D0L:10.13374M.issm1001-053x.2011.s1.037 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 吴迪，张宏超 同济大学道路与交通工程教有部重点实验室，上海201804 ☒通信作者，E-mail:zhanghe@tongji.cu.cn 摘要通过室内斜剪试验评价了聚合物桥面铺装层间抗剪强度，分析了剪切速率、温度以及涂膜厚度对层间抗剪强度的影 响.结果表明：聚合物铺装结构层间抗剪强度值随着剪切速率的增加而呈幂指数上升：层间抗剪强度随温度的上升而下降，试 验组中其值在60℃时达最低，但仍远远高于其他铺装材料；环氧树脂抗剪强度在半对数坐标下相对于温度变化接近线性关 系，其相比沥青类材料受温度影响程度更小：随着树脂膜厚的增加，聚合物铺装结构层间抗剪强度表现为先增高后降低的趋 势，计算得Mark-135的最佳膜厚为0.28mm,Mark-163的最佳膜厚为1.10mm. 关键词路面铺装：聚合物：力学性能：温度敏感性：膜厚 分类号U416.217 Shear properties of epoxy polymer overlays on bridge decks WUDi,ZHANG Hong-chao☒ Key Laboratory of Road and Traffic Engineering Ministry of Education),Tongji University,Shanghai 201804,China Corresponding author,E-mail:zhanghc@tongji.edu.cn ABSTRACT Laboratory shear test was used to evaluate the shear strength of epoxy polymer overlays on cement interfaces and to ana- lyze the influence of factors such as shearing rate,temperature and membrane thickness on the shear strength.The result indicates that the shear strength rises in a power exponent law with the shearing rate increasing,but falls gradually with increasing temperature.In the experiment,the shear strength,when at 60C,reaches its lowest point,but much higher than those of other road bonding materi- als.In a semi-logarithmic coordinate system,the shear strength is less affected by temperature,almost approaching a linear change,in comparison with bituminous materials.The shear strength firstly rises and then falls with increasing membrane thickness.The optimum membrane thickness of Mark-135 is 0.28 mm but 1.10 mm for Mark-163. KEY WORDS pavement overlays:polymers;mechanical properties:temperature sensitivity:membrane thickness 桥面铺装层破坏是高等级公路最为常见的一种层EPO(epoxy polymer overlay)厚度往往在lcm左 病害.传统铺装材料，如沥青混凝土、水泥混凝土材右，而在非机动车道区域厚度甚至可减至0.2~ 料和工艺曾被用于桥面铺装系统，但均过早地出现 0.3cm,能够至少减轻铺装层75%的自重，对于一 脱层、裂缝和坑槽等病害，给公路交通和后期养护带 些本身负重很高的桥梁而言具有特别的意义. 来很大困扰. 现代第一次使用聚合物铺装系统是在1976年， 聚合物桥面铺装由聚合物粘结剂和撒布骨料 美国密歇根州大瀑布市(Grand Rapids)的44路 两部分组成，典型聚合物铺装结构如图1所示.聚 （Route44)上，其铺装结构直到1992年仍保持良好 合物粘结剂具有三维网格状结构，通过大量小分 的工作状态.以往，聚合物铺装系统为人所诟病 子经聚合反应形成：撒布骨料在系统中的主要作 的是柔韧性不足、对环境湿度要求较高、槽糕的冷热 用是提供表面抗滑耐久性.相对于动辄厚度8cm 循环适应性、抗滑能力不足以及较长的养护期.但 以上的沥青混凝土铺装层而言，聚合物桥面铺装 是，随着聚氨酯改性树脂以及高耐磨骨料的引入，现 收稿日期：201109-20 基金项目：上海市国际科技合作基金资助项目(105207709000)
