聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

范钟亓^1*，单浩睿¹，王子晗¹，吕欣芃²

（1. 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；2. 中公高科养护科技股份有限公司，北京 100095）

摘要：聚氨酯混合料桥面铺装材料具有优异的综合路用性能，有望解决传统沥青类钢桥面铺装材料在钢桥严苛使用环境下耐久性差、使用寿命短等问题，但目前对与之相匹配的防水粘结层材料的研究还很少。因此，针对 2 种防水粘结层材料（聚氨酯、环氧树脂）进行剪切疲劳试验，以分析温度和应力对防水粘结层剪切疲劳寿命的影响。研究结果表明：在 -10～70 ℃的温度区间内，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命均呈现缓慢—快速—缓慢下降的趋势。在相同应力比和温度下，聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.02～1.40 倍，表明聚氨酯防水粘结层抗剪切破坏能力更强，更适宜作为聚氨酯钢桥面铺装结构的防水粘结层。在不同温度下，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命均随着应力比的增加而下降，且中温区（10～25 ℃）和高温区（50～70 ℃）剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性要显著高于低温区（-10～0 ℃）。

关键词：聚氨酯；钢桥面铺装；防水粘结层；剪切疲劳寿命

引言

在交通基础设施建设中，钢桥因具有造型优美、自重轻、易于装配化施工和便于回收利用等优点，在世界各国桥梁中得到了广泛应用^[1]。钢桥铺装结构的质量与桥面行车的安全性和舒适性密切相关，同时还影响桥梁体系的使用寿命。

沥青混合料常被用作传统桥面铺装材料，但由于其具有高温易软化、低温脆裂等特点，在高温重载耦合作用下，极易出现开裂、推移等早期病害，即便是性能较优的环氧沥青混凝土铺装层，使用寿命也仅 10 年左右，远低于桥梁结构设计使用寿命。聚醚型聚氨酯混凝土是一种由聚氨酯胶粘剂替代沥青与矿料拌和而成的冷拌冷铺桥面铺装材料，其高温稳定性、抗滑性能明显优于环氧沥青混凝土；低温抗裂性能和疲劳寿命优于浇筑式沥青混凝土；抗热氧老化和抗紫外老化能力也远优于 SBS 改性沥青混合料^[2-3]。

防水粘结层作为桥面铺装结构的重要组成部分，一旦粘结失效，铺装层容易产生推移、开裂等病害，进而严重影响桥梁主体结构的安全。通过大量调查分析发现，铺装层未发生破坏或仅出现轻微病害时，其与钢板之间的粘结力就已经丧失了，极大地缩短了钢桥面铺装结构的使用寿命^[4-5]。聚氨酯混合料作为一种新型铺装材料，虽然具有优异的高温稳定性、低温抗裂性、抗热氧老化和抗紫外老化能力^[2-3]，但对与其相匹配的防水粘结层材料的研究较少。因此，有必要选择性能优异的桥面铺装防水粘结层材料与之相匹配，以更大程度地延长钢桥面铺装结构的使用寿命。

此外，严峻的外部环境是导致钢桥面铺装结构在使用初期就出现病害的主要原因。同时，现阶段在进行钢桥面铺装设计时，往往关注材料的极限强度，忽略铺装结构可能产生的疲劳损伤，这也是导致钢桥面铺装结构易出现裂缝、车辙病害的原因之一^[6-7]。因此，亟需研究温度、应力等外部因素对钢桥面铺装防水粘结层疲劳寿命的影响。

基于此，笔者对聚氨酯类钢桥面铺装结构中的防水粘结层最为关键的剪切疲劳性能进行研究，对比聚氨酯和环氧树脂 2 种防水粘结层材料性能，分析温度、应力等外部因素对防水粘结层剪切疲劳寿命的影响规律，以选择最适配聚氨酯类钢桥面铺装结构的防水粘结层材料，从而延长聚氨酯类桥面铺装结构的使用寿命。

1.实验材料

进行剪切试验的复合试件由钢板、防水粘结层、碎石和聚氨酯铺装层组成，详细结构见图 1。

1. 1 聚氨酯铺装层

聚氨酯混合料铺装层由聚氨酯胶粘剂、集料与填料组成，级配为 AC-13 型聚氨酯混合料。

1. 1. 1 聚氨酯胶粘剂

聚氨酯铺装层选用单组分聚醚型聚氨酯胶粘剂。根据 DB 13/T 2852—2018《聚合物混合料桥面铺装施工技术规范》^[8]。对聚氨酯胶粘剂进行检测，试验结果见表 1。

