免除锈水性乳液在人行钢桥铺装中的试验研究

王 杰， 周 立， 陈师岐， 陈 诚， 党 静

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400067)

随着城市建设的不断发展，人行钢桥作为一种重要的慢行交通基础设施，越来越多地出现在城市道路系统中[1-6]。近年来，沿江两岸、湿地公园、人行绿道等地已开始大规模采用人行钢桥形式作为连接枢纽为行人提供休闲服务。譬如，成都市锦江绿道、温州瓯江绿道、泰州市靖江小桥港栈桥等慢行系统中均涉及到人行钢桥铺装[7-8]。

人行钢桥铺装施工前，必须采取喷砂除锈或其他措施对钢基面进行表面处置，以达到表面清洁度要求。然而，喷砂除锈工艺费用较高且喷砂作业时易产生粉尘和噪声污染，因此，免除锈防腐涂料的应用具有明显优势。另外，钢桥铺装的防腐层普遍采用油性防腐涂料，包括丙烯酸类、环氧树脂类及改性聚氨酯类。尽管油性防腐涂料因其优异的防腐能力、良好的附着力以及较快的干燥时间等而被广泛应用[9-11]，但其产生的环境污染问题却不容忽视。

随着道面铺装领域对铺装材料环保性要求的不断提高以及人们环保意识的增强，水性防腐涂料逐渐崭露头角并得到研究者认可[12-14]。水性丙烯酸酯防锈乳液是一种独特的弱酸性高分子材料，体系中掺混活性防锈剂，能迅速并充分地渗透到锈蚀区域，并与锈迹发生化学反应，使钢基面的铁锈转化为黑色有机螯合物。同时，随着反应时间的推移，活性防锈剂逐渐水解产生络合阴离子，阴离子与电化学腐蚀阳极产生的金属离子结合，形成致密的黑色保护层并提供屏蔽作用。水性丙烯酸酯防锈涂料在铁轨防腐领域应用广泛，其能否应用于人行钢桥的免除锈防腐以及能否实现良好的层间粘结却少有报道。本文将免除锈防腐与水性技术相结合，采用水性丙烯酸酯防腐涂料，研究人行钢桥的免除锈防腐性能，并对“水性防腐层+防水粘结层+改性聚氨酯铺装层”的铺装组合结构粘结强度进行评价，以期为水性防腐材料在人行钢桥铺装中的推广应用提供试验基础。

1 试验准备

1.1 原材料

试验所用原材料包括水性丙烯酸酯防锈乳液、改性聚氨酯防水粘结材料、改性聚氨酯胶结料、固化剂、弹性橡胶颗粒。其中，水性丙烯酸酯防锈乳液由成都某公司提供，其余原材料均为工业级。

1.2 试件制备

1) 防腐试件制备：以9 cm×9 cm锈蚀钢板作为基面，并清扫基面灰层。称取一定量水性丙烯酸酯乳液并均匀涂布于锈蚀钢板上，涂布量为0.1 kg/m2～0.2 kg/m2。依据材料实际干燥状态，水性防腐层需养护至实干，即防腐层样片底部及膜内均无粘附手指现象。所得防腐层试件用于后续防腐性能评价与层间粘结强度研究。

2) 防水粘结层制备：按比例量取改性聚氨酯防水粘结材料并将其均匀涂布于干燥的水性防腐层上。依据防水层实际干燥状态，防水层需养护至实干，即防水层样片底部及膜内均无粘附手指现象。所得防水层试件用于后续组合结构的制备。

3) 组合结构制备：铺装组合结构为“水性防腐层+防水粘结层+改性聚氨酯铺装层”。按比例称量一定量改性聚氨酯胶结料、固化剂及弹性橡胶颗粒，并将三者混合搅拌均匀，然后将混合料铺筑于干燥的防水粘结层上，养护3 h即得铺装组合结构。所得铺装组合结构用于后续层间粘结强度研究。

1.3 粘结性能测试

依据《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T 3364-02—2019)附录B中的粘结强度试验方法，采用便携式拉拔仪测试防腐层与钢基面的粘结强度，采用万能试验机测试组合结构的层间粘结强度[15]。万能试验机的最大载荷宜采用5 kN或10 kN，金属拉头直径为50 mm，试验时的拉伸速率为10 mm/min。

2 测试及结果

2.1 水性丙烯酸酯乳液的免除锈防腐性能

为研究水性丙烯酸酯乳液的免除锈防腐性能，采用表面观测与拉拔试验，操作步骤如下：1) 直接在锈蚀钢基面上均匀涂布水性丙烯酸酯乳液；2) 分别养护干燥3 h、6 h、9 h；3) 观测试件的表观性质；4) 测试防腐层与基面的粘结强度。试验过程及测试结果如图1、图2所示。