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 吴 迪，张宏超 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804 通信作者，E-mail: zhanghc@ tongji． edu． cn 摘 要 通过室内斜剪试验评价了聚合物桥面铺装层间抗剪强度，分析了剪切速率、温度以及涂膜厚度对层间抗剪强度的影 响． 结果表明: 聚合物铺装结构层间抗剪强度值随着剪切速率的增加而呈幂指数上升; 层间抗剪强度随温度的上升而下降，试 验组中其值在 60 ℃时达最低，但仍远远高于其他铺装材料; 环氧树脂抗剪强度在半对数坐标下相对于温度变化接近线性关 系，其相比沥青类材料受温度影响程度更小; 随着树脂膜厚的增加，聚合物铺装结构层间抗剪强度表现为先增高后降低的趋 势，计算得 Mark--135 的最佳膜厚为 0. 28 mm，Mark--163 的最佳膜厚为 1. 10 mm． 关键词 路面铺装; 聚合物; 力学性能; 温度敏感性; 膜厚 分类号 U416. 217 Shear properties of epoxy polymer overlays on bridge decks WU Di，ZHANG Hong-chao Key Laboratory of Road and Traffic Engineering ( Ministry of Education) ，Tongji University，Shanghai 201804，China Corresponding author，E-mail: zhanghc@ tongji． edu． cn ABSTRACT Laboratory shear test was used to evaluate the shear strength of epoxy polymer overlays on cement interfaces and to analyze the influence of factors such as shearing rate，temperature and membrane thickness on the shear strength． The result indicates that the shear strength rises in a power exponent law with the shearing rate increasing，but falls gradually with increasing temperature． In the experiment，the shear strength，when at 60 ℃，reaches its lowest point，but much higher than those of other road bonding materials． In a semi-logarithmic coordinate system，the shear strength is less affected by temperature，almost approaching a linear change，in comparison with bituminous materials． The shear strength firstly rises and then falls with increasing membrane thickness． The optimum membrane thickness of Mark-135 is 0. 28 mm but 1. 10 mm for Mark-163． KEY WORDS pavement overlays; polymers; mechanical properties; temperature sensitivity; membrane thickness 收稿日期: 2011--09--20 基金项目: 上海市国际科技合作基金资助项目( 105207709000) 桥面铺装层破坏是高等级公路最为常见的一种 病害． 传统铺装材料，如沥青混凝土、水泥混凝土材 料和工艺曾被用于桥面铺装系统，但均过早地出现 脱层、裂缝和坑槽等病害，给公路交通和后期养护带 来很大困扰． 聚合物桥面铺装由聚合物粘结剂和撒布骨料 两部分组成，典型聚合物铺装结构如图 1 所示． 聚 合物粘结剂具有三维网格状结构，通过大量小分 子经聚合反应形成; 撒布骨料在系统中的主要作 用是提供表面抗滑耐久性． 相对于动辄厚度 8 cm 以上的沥青混凝土铺装层而言，聚合物桥面铺装 层 EPO ( epoxy polymer overlay) 厚度往往在 1 cm 左 右，而在非机动车道区域厚度甚至可减至 0. 2 ～ 0. 3 cm，能够至少减轻铺装层 75% 的自重，对于一 些本身负重很高的桥梁而言具有特别的意义． 现代第一次使用聚合物铺装系统是在 1976 年， 美国密歇根州大瀑布市 ( Grand Rapids) 的 44 路 ( Route 44) 上，其铺装结构直到 1992 年仍保持良好 的工作状态［1］． 以往，聚合物铺装系统为人所诟病 的是柔韧性不足、对环境湿度要求较高、糟糕的冷热 循环适应性、抗滑能力不足以及较长的养护期． 但 是，随着聚氨酯改性树脂以及高耐磨骨料的引入，现 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.037
194 北京科技大学学报 第33卷 代聚合物铺装系统已能够克服这些缺陷.目前在美 1 试验系统与方案 国聚合物薄铺装层在超过40个州的各类桥梁都有 应用，例如跨海大桥、公路桥梁、城市高架、FRP桥 1.1材料性质 梁、吊桥和隧道. 聚合物黏结剂的主要选择原则是固化时间短， 美国密苏里州交通署(MOD0T)自1989年就其 低模量，低收缩率以及同钢、水泥和纤维增强聚合物 州内300多座的EP0桥面使用状况进行跟踪调查， (FRP)有良好的黏结力[.本次研究使用的聚合物 发表了一份研究报告.报告中指出约86%的桥面超 黏结剂为某化学公司提供的改性聚氨酯环氧树脂. 过预期10~15a的服务寿命，但也有少数桥面铺装 防水层选用Mark-l35聚合物涂膜防水系统，铺装 结束后的2~3a内即出现了诸如坑洞、裂缝和脱层 层选用Mak-163聚合物黏结系统.主要材料性质 等病害.MODOT研究认为，主要病害原因是由于桥 如表1. 面板破损状况导致的面层与桥面板之间黏结力不 足，并提出了EP0桥面施工前的桥面板检测标 表1改性聚氨酯环氧树脂性能指标检测结果 准.美国国家公路与运输协会(AASHTO)于1995 Table 1 Testing results of epoxy resin 年发布了聚合物桥面铺装施工指导细则，针对聚合 参数 Mark-135 Mark-163 试验方法 物桥面铺装施工工艺、条件、材料以及试件制备等提 颜色 浅绿 琥珀 出了要求[).