1. 1. 2 集料与填料

粗细集料均选用石灰岩，矿粉也选用石灰岩制作。根据 JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》^[9]对集料和填料进行检测，试验结果见表 2～4。试验材料均满足规范要求。

1. 1. 3 矿料级配和配合比设计

选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层进行研究，级配曲线见图 2。根据JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》^[10]和聚氨酯混合料的性能优势，选用课题组前期研究的基于性能平衡的配合比设计方法^[11-12]。，确定胶石比为 6.9%。根据 DB 11/T 2008—2022《聚醚型聚氨酯混凝土路面铺装设计与施工技术规范》^[13]验证聚氨酯混合料的路用性能，结果见表 5。

1. 2 防水粘结层

为了增加聚氨酯钢桥面铺装结构的剪切疲劳寿命，应选用与之适配的防水粘结层材料。笔者选用聚氨酯和环氧树脂 2 种材料进行分析。

1. 2. 1 聚氨酯

该研究中聚氨酯防水粘结层选用与聚氨酯铺装层相同的聚氨酯胶粘剂。

1. 2. 2 环氧树脂

该研究中第 2 种防水粘结层选用双组分环氧树脂粘结剂 I 型，由 A 组分与 B 组分组成，两组分质量比为 A∶B=1∶1。 根据 JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》^[10]对其进行检测，结果见表 6。

1. 3 层间撒布碎石

为了防止铺装层的施工车辆在防水粘结层上行驶时发生粘轮现象，施工时通常在钢桥面防水粘结层上撒布碎石。该研究中撒布的碎石选用石灰岩，粒径为 2.36～4.75 mm。

2.实验方法

2. 1 剪切疲劳试验

从已有研究^[14-17]中可知，常用的层间剪切疲劳性能试验方法有 4类，分别是直剪疲劳、四点剪切疲劳、斜剪疲劳和双剪切疲劳试验。目前，研究钢桥面防水粘结层剪切疲劳性能使用最多的是直剪疲劳试验，其优点是操作简单、可以只让防水粘结层受力，进而确保试验结果的精准性。因此，笔者选用直剪疲劳试验进行研究。

选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层，钢板选用直径为 100 mm、高度为 40 mm 的 Q235 型圆柱形钢板，以剪切强度试验中抗剪强度最大时的因素组合来设计防水粘结层的涂覆量、碎石撒布量和养生时间。旋转压实成型后的试件直径为 100 mm、高度为 90 mm，其中聚氨酯混合料铺装层的厚度为 50 mm。选用万能材料试验机 UTM-25 中的 Material FatigueTest 程序，以频率为 10 Hz 的正弦波和应力控制模式进行剪切疲劳试验。

2. 2 疲劳试验参数分析

根据课题组前期研究发现，聚氨酯防水粘结层涂覆量为 0.6 kg/m²、碎石撒布量为试件面积的 50%、养生时间为 60 min 时，其抗剪强度最大，为 6.419 MPa；环氧树脂防水粘结层涂覆量为 0.5 kg/m²、碎石撒布量为 50%、养生时间为 90 min 时，其抗剪强度最大，为3.679 MPa。 笔者研究中的防水粘结层涂覆量、碎石撒布量和养生时间均按上述条件设置，将 2 种防水粘结层的最大抗剪强度作为加载应力值，具体参数见表7。

3.实验结果分析

3. 1 温的影响（见图 3）

由图 3 可知，在-10～70 ℃的温度区间内，2 种防水粘结层的温度-剪切疲劳寿命曲线变化趋势相同，即：随着温度的增加，剪切疲劳寿命均逐渐下降。 在-10～0 ℃的温度区间内，剪切疲劳寿命下降趋势较缓；在 0～50 ℃的温度区间内，剪切疲劳寿命显著下降；在 50～70 ℃的温度区间内，剪切疲劳寿命下降趋势变缓。其原因可能是高聚物在发生玻璃化转变时，模量、形变和黏度等物理和力学性质均发生显著变化^[18-19]，且聚氨酯在-54～8.5 ℃的温度区间内发生玻璃化转变，当温度大于 8.5 ℃时聚氨酯表现为高弹态，此时力学性能下降^[20]，所以在 0～50 ℃的温度区间内，聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命显著下降。

