溶剂型防水粘结剂

溶剂型防水粘结剂性能研究及其在桥面铺装中的应用 摘 要: 该文根据国内外相关先进技术和水泥混凝土桥梁的使用环境, 立足于防水和粘 结功能, 开发了专门用于桥面铺装的溶剂型层间防水粘结剂, 并提出了其相应的技术要求。 同时系统研究了溶剂型防水粘结剂的防水性能、与桥面板及沥青混凝土的粘结性能及剪切性 能, 通过安(宁)-楚(雄)高速公路桥面防水工程的实施, 研究了其施工工艺, 为我国今后的桥 面防水技术提供了一条新思路。 关键词:桥面铺装;防水层;粘结剂 1 前言 随着我国高速公路的快速修建, 不可避免地要修 筑诸多桥梁,特别是在云南、四川及贵州等多山地区。

桥面铺装与一般路面使用条件的差异导致其使用性能 要求也有许多不同。由于我国目前在桥梁防水层方面 的研究较少,没有取得打破性进展 ,防水材料性能指标 参差不齐 ,但总体性能较差,导致桥面铺装出现较大面 积的推移和脱层等病害。究其原因, 主要是一些业主 和施工单位对防水层的认识不够, 只强调防水层应具 备防水性能,而忽视其还应具备与水泥混泥土基层及 沥青混凝土面层的粘结性能 ,或者将粘结强度指标定 得过低,并且往往未考虑高温时的粘结和剪切性能。 鉴于此,重庆交通科研设计院与重庆市智翔铺道技术 工程有限公司通过综合调研, 从材料开发、性能研究入 手,开发了桥面专项使用的溶剂型防水粘结剂,并提出了相 应的技术要求。

2 材料简介及作用机理 2 .1 材料简介 溶剂型粘结剂是根据相似相溶的原理和性能互补 的原则,将沥青与多种***树脂及助剂经特殊工艺溶解于特定的溶剂中, 而形成的一种单组分桥面防水 材料 。它不仅防水性好, 渗透力强 ,而且与水泥混凝土 基层及沥青混凝土的粘结强度明显优于国内现有的桥 面防水材料。 2 .2 作用机理 溶剂型粘结剂具有粘度低 、渗透力强的特点, 当它 涂布于水泥混凝土桥面上时 ,就会渗透到桥面的微裂 缝内部,形成致密的网状结构 ,从而达到防水和与水泥 混凝土粘结的目的;当热拌沥青混凝土摊铺于溶剂型 粘结剂表面时, 防水膜部分熔化,与沥青混凝土混为一 体,从而实现了桥面与沥青铺装层之间的有效粘结 。 3 性能研究 3 .1 粘度测试 本研究中, 桥面防水材料渗透性能用粘度大小来 评价 。粘度小, 渗透力强 ,反之渗透力弱 。通过对比试 验,分别测试了改性乳化沥青与溶剂型粘结剂在常温 下的粘度 ,测试结果列于表 1 。 测试结果表明:在相同试验条件下 ,溶剂型粘结剂 的粘度仅为改性乳化沥青的 1/3 , 说明溶剂型粘结剂 的渗透能力远远大于改性乳化沥青 。