美国材料与试验协会(ASTM)于2002 黏度/(Pas) 2~2.3 12~16 ASTM-D2393 年发布了详细的“环氧树脂基一水泥混凝土黏结系 25℃凝胶时间/min 分 35 统”的技术标准，根据日交通量和轴载组成，对不同 25℃初凝时间/h 5~6 6 的聚合物黏结剂提出了适用范围和试验方法，并首 25℃固化时间/d 2~7 27 次引入对聚合物铺装系统热适应性的要求.除此 完全固化后性质 之外，没有研究者对聚合物铺装进行深入系统的性 抗拉强度/MPa 21.4-23.4 >17.2 ASTM-D638 能研究，也缺乏铺装层与桥面板之间剪切特性的 延展率1% 35~40 30~40 ASTM -D639 研究. 邵氏硬度，HA 70-75 60-70 ASTM-D2240 欲实现EP0与桥面板的良好黏结，首先需要聚 吸水率/% <0.1 <0.2 ASTM-D570 合物黏结剂对桥面板表面的充分湿润.良好的湿润 抗压强度/MPa 37.9-41.448.3~62.1ASTM-C109 只是必要条件，实现黏接还必须满足充分条件，即聚 合物黏结剂与桥面板之间形成足够的黏接力，并经 Mark-135分为A、B两种组分，A组分为树脂 固化建立起一定的黏接强度.概括而言，黏接作用 基，B组分为硬化剂.使用时A、B组分以体积比2：1 的形成，一是湿润性，二是黏接力，三是能固化 的比例混合均匀使用，呈浅绿色.135树脂作为无溶 桥面铺装因黏结层而产生破坏的原因有两个方面： 剂系统，其初凝前具有较高流动性，主要用于快速填 一是由于黏结强度不足导致铺装层与桥面板脱层； 补水泥混凝土桥面板裂缝、坑洞，形成不透水的树脂 二是由于抗剪强度不能满足汽车行驶产生的剪应力 膜，为后续Mak-163表面磨耗层摊铺提供黏结 的要求，导致剪切推移破坏.本文拟从桥面铺装材 料的抗剪要求出发，通过斜剪试验，对聚合物桥面铺 表面 装层间剪切强度的变化规律进行探讨，以期对未来 Mak-l63同样为A、B两种组分，A组分为树 跟进一步研究聚合物铺装系统起到抛砖引玉的 脂基，B组分为硬化剂.使用时A、B组分以体积比 作用. 2:1的比例混合均匀使用，呈琥珀色.163型树脂在 固结后是100%的固体物质，完全不可渗透，作为黏 碎石 结层混合石料后直接承受车辆荷载及冲击 聚合物铺装层 聚合物防水层 1.2试件制备 桥面板 目前聚合物桥面铺装的典型施工工艺主要有两 图1典型聚合物铺装结构 种：第一种是环氧砂浆法(slurry method).将树脂基 Fig.1 Typical structure of epoxy pavement overlays A和硬化剂B混合之后，加入骨料充分拌和形成环
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 代聚合物铺装系统已能够克服这些缺陷． 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，例如跨海大桥、公路桥梁、城市高架、FRP 桥 梁、吊桥和隧道． 美国密苏里州交通署( MODOT) 自 1989 年就其 州内 300 多座的 EPO 桥面使用状况进行跟踪调查， 发表了一份研究报告． 报告中指出约 86% 的桥面超 过预期 10 ～ 15 a 的服务寿命，但也有少数桥面铺装 结束后的 2 ～ 3 a 内即出现了诸如坑洞、裂缝和脱层 等病害． MODOT 研究认为，主要病害原因是由于桥 面板破损状况导致的面层与桥面板之间黏结力不 足，并提出了 EPO 桥面施工前的桥面板检测标 准［2］． 美国国家公路与运输协会( AASHTO) 于 1995 年发布了聚合物桥面铺装施工指导细则，针对聚合 物桥面铺装施工工艺、条件、材料以及试件制备等提 出了要求［3］． 美国材料与试验协会( ASTM) 于 2002 年发布了详细的“环氧树脂基--水泥混凝土黏结系 统”的技术标准，根据日交通量和轴载组成，对不同 的聚合物黏结剂提出了适用范围和试验方法，并首 次引入对聚合物铺装系统热适应性的要求［4］． 除此 之外，没有研究者对聚合物铺装进行深入系统的性 能研究，也缺乏铺装层与桥面板之间剪切特性的 研究． 欲实现 EPO 与桥面板的良好黏结，首先需要聚 合物黏结剂对桥面板表面的充分湿润． 良好的湿润 只是必要条件，实现黏接还必须满足充分条件，即聚 合物黏结剂与桥面板之间形成足够的黏接力，并经 固化建立起一定的黏接强度． 概括而言，黏接作用 的形成，一是湿润性，二是黏接力，三是能固化［5］． 桥面铺装因黏结层而产生破坏的原因有两个方面: 一是由于黏结强度不足导致铺装层与桥面板脱层; 二是由于抗剪强度不能满足汽车行驶产生的剪应力 的要求，导致剪切推移破坏． 本文拟从桥面铺装材 料的抗剪要求出发，通过斜剪试验，对聚合物桥面铺 装层间剪切强度的变化规律进行探讨，以期对未来 跟进一步研究聚合物铺装系统起到抛砖引玉的 作用． 图 1 典型聚合物铺装结构 Fig． 1 Typical structure of epoxy pavement overlays 1 试验系统与方案 1. 1 材料性质 聚合物黏结剂的主要选择原则是固化时间短， 低模量，低收缩率以及同钢、水泥和纤维增强聚合物 ( FRP) 有良好的黏结力［6］． 本次研究使用的聚合物 黏结剂为某化学公司提供的改性聚氨酯环氧树脂． 防水层选用 Mark--135 聚合物涂膜防水系统，铺装 层选用 Mark--163 聚合物黏结系统． 主要材料性质 如表 1． 表 1 改性聚氨酯环氧树脂性能指标检测结果 Table 1 Testing results of epoxy resin 参数 Mark--135 Mark--163 试验方法 颜色 浅绿 琥珀 黏度/( Pa·s) 2 ～ 2. 3 12 ～ 16 ASTM--D2393 25 ℃凝胶时间/min 50 35 25 ℃初凝时间/h 5 ～ 6 6 25 ℃固化时间/d 2 ～ 7 2 ～ 7 完全固化后性质 抗拉强度/MPa 21. 4 ～ 23. 4 ＞ 17. 2 ASTM--D638 延展率/% 35 ～ 40 30 ～ 40 ASTM － D639 邵氏硬度，HA 70 ～ 75 60 ～ 70 ASTM--D2240 吸水率/% ＜ 0. 