(a) 防腐前

(b) 防腐后图1 钢基面免除锈防腐试件Fig.1 Rust-free and anti-corrosion sample on steel base surface

(a) 第1组

(b) 第2组

(c) 第3组图2 防腐层与基面的粘结强度试验(养护时间=3 h)Fig.2 Bond strength test between anti-corrosion layer and base surface(maintenance time=3 h)

由图1可知，涂布水性丙烯酸酯防锈乳液后，锈蚀钢基面已被镀上一层致密的黑色保护膜，如图1(a)中原红褐色锈迹消失。揭开黑色保护层后，观测到基面原有锈迹已消失，如图1(b)所示，表明水性丙烯酸酯乳液具有免除锈防腐性能。

为评价防腐层对基面的附着力，采用拉拔仪对防腐与钢基面的粘结强度进行检测，试验步骤如下：1) 按1.2节中1)所述方法制备防腐层试件；2) 依据1.3节中的测试方法进行拉拔试验；3) 测试不同点位试件的拉拔强度。

由图2拉拔试验结果可知，水性丙烯酸酯乳液与锈迹发生反应后形成的致密保护层具有一定附着力，其与钢基面的粘结强度可达2.52 MPa。目前，尚无水性防腐材料用于钢桥面防腐领域的相关技术规范，对于仅供行人通行的人行钢桥而言，该粘结强度是否满足要求，仍需进一步试验验证。

2.2 不同养护时间下的粘结性能

为研究不同养护时间下水性防腐层的粘结性能，按1.2节中1)所述方法制备防腐层试件并设置不同养护时间(养护3 h、养护6 h、养护9 h)，在对应养护时间下测试防腐层与钢基面的粘结强度，测试结果如表1所示。

表1 防腐层在不同养护时间下的粘结强度测试结果 MPaTable 1 Bond strength test results of anti-corrosion coating under different maintenance time

由表1可知：在6 h的养护时间内，随着水性防腐层养护时间的延长，其与钢基面的粘结强度逐渐增大；养护3 h、6 h、9 h的粘结强度平均值分别为2.18 MPa、3.12 MPa、3.15 MPa；养护6 h后，粘结强度增幅下降，据此判断，水性防腐层养护6 h即可达到其终极粘结强度。

2.3 铺装组合结构的粘结强度研究

为验证以水性防腐层制备的铺装组合结构粘结性能，并评价其能否应用于人行钢桥铺装，以“水性防腐层+防水粘结层+改性聚氨酯铺装层”的结构，按1.2节中1)、2)、3)所述方法制备人行钢桥铺装组合结构，如图3(a)所示，在测试温度为25 ℃工况下，对铺装组合结构的粘结强度进行了测试，如图3(b)所示，测试结果如表2所示。

(a) 铺装组合结构

(b) 拉拔试件图3 铺装组合结构与拉拔试件Fig.3 Pavement composite structure and pull-out test piece

表2 组合结构的粘结强度测试结果Table 2 Bond strength test results of composite structure

由图3(b)可知，拉拔试件的脱落情况为正常脱落，脱落面出现于防水粘结层与改性聚氨酯混合料层之间，黑色防腐层未出现拉裂情况。从表2可知，铺装组合结构的粘结强度值均大于1.0 MPa，平均值为1.20 MPa。参考《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T 3364-02—2019)中对浇注式沥青铺装组合结构粘结强度的规定可知：水性防腐层制备的人行钢桥铺装组合结构粘结强度值(1.20 MPa)高于该规范中的设计指标值(1.0 MPa)。笔者认为：与行车道规定的值相比，人行钢桥铺装仅供人行，其铺装组合结构的粘结强度已满足使用要求。因此，以水性防腐层为基体制备的人行钢桥铺装组合结构具备应用可行性。

3 结论

通过将水性丙烯酸酯乳液用于钢基面防腐，并考察其防腐效果、层间粘结强度与养护时间的关系以及铺装组合结构的粘结强度，得出以下结论：

1) 掺混活性防锈剂的水性丙烯酸酯乳液可实现人行锈蚀钢基面的免除锈防腐且防腐层与钢基面的粘结强度较高，养护3 h的粘结强度可达2.52 MPa。

2) 随着养护时间的增长，水性防腐层与钢基面的粘结强度呈现先增大后稳定的变化，其中养护6 h的粘结强度为3.12 MPa。

3) 铺装组合结构拉拔试验结果表明，以水性防腐层制备的人行钢桥铺装组合结构的粘结强度满足行人通行要求，该铺装组合结构方案可行。