘结剂的粘结性能随着温度的升高而逐渐降低，表现出较明显的感温性。不过即使在70 ℃下，环氧树脂粘结剂的粘结性能仍能满足相关技术要求。

2.2.6 放置时间 将试件放置于户外，模拟防水粘结层在自然条件下受到阳光、温度、空气、降雨等各种环境变化的影响。测试放置不同时间后试件的25 ℃拉拔强度，结果见图8。

图8 放置时间对试件粘结性能的影响Fig.8 Effect of placing time on bonding performance of specimens

由图8可知，随着放置时间的延长，试件的拉拔强度并未出现明显衰减，放置180 d后，其拉拔强度为3.61 MPa，残留拉拔强度比依然高达85%以上。从拉拔实验破坏现象来看，破坏薄弱面同样处于富锌漆与钢板之间、富锌漆与环氧树脂之间或混合料与拉拔头之间。上述结果也从侧面反映出环氧树脂粘结剂具有良好的耐久性。

3 结论

环氧树脂粘结剂具有良好的力学性能、高温性能、低温性能、抗渗水性、耐腐蚀性和粘结性能，其各项性能均满足相关技术要求。常温下环氧树脂粘结剂的拉拔强度可达4.0 MPa以上，表现出十分优异的粘结性能。随着环境温度升高，环氧树脂粘结剂的粘结性能随之下降，当环境温度达到60 ℃以上时，其残留强度比仅为30%～40%。而温度过低同样将影响环氧树脂粘结剂的粘结性能，但并不显著。环氧树脂粘结剂在不同环境条件下(盐雾环境、酸雾环境、浸水环境、冻融环境)均表现出优异的粘结性能。放置时间对环氧树脂粘结剂的粘结性能影响也较小，表现出良好的耐久性。整体而言，不同环境条件下，环氧树脂粘结剂的粘结性能完全能满足钢桥面铺装防水粘结层的使用要求。