1 ＜ 0. 2 ASTM--D570 抗压强度/MPa 37. 9 ～ 41. 4 48. 3 ～ 62. 1 ASTM--C109 Mark--135 分为 A、B 两种组分，A 组分为树脂 基，B 组分为硬化剂． 使用时 A、B 组分以体积比2∶ 1 的比例混合均匀使用，呈浅绿色． 135 树脂作为无溶 剂系统，其初凝前具有较高流动性，主要用于快速填 补水泥混凝土桥面板裂缝、坑洞，形成不透水的树脂 膜，为后续 Mark--163 表面磨耗层摊铺提供黏结 表面． Mark--163 同样为 A、B 两种组分，A 组分为树 脂基，B 组分为硬化剂． 使用时 A、B 组分以体积比 2∶ 1的比例混合均匀使用，呈琥珀色． 163 型树脂在 固结后是 100% 的固体物质，完全不可渗透，作为黏 结层混合石料后直接承受车辆荷载及冲击． 1. 2 试件制备 目前聚合物桥面铺装的典型施工工艺主要有两 种: 第一种是环氧砂浆法( slurry method) ． 将树脂基 A 和硬化剂 B 混合之后，加入骨料充分拌和形成环 ·194·
增刊1 吴迪等：新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 ·195· 氧砂浆.之后，用镘刀或橡皮刮板将砂浆均匀平行 件横截面积. 地铺在桥面板，然后过量撒布骨料直到表面湿点消 具体实验方案为：(1)保持其他试验参数不变 失.经养生(24℃约4h)后，清除多余骨料.第二种 的前提下，变动剪切速率，进行剪切试验，找出聚合 是撒布法(broom-and-seed method),即将A、B配合 物铺装层间抗剪强度随试验剪切速率变化的规律： 好的环氧树脂按一定用量直接涂刷在固化好的防水 (2)在0℃、20℃、40℃和60℃的温度下，研究聚合 黏结层上，再将骨料人工或机器撒布于表面，经养生 物铺装的剪变特性，分析温度变化对层间抗剪强度 后，清除多余的骨料.如有需要可重复进行第二、第 的影响，评价其对于温度变化的敏感性；(3)其他试 三层施工，最后碾压成型. 验参数不变，在一定范围内变化涂膜厚度，通过斜剪 美国马里兰州的Washington Schoolhouse Road 试验，以变动的抗剪强度为依据，确定聚合物桥面铺 Bridge于1997年更换为FRP复合桥面板时，适时的 装涂料的最佳用量 在铺装层中使用聚合物铺装材料，并采用撒布法施 2试验结果与数据分析 工工艺.在后期的养护观测中，未发现裂缝或脱层 等病害，使用状况良好6.2001年，我国广东马房 2.1剪切速率对层间抗剪强度的影响 北汇大桥上亦采用聚合物铺装并用撒布法修建了 试验温度20℃，Mark-135涂膜厚度为0.3mm, 100m的试验段，工后观察亦无明显石料脱落和脱 Mark一l63涂膜厚度为0.5mm,针对聚合物铺装改 层现象).文献[1]表明，撒布法可以产生最佳的 变剪切速率进行斜剪试验，试验结果见表2，数据回 弹塑性和最大的抗压值，并且简便易行、便于操作. 归方程为 因此，本次试验试件制作均采用撒布法(broom-and- Tm=5.667801755,R2=0.9157 (2) seed method成型 表2不同剪切速率下的层间抗剪强度 层间剪切试件尺寸如图2所示，上下两层均为 Table 2 Effect of shear rate on shear strength 预制C45水泥混凝土试件，中间为聚合物铺装层. 剪切速率，V/(mmmin-1)5.010.020.050.0 制作前，首先使用电动角磨机清除水泥混凝土板表 抗剪强度，rm/MPa7.777.9010.0211.21 面浮浆，并用压缩空气吹净表面浮尘.然后在上下 两面均涂刷试验所需厚度的防水黏结层MakA35. 由式(2)可知，聚合物铺装的抗剪强度随着剪 初凝4h后，在防水黏结层上涂抹试验所需厚度的 切速率的增大而增大，且呈幂指数关系增长 聚合物铺装层MakH63,上下扣合紧实，常温养生 2.2温度对层间抗剪强度的影响 7d. 无论哪种桥面铺装涂料，温度升高，都会伴随着 黏结力降低8)，但不同材料对温度敏感性亦有所差 别.在剪切速率50mm/min,Mark一135涂膜厚度为 0.3mm,Mark-163涂膜厚度为0.5mm的试验条件 下，观察温度变化对抗剪强度的影响.试验结果如 表3所示. 表3温度对抗剪强度的彩响 Table 3 Effect of temperature on shear strength 温度/℃ 0 20 40 60 图2斜剪试件制作示意图 抗剪强度，7/MPa13.9411.2110.466.62 Fig.2 Sketch of shear test specimens 由表3可看出，聚合物铺装材料的层间抗剪强 1.3试验方案 度在0℃时最高，随着温度的升高，抗剪强度呈降低 本次试验采用的仪器主要包括带有环境箱的 趋势.参考相关数据)，引入同等试验条件下的常 MTS810试验机、配套电脑数据采集仪和斜剪模具. 用桥面铺装材料随温度变化的抗剪强度数值，与聚 试验剪切角不变，为40° 合物铺装材料对比如图3.由图3可看出，同一温度 试验结果处理采用的计算公式如下： 下，聚合物铺装材料的抗剪强度远远高于其他路用 T=sin40°×F/S (1) 材料. 式中，r为层间抗剪强度，F为试件破坏荷载，S为试 为了更直观地说明温度变化对环氧树脂抗剪强
