王 杰， 周 立， 陳師岐， 陳 誠， 黨 靜

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400067)

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，人行鋼橋作為一種重要的慢行交通基礎(chǔ)設(shè)施，越來越多地出現(xiàn)在城市道路系統(tǒng)中[1-6]。近年來，沿江兩岸、濕地公園、人行綠道等地已開始大規(guī)模采用人行鋼橋形式作為連接樞紐為行人提供休閑服務(wù)。譬如，成都市錦江綠道、溫州甌江綠道、泰州市靖江小橋港棧橋等慢行系統(tǒng)中均涉及到人行鋼橋鋪裝[7-8]。

人行鋼橋鋪裝施工前，必須采取噴砂除銹或其他措施對鋼基面進(jìn)行表面處置，以達(dá)到表面清潔度要求。然而，噴砂除銹工藝費(fèi)用較高且噴砂作業(yè)時易產(chǎn)生粉塵和噪聲污染，因此，免除銹防腐涂料的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢。另外，鋼橋鋪裝的防腐層普遍采用油性防腐涂料，包括丙烯酸類、環(huán)氧樹脂類及改性聚氨酯類。盡管油性防腐涂料因其優(yōu)異的防腐能力、良好的附著力以及較快的干燥時間等而被廣泛應(yīng)用[9-11]，但其產(chǎn)生的環(huán)境污染問題卻不容忽視。

隨著道面鋪裝領(lǐng)域?qū)︿佈b材料環(huán)保性要求的不斷提高以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，水性防腐涂料逐漸嶄露頭角并得到研究者認(rèn)可[12-14]。水性丙烯酸酯防銹乳液是一種獨(dú)特的弱酸性高分子材料，體系中摻混活性防銹劑，能迅速并充分地滲透到銹蝕區(qū)域，并與銹跡發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋼基面的鐵銹轉(zhuǎn)化為黑色有機(jī)螯合物。同時，隨著反應(yīng)時間的推移，活性防銹劑逐漸水解產(chǎn)生絡(luò)合陰離子，陰離子與電化學(xué)腐蝕陽極產(chǎn)生的金屬離子結(jié)合，形成致密的黑色保護(hù)層并提供屏蔽作用。水性丙烯酸酯防銹涂料在鐵軌防腐領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其能否應(yīng)用于人行鋼橋的免除銹防腐以及能否實(shí)現(xiàn)良好的層間粘結(jié)卻少有報道。本文將免除銹防腐與水性技術(shù)相結(jié)合，采用水性丙烯酸酯防腐涂料，研究人行鋼橋的免除銹防腐性能，并對“水性防腐層+防水粘結(jié)層+改性聚氨酯鋪裝層”的鋪裝組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行評價，以期為水性防腐材料在人行鋼橋鋪裝中的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料包括水性丙烯酸酯防銹乳液、改性聚氨酯防水粘結(jié)材料、改性聚氨酯膠結(jié)料、固化劑、彈性橡膠顆粒。其中，水性丙烯酸酯防銹乳液由成都某公司提供，其余原材料均為工業(yè)級。

1.2 試件制備

1) 防腐試件制備：以9 cm×9 cm銹蝕鋼板作為基面，并清掃基面灰層。稱取一定量水性丙烯酸酯乳液并均勻涂布于銹蝕鋼板上，涂布量為0.1 kg/m2～0.2 kg/m2。依據(jù)材料實(shí)際干燥狀態(tài)，水性防腐層需養(yǎng)護(hù)至實(shí)干，即防腐層樣片底部及膜內(nèi)均無粘附手指現(xiàn)象。所得防腐層試件用于后續(xù)防腐性能評價與層間粘結(jié)強(qiáng)度研究。

2) 防水粘結(jié)層制備：按比例量取改性聚氨酯防水粘結(jié)材料并將其均勻涂布于干燥的水性防腐層上。依據(jù)防水層實(shí)際干燥狀態(tài)，防水層需養(yǎng)護(hù)至實(shí)干，即防水層樣片底部及膜內(nèi)均無粘附手指現(xiàn)象。所得防水層試件用于后續(xù)組合結(jié)構(gòu)的制備。

3) 組合結(jié)構(gòu)制備：鋪裝組合結(jié)構(gòu)為“水性防腐層+防水粘結(jié)層+改性聚氨酯鋪裝層”。按比例稱量一定量改性聚氨酯膠結(jié)料、固化劑及彈性橡膠顆粒，并將三者混合攪拌均勻，然后將混合料鋪筑于干燥的防水粘結(jié)層上，養(yǎng)護(hù)3 h即得鋪裝組合結(jié)構(gòu)。所得鋪裝組合結(jié)構(gòu)用于后續(xù)層間粘結(jié)強(qiáng)度研究。

1.3 粘結(jié)性能測試

依據(jù)《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)附錄B中的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法，采用便攜式拉拔儀測試防腐層與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試組合結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)強(qiáng)度[15]。萬能試驗(yàn)機(jī)的最大載荷宜采用5 kN或10 kN，金屬拉頭直徑為50 mm，試驗(yàn)時的拉伸速率為10 mm/min。