3 .2 防水性能测试 本研究中 ,桥面防水材料防水性能用渗水速度来表 1 改性乳化沥青与溶剂型粘结剂的粘度测试结果 s 试件编号 溶剂型粘结剂 改性乳化沥青 1 16.6 49 .2 2 16 .2 49 .3 3 16 .1 49 .7 4 16 .8 49 .5 5 16 .0 49 .1 平均值 16 .3 49 .4 注:采用涂氏粘度计进行测试;试验温度 20 ℃ 评价 ,渗水速度用渗水仪测定 。渗水速度小, 防水效果 好;反之, 防水效果差 。 同样通过对比试验, 分别测试了空白水泥混凝土、 改性乳化沥青、热沥青及溶剂型粘结剂在常温下的渗 水速度,测试结果列于表 2 。 表 2 几种桥面防水粘结剂防水性能测试结果 试件类型 水压力 / mBAR 渗水速度 /m L· s -1 备注 空白水泥混凝土 504 1.47 ×10 -5 C30 , 1 cm 厚 空白水泥混凝土 一层溶剂型粘结剂 502 2.44 ×10 -9 溶剂型粘结剂 用量为 0 .20 kg/ m2 空白水泥混凝土 两层溶剂型粘结剂 508 0 溶剂型粘结剂 用量为 0 .37 kg/ m2 空白水泥混凝土 三层溶剂型粘结剂 503 0 溶剂型粘结剂 用量为 0 .50 kg/ m2 空白水泥混凝土 一层改性乳化沥青 509 3.68 ×10 -8 改性乳化沥青 用量为 0 .40 kg/ m2 空白水泥混凝土 一层热沥青 507 4.75 ×10 -7 热沥青 用量为 0 .41 kg/ m2 以上测试结果表明 , 空白水泥混凝土具有较强的 透水性,涂刷溶剂型粘结剂及沥青之后的透水性得到 了明显减弱,但溶剂型粘结剂的效果较好,乳化沥青次 之,热拌沥青较差。 3 .3 粘结强度测试 桥面防水材料对桥面板的附着力用粘结强度来评 价。粘结强度通过测试拉拔力计算得出 ,拉拔强度 Ψ =P/S , S =πD 2 /4 。其中 P 表示拉拔力, S 表示有效 拉拔面积 , D 表示拉头的直径(50 mm)。

粘结强度小, 附着力小 ;反之 ,附着力大。通过对比试验 , 测试了不 同厚度的溶剂型粘结剂及改性乳化沥青 、热沥青与水 泥混凝土之间的粘结强度 ,测试结果列于表 3 。 试验结果表明, 溶剂型粘结剂与水泥混凝土的“粘 结强度”和溶剂型粘结剂的用量有关 , 随着用量加大, “粘结强度”降低 ;热沥青和乳化沥青与水泥混凝土的 粘结强度均较低 。因为随着用量的加大 ,滞留在膜内的少量溶剂尚未挥发干净 ,膜自身的较大内聚强度还 未形成,故试件的破坏位置会发生于膜内部, 由此计算 出非溶剂型粘结剂与水泥混凝土桥面之间的界面处的 粘结强度 ,并不能真实反映溶剂型粘结剂在水泥混凝 土上的附着力, 而是反映溶剂型粘结剂自身的抗拉强 度(内聚强度), 而溶剂型粘结剂与水泥混凝土桥面的 附着力要大于此处的粘结强度 。改性乳化沥青虽然对 水泥混凝土的渗透性较好 ,但由于自身强度太低, 故粘 结强度较低;而热沥青对水泥混凝土的渗透性较差 ,界 面结合不够紧密 ,故粘结强度较低 。 3 .4 组合结构剪切强度测试 桥面铺装防水层的使用效果是一个综合性指标, 既包括防水层与水泥混凝土的粘结性能 , 也包括防水 层的防水性能及其与铺装层沥青混凝土的粘结性能和 剪切性能 。