增刊 1 吴 迪等: 新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 氧砂浆． 之后，用镘刀或橡皮刮板将砂浆均匀平行 地铺在桥面板，然后过量撒布骨料直到表面湿点消 失． 经养生( 24 ℃约 4 h) 后，清除多余骨料． 第二种 是撒布法( broom-and-seed method) ，即将 A、B 配合 好的环氧树脂按一定用量直接涂刷在固化好的防水 黏结层上，再将骨料人工或机器撒布于表面，经养生 后，清除多余的骨料． 如有需要可重复进行第二、第 三层施工，最后碾压成型． 美国马里兰州的 Washington Schoolhouse Road Bridge 于 1997 年更换为 FRP 复合桥面板时，适时的 在铺装层中使用聚合物铺装材料，并采用撒布法施 工工艺． 在后期的养护观测中，未发现裂缝或脱层 等病害，使用状况良好［6］． 2001 年，我国广东马房 北汇大桥上亦采用聚合物铺装并用撒布法修建了 100 m2 的试验段，工后观察亦无明显石料脱落和脱 层现象［7］． 文献［1］表明，撒布法可以产生最佳的 弹塑性和最大的抗压值，并且简便易行、便于操作． 因此，本次试验试件制作均采用撒布法( broom-andseed method) 成型． 层间剪切试件尺寸如图 2 所示，上下两层均为 预制 C45 水泥混凝土试件，中间为聚合物铺装层． 制作前，首先使用电动角磨机清除水泥混凝土板表 面浮浆，并用压缩空气吹净表面浮尘． 然后在上下 两面均涂刷试验所需厚度的防水黏结层 Mark-135． 初凝 4 h 后，在防水黏结层上涂抹试验所需厚度的 聚合物铺装层 Mark-163，上下扣合紧实，常温养生 7 d． 图 2 斜剪试件制作示意图 Fig． 2 Sketch of shear test specimens 1. 3 试验方案 本次试验采用的仪器主要包括带有环境箱的 MTS810 试验机、配套电脑数据采集仪和斜剪模具． 试验剪切角不变，为 40°． 试验结果处理采用的计算公式如下: τ = sin40° × F /S ( 1) 式中，τ 为层间抗剪强度，F 为试件破坏荷载，S 为试 件横截面积． 具体实验方案为: ( 1) 保持其他试验参数不变 的前提下，变动剪切速率，进行剪切试验，找出聚合 物铺装层间抗剪强度随试验剪切速率变化的规律; ( 2) 在 0 ℃、20 ℃、40 ℃和 60 ℃ 的温度下，研究聚合 物铺装的剪变特性，分析温度变化对层间抗剪强度 的影响，评价其对于温度变化的敏感性; ( 3) 其他试 验参数不变，在一定范围内变化涂膜厚度，通过斜剪 试验，以变动的抗剪强度为依据，确定聚合物桥面铺 装涂料的最佳用量． 2 试验结果与数据分析 2. 1 剪切速率对层间抗剪强度的影响 试验温度 20 ℃，Mark--135 涂膜厚度为 0. 3 mm， Mark--163 涂膜厚度为 0. 5 mm，针对聚合物铺装改 变剪切速率进行斜剪试验，试验结果见表 2，数据回 归方程为 τmax = 5. 667 8V0. 175 5 ，R2 = 0. 915 7 ( 2) 表 2 不同剪切速率下的层间抗剪强度 Table 2 Effect of shear rate on shear strength 剪切速率，V /( mm·min － 1 ) 5. 0 10. 0 20. 0 50. 0 抗剪强度，τmax /MPa 7. 77 7. 90 10. 02 11. 21 由式( 2) 可知，聚合物铺装的抗剪强度随着剪 切速率的增大而增大，且呈幂指数关系增长． 2. 2 温度对层间抗剪强度的影响 无论哪种桥面铺装涂料，温度升高，都会伴随着 黏结力降低［8］，但不同材料对温度敏感性亦有所差 别． 在剪切速率 50 mm /min，Mark--135 涂膜厚度为 0. 3 mm，Mark--163 涂膜厚度为 0. 5 mm 的试验条件 下，观察温度变化对抗剪强度的影响． 试验结果如 表 3 所示． 表 3 温度对抗剪强度的影响 Table 3 Effect of temperature on shear strength 温度/℃ 0 20 40 60 抗剪强度，τmax /MPa 13. 94 11. 21 10. 46 6. 62 由表 3 可看出，聚合物铺装材料的层间抗剪强 度在 0 ℃时最高，随着温度的升高，抗剪强度呈降低 趋势． 参考相关数据［9］，引入同等试验条件下的常 用桥面铺装材料随温度变化的抗剪强度数值，与聚 合物铺装材料对比如图 3． 由图 3 可看出，同一温度 下，聚合物铺装材料的抗剪强度远远高于其他路用 材料． 为了更直观地说明温度变化对环氧树脂抗剪强 ·195·
196 北京科技大学学报 第33卷 16r 2.3树脂膜厚对层间抗剪强度的影响 14 在行车荷载的作用下，防水层应具有较大的抗 1208 剪切变形能力和较小的压缩变形，否则将导致防水 层上的铺装层受力状况恶化，缩短其使用寿命田 由于聚合物铺装体系的防水黏结层和铺装层均为涂 6 膜类材料，且整体厚度均不大.涂层太薄，由于桥面 板和铺装层之间的摩擦力较大，抗剪切能力虽然大， 但防水性能得不到保证.涂层太厚，两层之间的受 25 环境温度℃ 力主要由防水层来承担，在高温和行车荷载下，树脂 ■聚合物铺装材料 ■SBS改性乳化沥青 很容易形成滑动层，同样损害桥面的耐久性.因此， ■溶剂型沥青粘结剂 ■某SBS改性热沥青+聚酯玻纤布 可以说涂层的黏结能力和抗剪切能力是建立在一定 ■普通乳化沥青 某防水卷材 ■普通乳化沥青稀浆封层 涂膜厚度基础之上的] 图3不同类型黏结层抗剪强度随温度变化值 保持试验温度20℃、加载速率50mm·min-l不 Fig.3 Effect of temperature on the shear strength of different types of 变，分别采用不同的Mark-135、Mark-163用量， materials 表4、表5为不同Mark一135、Mark-163涂膜厚度下 度的影响，以抗剪强度τ的常对数值gr为纵坐标， 的抗剪强度、层间抗剪强度r随涂膜厚度的增加 试验温度为横坐标，绘制抗剪强度变化曲线，如图4 变化规律如图5、图6所示. 所示.可以看出，环氧树脂抗剪强度在半对数坐标 表4防水黏结层(MARK一135)厚度对抗剪强度的影响(Mark-163 下相对于温度变化接近线性关系，且相关系数达 膜厚为0.5mm) 0.9,以下式表示： Table 4 Effect of Mark-35 thickness on shear strength IgT =aT+B (3) Mark-135涂膜厚度/mm0.00.20.30.40.5 式中，α称为抗剪强度一温度敏感性系数，用以评价 抗剪强度rs/MPa 7.7811.7211.2111.988.99 材料感温性.