2 測試及結(jié)果

2.1 水性丙烯酸酯乳液的免除銹防腐性能

為研究水性丙烯酸酯乳液的免除銹防腐性能，采用表面觀測與拉拔試驗(yàn)，操作步驟如下：1) 直接在銹蝕鋼基面上均勻涂布水性丙烯酸酯乳液；2) 分別養(yǎng)護(hù)干燥3 h、6 h、9 h；3) 觀測試件的表觀性質(zhì)；4) 測試防腐層與基面的粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)過程及測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

(a) 防腐前

(b) 防腐后圖1 鋼基面免除銹防腐試件Fig.1 Rust-free and anti-corrosion sample on steel base surface

(a) 第1組

(b) 第2組

(c) 第3組圖2 防腐層與基面的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)(養(yǎng)護(hù)時間=3 h)Fig.2 Bond strength test between anti-corrosion layer and base surface(maintenance time=3 h)

由圖1可知，涂布水性丙烯酸酯防銹乳液后，銹蝕鋼基面已被鍍上一層致密的黑色保護(hù)膜，如圖1(a)中原紅褐色銹跡消失。揭開黑色保護(hù)層后，觀測到基面原有銹跡已消失，如圖1(b)所示，表明水性丙烯酸酯乳液具有免除銹防腐性能。

為評價防腐層對基面的附著力，采用拉拔儀對防腐與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢測，試驗(yàn)步驟如下：1) 按1.2節(jié)中1)所述方法制備防腐層試件；2) 依據(jù)1.3節(jié)中的測試方法進(jìn)行拉拔試驗(yàn)；3) 測試不同點(diǎn)位試件的拉拔強(qiáng)度。

由圖2拉拔試驗(yàn)結(jié)果可知，水性丙烯酸酯乳液與銹跡發(fā)生反應(yīng)后形成的致密保護(hù)層具有一定附著力，其與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)2.52 MPa。目前，尚無水性防腐材料用于鋼橋面防腐領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對于僅供行人通行的人行鋼橋而言，該粘結(jié)強(qiáng)度是否滿足要求，仍需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 不同養(yǎng)護(hù)時間下的粘結(jié)性能

為研究不同養(yǎng)護(hù)時間下水性防腐層的粘結(jié)性能，按1.2節(jié)中1)所述方法制備防腐層試件并設(shè)置不同養(yǎng)護(hù)時間(養(yǎng)護(hù)3 h、養(yǎng)護(hù)6 h、養(yǎng)護(hù)9 h)，在對應(yīng)養(yǎng)護(hù)時間下測試防腐層與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度，測試結(jié)果如表1所示。

表1 防腐層在不同養(yǎng)護(hù)時間下的粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果 MPaTable 1 Bond strength test results of anti-corrosion coating under different maintenance time

由表1可知：在6 h的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，隨著水性防腐層養(yǎng)護(hù)時間的延長，其與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增大；養(yǎng)護(hù)3 h、6 h、9 h的粘結(jié)強(qiáng)度平均值分別為2.18 MPa、3.12 MPa、3.15 MPa；養(yǎng)護(hù)6 h后，粘結(jié)強(qiáng)度增幅下降，據(jù)此判斷，水性防腐層養(yǎng)護(hù)6 h即可達(dá)到其終極粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度研究

為驗(yàn)證以水性防腐層制備的鋪裝組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能，并評價其能否應(yīng)用于人行鋼橋鋪裝，以“水性防腐層+防水粘結(jié)層+改性聚氨酯鋪裝層”的結(jié)構(gòu)，按1.2節(jié)中1)、2)、3)所述方法制備人行鋼橋鋪裝組合結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，在測試溫度為25 ℃工況下，對鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了測試，如圖3(b)所示，測試結(jié)果如表2所示。

(a) 鋪裝組合結(jié)構(gòu)

(b) 拉拔試件圖3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)與拉拔試件Fig.3 Pavement composite structure and pull-out test piece

表2 組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果Table 2 Bond strength test results of composite structure

由圖3(b)可知，拉拔試件的脫落情況為正常脫落，脫落面出現(xiàn)于防水粘結(jié)層與改性聚氨酯混合料層之間，黑色防腐層未出現(xiàn)拉裂情況。從表2可知，鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度值均大于1.0 MPa，平均值為1.20 MPa。參考《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)中對澆注式瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度的規(guī)定可知：水性防腐層制備的人行鋼橋鋪裝組合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度值(1.20 MPa)高于該規(guī)范中的設(shè)計(jì)指標(biāo)值(1.0 MPa)。筆者認(rèn)為：與行車道規(guī)定的值相比，人行鋼橋鋪裝僅供人行，其鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度已滿足使用要求。因此，以水性防腐層為基體制備的人行鋼橋鋪裝組合結(jié)構(gòu)具備應(yīng)用可行性。

3 結(jié)論

通過將水性丙烯酸酯乳液用于鋼基面防腐，并考察其防腐效果、層間粘結(jié)強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間的關(guān)系以及鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度，得出以下結(jié)論：

1) 摻混活性防銹劑的水性丙烯酸酯乳液可實(shí)現(xiàn)人行銹蝕鋼基面的免除銹防腐且防腐層與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度較高，養(yǎng)護(hù)3 h的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)2.52 MPa。

2) 隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長，水性防腐層與鋼基面的粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的變化，其中養(yǎng)護(hù)6 h的粘結(jié)強(qiáng)度為3.12 MPa。

3) 鋪裝組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，以水性防腐層制備的人行鋼橋鋪裝組合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度滿足行人通行要求，該鋪裝組合結(jié)構(gòu)方案可行。