将该研究结果与文献^[21]进行对比，发现剪切疲劳寿命随温度变化的趋势不仅受防水粘结层材料的影响，还与铺装层材料有关。有研究者^[22-23]发现，对于沥青铺装层，环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳寿命均在-10～30 ℃的温度区间内缓慢下降，在 30～70 ℃的温度区间内急剧下降，这与上述研究的变化趋势不同。 其原因是在 30～70 ℃的温度区间内，温度达到甚至超过沥青铺装层中沥青的软化点，导致铺装层与环氧树脂防水粘结层之间的粘结力显著下降，因此层间剪切疲劳寿命急剧下降，而笔者研究的是聚氨酯混合料铺装层，在高温区段（50～70 ℃），聚氨酯混合料的高温性能并不会产生太大的变化，因此，尽管防水粘结层同为环氧树脂，但剪切疲劳寿命的变化趋势并不相同。

3. 2 防水粘结层材料的影响

相同应力比和温度下，聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命与环氧树脂防水粘结层剪切疲劳寿命之比见表 8。

由表 8 可知，当应力比和温度相同时，聚氨酯防水粘结层显著优于环氧树脂防水粘结层，其剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.02～1.40倍。其原因是聚氨酯的剪切强度显著高于环氧树脂，在相同应力比下，聚氨酯的加载剪切疲劳应力要显著高于环氧树脂，因此，加载相同的剪切疲劳应力，聚氨酯的剪切疲劳寿命比环氧树脂更高。由此可见，对于聚氨酯混合料钢桥面铺装结构而言，聚氨酯更适宜作为其防水粘结层材料。

3. 3 应力的影响（见图 4）

由图 4 可知，不同温度下，随着应力比的增加，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命均逐渐下降。

不同温度下，2 种防水粘结层剪切疲劳寿命下降百分比见图 5。

由图 5 可知，在-10～10 ℃的温度区间内，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均在 6.4%以下；在 25～70 ℃的温度区间内，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均在 40%以上。该现象说明，在中温区（10～25 ℃）和高温区（50～70 ℃），2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性显著高于低温区（-10～0 ℃）。 在 10～25 ℃的温度区间内，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性均产生了显著变化，原因可能是 2 种材料的玻璃化转变温度处于该温度区间附近，但还须进行微观研究给予验证。

由图 5 还可知，在低温区和中温区，环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均略高于聚氨酯防水粘结层；在高温区，聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比显著高于环氧树脂防水粘结层，但其剪切疲劳寿命仍显著高于环氧树脂防水粘结层。

4. 结论

选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层，聚氨酯胶粘剂和环氧树脂粘结剂作为防水粘结层，成型钢桥面聚氨酯混合料铺装结构，参考沥青混合料的设计要求，采用新的设计方法确定了聚氨酯混合料的胶石比，研究了温度、应力等外部因素对聚氨酯钢桥面铺装结构中防水粘结层的剪切疲劳寿命的影响，得出以下结论：

1）随着温度的升高，2 种防水粘结层的剪切疲劳寿命均呈现缓慢—快速—缓慢下降的趋势。在各个温度区间下，聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命均是环氧树脂防水粘结层的 1 倍以上，说明聚氨酯不易受温度影响，具有更高的剪切疲劳寿命。

2）在相同应力比和温度下，聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命显著高于环氧树脂防水粘结层，其剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.02～1.40倍。由此可见，对于聚氨酯混合料钢桥面铺装结构而言，聚氨酯更适宜作为其防水粘结层材料。

3）不同温度下，2 种防水粘结层剪切疲劳寿命均随应力比的增加而下降，且中温区（10～25 ℃）和高温区（50～70 ℃）剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性显著高于低温区（-10～0 ℃）。对比 2 种防水粘结层，在低温区和中温区，环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均略高于聚氨酯防水粘结层，在高温区，聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比显著高于环氧树脂防水粘结层，但其剪切疲劳寿命仍显著高于环氧树脂防水粘结层。

《市政技术》2024年5月第42卷第5期