对沥青类材料而言，α的绝对值越高， 表5树脂辅装层(MARK一163)厚度对抗剪强度的影响(Mak一l35 说明材料越易受温度变化影响.即温度升高，对材 膜厚为0.3mm) 料黏滞性影响大，高温稳定性差.参考相关数 Table 5 Effect of Mark-63 thickness on shear strength 据o,常用基质沥青的1a约为0.4，一定掺量纤维 Mak-163涂膜厚度/mm0.50.71.01.21.52.0 沥青的1α|约为0.35；而由图4可得，环氧树脂的 抗剪强度7/MPa11.2111.5612.2411.7811.068.08 1al仅为0.005，远远小于沥青类材料.这说明相比 常规道路材料，环氧树脂受温度影响程度更小，温度 14 敏感性较低，高温时仍可提供良好的黏结性和稳 12 定性. 10 1.4 1.2 6 1.0 0.8 0.6 3=-0.005x+1.1586 0.4 =0.022 0 0.2 0.4 0.6 Mrk-135膜mm 0.2 图5抗剪强度随防水黏结层(MARK-I35)厚度变化规律 1020 304050 6070 Fig.5 Variation curve of shear strength with Mark-35 thickness 温度： 图4环氧树脂抗剪强度一温度敏感性系数的线性回归 借鉴现场实践经验，当涂膜厚度大于2mm时， Fig.4 Linear regression of the coefficient of shear strength with tem- 涂层太厚，自由树脂较多，容易形成滑动层，不予 perature sensitivity 考虑
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 不同类型黏结层抗剪强度随温度变化值 Fig． 3 Effect of temperature on the shear strength of different types of materials 度的影响，以抗剪强度 τ 的常对数值 lgτ 为纵坐标， 试验温度为横坐标，绘制抗剪强度变化曲线，如图 4 所示． 可以看出，环氧树脂抗剪强度在半对数坐标 下相对于温度变化接近线性关系，且相关系数达 0. 9，以下式表示: lgτ = αT + β ( 3) 式中，α 称为抗剪强度--温度敏感性系数，用以评价 材料感温性． 对沥青类材料而言，α 的绝对值越高， 说明材料越易受温度变化影响． 即温度升高，对材 料黏 滞 性 影 响 大，高 温 稳 定 性 差． 参 考 相 关 数 据［10］，常用基质沥青的| α | 约为 0. 4，一定掺量纤维 沥青的 | α | 约为 0. 35; 而由图 4 可得，环氧树脂的 | α|仅为 0. 005，远远小于沥青类材料． 这说明相比 常规道路材料，环氧树脂受温度影响程度更小，温度 敏感性较低，高温时仍可提供良好的黏结性和稳 定性． 图 4 环氧树脂抗剪强度--温度敏感性系数的线性回归 Fig． 4 Linear regression of the coefficient of shear strength with temperature sensitivity 2. 3 树脂膜厚对层间抗剪强度的影响 在行车荷载的作用下，防水层应具有较大的抗 剪切变形能力和较小的压缩变形，否则将导致防水 层上的铺装层受力状况恶化，缩短其使用寿命［11］． 由于聚合物铺装体系的防水黏结层和铺装层均为涂 膜类材料，且整体厚度均不大． 涂层太薄，由于桥面 板和铺装层之间的摩擦力较大，抗剪切能力虽然大， 但防水性能得不到保证． 涂层太厚，两层之间的受 力主要由防水层来承担，在高温和行车荷载下，树脂 很容易形成滑动层，同样损害桥面的耐久性． 因此， 可以说涂层的黏结能力和抗剪切能力是建立在一定 涂膜厚度基础之上的［12］． 保持试验温度 20 ℃、加载速率 50 mm·min － 1 不 变，分别采用不同的 Mark--135、Mark--163 用 量， 表 4、表 5 为不同 Mark--135、Mark--163 涂膜厚度下 的抗剪强度． 层间抗剪强度 τmax随涂膜厚度的增加 变化规律如图 5、图 6 所示． 表 4 防水黏结层( MARK--135) 厚度对抗剪强度的影响( Mark--163 膜厚为 0. 5 mm) Table 4 Effect of Mark-135 thickness on shear strength Mark--135 涂膜厚度/mm 0. 0 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 抗剪强度 τmax /MPa 7. 78 11. 72 11. 21 11. 98 8. 99 表 5 树脂铺装层( MARK--163) 厚度对抗剪强度的影响 ( Mark--135 膜厚为 0. 3 mm) Table 5 Effect of Mark-163 thickness on shear strength Mark--163 涂膜厚度/mm 0. 5 0. 7 1. 0 1. 2 1. 5 2. 0 抗剪强度 τmax /MPa 11. 21 11. 56 12. 24 11. 78 11. 06 8. 08 图 5 抗剪强度随防水黏结层( MARK--135) 厚度变化规律 Fig． 5 Variation curve of shear strength with Mark-135 thickness 借鉴现场实践经验，当涂膜厚度大于 2 mm 时， 涂层太厚，自由树脂较多，容易形成滑动层，不予 考虑． ·196·
增刊1 吴迪等：新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 ·197· 14 13.94MPa,60℃时抗剪强度达最低值6.62MPa,但 2 仍远远高于其他桥面铺装黏结材料. (3)聚合物铺装层间抗剪强度在半对数坐标下 10 相对于温度变化接近线性关系.环氧树脂的抗剪强 8 度-温度敏感性系数1α1值为0.005，表明其相比沥 6 青类材料受温度影响程度更小，高温时仍可提供良 好的黏结性和稳定性. 2 (4)试验表明，随着树脂涂膜厚度的增加，层间 0.5 1.01.52.0 2.5 抗剪强度表现为先增高后降低的趋势.在室温条件 Mrk-163装学/mm 下测得，Mark-135的最佳膜厚为0.28mm,Mark- 图6抗剪强度随树脂铺装层(MARK-]63)厚度变化规律 163的最佳膜厚为1.10mm.考虑到施工工艺和其 Fig.6 Variation curve of shear strength with Mark-35 thickness 他路用性能要求，推荐Mark一135涂膜厚度在0.2~ 以层间抗剪强度为y值，环氧树脂Mark一l35、 0.4mm之间较为适宜，Mark一l63涂膜厚度应在 Mark-l63用量为x值，对试验数据进行二次多项式 0.5~1.5mm之间. (5)荷载速率、试验温度和涂膜厚度对聚合物 拟合得到最佳膜厚回归方程： 铺装剪切性能均有影响，进一步探讨环境的作用可 Mak-135,y=-53.675x2+29.93x+7.7497, 考虑引入试验湿度、紫外线光照等试验参数.本次 R2=0.9052 (4) 试验提出了计算最佳膜厚的新的思路，但鉴于取得 Mark-163,y=-5.7094x2+12.585x+5.4108, 数据有限，按该试验方法及研究思路，对不同试验条 R2=0.8718 (5) 件下的涂膜厚度可作进一步研究. 由式(4)、(5)计算可得：在Mark-163涂膜厚度 不变的情况下，Mark-135涂膜厚度为0.28mm时， 参考文献 抗剪强度最大；在Mark-135涂膜厚度不变的情况 [1]Pfeifer B A.Kowlaski G.Eraluation of Thin Lift Polymer Bridge 下，Mark-163涂膜厚度为1.10mm时，抗剪强度最 Deck Overlays on 1-57 Bridges at Clifion:ILPRR-32.Illinois Department of Transportation.Bureau of Materials and Physical 大.又由于防水黏结层Mark-l35与铺装层Mark- Rescarch.1999 163是相互独立的系统，结合温度对聚合物铺装层 [2]Harper J.Investigations of Failures of Epoxy Polymer Overlays in 的影响，可认为Mark-l35与Mark-l63分别取最佳 Missouri:R106-020.Missouri Department of Transportation,2007 [3]Guide Specification for Polymer Concrete Bridge Deck Overlays: 膜厚时，整体聚合物铺装系统有最大抗剪强度表现. Task Force 34.American Association of State Highway and Trans- 实际上，根据现有研究成果显示，紧急刹车条件 portation Officials.1995 水平力系数f取0.5的情况下，铺装层层底剪应力 [4]American Society for Testing and Materials.C881/C881M-02 不超过0.4MPa).本文试验结果显示，各涂膜用 Standard Specification for Epoxy-Resin-Base Bonding Systems for 量下聚合物铺装的抗剪强度均满足抵抗层间滑移的 Concrete.West Conshohocken.2002 [5] 要求.尽管如此，考虑到防水、防侵蚀以及与铺装层 Wu L Y.Current situation of abroad development of new epoxy resin adhesives.Adhesion China.2002.23(6):6 黏着磨耗骨料的要求，适当的Mark-l35涂膜厚度 (吴良义.新型环氧树脂胶粘剂在国外的发展现状.粘接， 应在0.2~0.4mm之间，适当的Mark一163涂膜厚度 2002,23(6):6) 应在0.5~1.5mm之间. [6] Stenko M S.Chawalwala A J.Thin polysulfide epoxy bridge deck overlays.Transp Res Rec.2001(1749):64 3结论 [7]Li ZW.Study on performance of skid-resistant material for tunnel overlay.J China Foreign Highuay,2002(6):56 (1)通过剪切试验，得到聚合物铺装结构层层 (李祖伟等，隧道内薄层抗滑层材料性能研究.中外公路， 间抗剪强度随剪切速率和试验温度的变化规律.随 2002(6:56) 着剪切速率的增加，聚合物铺装层间抗剪强度值有 [8]Wang J.Study on the Properties of Bituminous Waterproof Layer on the Concrete Bridge Deck Parement [Dissertation ]Nanjing: 所上升，且呈幂指数关系增长 Southeast University,2004 (2)聚合物铺装结构层层间抗剪强度随试验温 (王涓.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能 度的上升而下降，在0℃时抗剪强度达最大值 研究[学位论文].南京：东南大学，2004)
增刊 1 吴 迪等: 新型聚合物桥面铺装结构层间剪切性能 图 6 抗剪强度随树脂铺装层( MARK--163) 厚度变化规律 Fig． 6 Variation curve of shear strength with Mark-135 thickness 以层间抗剪强度为 y 值，环氧树脂 Mark--135、 Mark--163 用量为 x 值，对试验数据进行二次多项式 拟合得到最佳膜厚回归方程: Mark--135，y = － 53. 675x 2 + 29. 93x + 7. 749 7， R2 = 0. 905 2 ( 4) Mark--163，y = － 5. 709 4x 2 + 12. 585x + 5. 410 8， R2 = 0. 871 8 ( 5) 由式( 4) 、( 5) 计算可得: 在 Mark--163 涂膜厚度 不变的情况下，Mark--135 涂膜厚度为 0. 28 mm 时， 抗剪强度最大; 在 Mark--135 涂膜厚度不变的情况 下，Mark--163 涂膜厚度为 1. 10 mm 时，抗剪强度最 大． 又由于防水黏结层 Mark--135 与铺装层Mark-- 163 是相互独立的系统，结合温度对聚合物铺装层 的影响，可认为 Mark--135 与 Mark--163 分别取最佳 膜厚时，整体聚合物铺装系统有最大抗剪强度表现． 实际上，根据现有研究成果显示，紧急刹车条件 水平力系数 f 取 0. 5 的情况下，铺装层层底剪应力 不超过 0. 4 MPa ［13］． 本文试验结果显示，各涂膜用 量下聚合物铺装的抗剪强度均满足抵抗层间滑移的 要求． 尽管如此，考虑到防水、防侵蚀以及与铺装层 黏着磨耗骨料的要求，适当的 Mark--135 涂膜厚度 应在0. 2 ～ 0. 4 mm 之间，适当的 Mark--163 涂膜厚度 应在 0. 5 ～ 1. 5 mm 之间． 3 结论 ( 1) 通过剪切试验，得到聚合物铺装结构层层 间抗剪强度随剪切速率和试验温度的变化规律． 随 着剪切速率的增加，聚合物铺装层间抗剪强度值有 所上升，且呈幂指数关系增长． ( 2) 聚合物铺装结构层层间抗剪强度随试验温 度的上升而下降，在 0 ℃ 时 抗 剪 强 度 达 最 大 值 13. 94 MPa，60 ℃时抗剪强度达最低值 6. 62 MPa，但 仍远远高于其他桥面铺装黏结材料． ( 3) 聚合物铺装层间抗剪强度在半对数坐标下 相对于温度变化接近线性关系． 环氧树脂的抗剪强 度--温度敏感性系数 | α | 值为 0. 005，表明其相比沥 青类材料受温度影响程度更小，高温时仍可提供良 好的黏结性和稳定性． ( 4) 试验表明，随着树脂涂膜厚度的增加，层间 抗剪强度表现为先增高后降低的趋势． 在室温条件 下测得，Mark--135 的最佳膜厚为 0. 28 mm，Mark-- 163 的最佳膜厚为 1. 10 mm． 考虑到施工工艺和其 他路用性能要求，推荐 Mark--135 涂膜厚度在0. 2 ～ 0. 4 mm 之间较为适宜，Mark--163 涂膜厚度应在 0. 5 ～ 1. 5 mm 之间． ( 5) 荷载速率、试验温度和涂膜厚度对聚合物 铺装剪切性能均有影响，进一步探讨环境的作用可 考虑引入试验湿度、紫外线光照等试验参数． 本次 试验提出了计算最佳膜厚的新的思路，但鉴于取得 数据有限，按该试验方法及研究思路，对不同试验条 件下的涂膜厚度可作进一步研究． 参 考 文 献 ［1］ Pfeifer B A，Kowlaski G． Evaluation of Thin Lift Polymer Bridge Deck Overlays on I-57 Bridges at Clifton: IL-PRR-132． Illinois Department of Transportation，Bureau of Materials and Physical Research，1999 ［2］ Harper J． Investigations of Failures of Epoxy Polymer Overlays in Missouri: RI06-020． Missouri Department of Transportation，2007 ［3］ Guide Specification for Polymer Concrete Bridge Deck Overlays: Task Force 34． American Association of State Highway and Transportation Officials，1995 ［4］ American Society for Testing and Materials． C881 /C881M-02 Standard Specification for Epoxy-Resin-Base Bonding Systems for Concrete． West Conshohocken，2002 ［5］ Wu L Y，Current situation of abroad development of new epoxy resin adhesives． Adhesion China，2002，23( 6) : 6 ( 吴良义． 新型环氧树脂胶粘剂在国外的发展现状． 粘接， 2002，23( 6) : 6) ［6］ Stenko M S，Chawalwala A J． Thin polysulfide epoxy bridge deck overlays． Transp Res Rec，2001( 1749) : 64 ［7］ Li Z W，Study on performance of skid-resistant material for tunnel overlay． J China Foreign Highway，2002( 6) : 56 ( 李祖伟等，隧道内薄层抗滑层材料性能研究． 中外公路， 2002( 6) : 56) ［8］ Wang J． Study on the Properties of Bituminous Water-proof Layer on the Concrete Bridge Deck Pavement ［Dissertation］． Nanjing: Southeast University，2004 ( 王涓． 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能 研究［学位论文］． 南京: 东南大学，2004) ·197·