特别是高温下组合结构的剪切性能指标非 常重要,高温剪切性能的优劣直接关系到桥面铺装是 否会出现脱层和推移等病害 。剪切强度 τ=F/S , S = πD 2 /4 。其中 F 表示剪应力, S 表示有效剪切面积 , D 表示试件的直径(100 mm)。 本研究中 , 同样通过对比试验 , 研究了组合结构 (空白水泥混凝土 三层溶剂型粘结剂 5 cmAC16 沥青混凝土 、空白水泥混凝土 改性乳化沥青 5 cmAC16 沥青混凝土 、空白水泥混凝土 热沥青 5 cmAC16 沥青混凝土)的常温(25 ℃)和高温(40 ℃)剪 切性能,测试结果列于表 4 和表 5 。 剪切强度的测试结果表明 ,无论是常温或高温 ,三 层溶剂型粘结剂与水泥混凝土及 5 cm AC16 构成的 组合结构的剪切强度明显高于其余两种组合结构的剪 切强度。说明作为桥面防水材料, 溶剂型粘结剂能够 实现桥面与沥青铺装层的有效粘结, 组合结构常温和 高温下的剪切性能优良 , 对于减少甚至避免桥面铺装的层间推移、脱层等病害是非常有利的 。 4 溶剂型粘结剂在云南安(宁)-楚 (雄)路试验工程中的应用 云南安楚高速公路 K93 915 大桥及 K95 815 大桥是两座水泥混凝土桥梁 ,也是溶剂型粘结剂初次 在云南省的试点工程 ,总面积为 6 000 m 2 左右 。云南 省普遍存在桥面铺装层发生推移的现象 , 其原因主要 是铺装层与水泥混凝土基层之间的粘结强度不够, 导 致层间抗剪性能严重不足。

同时, 又考虑到两座大桥 的铺装下层采用的是防水性能并不突出的 AC -25 型 沥青混凝土,为了确保铺装下层与水泥混凝土桥面实 现有效粘结,提高铺装层与桥面的抗剪性能, 并起到良 好的防水效果, 必须适当加大溶剂型粘结剂的用量(厚 度)。整个施工工序分为 3 步进行 : (1)水泥混凝土基层的处理,水泥混凝土桥面状 况较差,表现为 :平整度差 、浮浆较多、油类物质污染严 重等 。进场后首先进行水泥混凝土基层的处理 ,处理 内容包括 :基层浮浆的铲除、油污的清洗和各类灰尘杂 质的清理 。(2)溶剂型粘结剂的凃布。考虑到 K93 915 大 桥桥面状况,溶剂型粘结剂厚度须在 0 .3 mm 左右(量为 0 .5 kg/m 2 左右),由于用量较大, 为了使溶剂充分 挥发 ,将凃布工艺分为 3 次完成, 大致为 :较好次涂布 约0 .25 kg/m 2 , 次约 0 .15 kg/m 2 , 第三次约 0 .10 kg/m 2 。 (3)性能检测 。溶剂型粘结剂施工完 3 d 后进行 了防水性能的测试。通过测定涂布三层溶剂型粘结剂 的桥面的渗水系数来评价其防水性能。测得的渗透系 数为 0 。测试结果表明 ,溶剂型粘结剂的防水性能优 良。由拉拔力与拉头面积计算得出的粘结强度在 0 .8 MPa 左右 ,试验拉头的破坏位置均发生在溶剂型粘结 剂的内部 ,而不是溶剂型粘结剂与水泥混凝土的界面 处,这与室内试验基本吻合。 5 结论 (1)作为桥面铺装的防水层 ,溶剂型粘结剂具有 优良的防水性能 ,当其达到一定厚度时 ,桥面的渗水速 度为 0 。 (2)作为桥面铺装的粘结层 ,溶剂型粘结剂与水 泥混泥土桥面板及沥青混凝土铺装的粘结性能良好, 组合结构具有优良的高温和常温的剪切性能 ,对于防 止桥面铺装的推移、脱层等病害提供了技术保障。 (3)结合安楚公路桥面的实际情况, 选择了较大 用量(0 .5 kg/m 2)的溶剂型粘结剂作为该试验工程的 防水层,确保了桥面铺装良好的综合性能。

　广西谢家峒隧道指出隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。谢家峒隧道施工过程通常包括：在地层内挖出土石，形成符合设计断面的地下空间，进行必要的支护和衬砌，控制隧道围岩的变形，保证谢家峒隧道施工安全和长期安全使用。

　　一、谢家峒隧道施工的特点

　　（一）隐蔽性大

　　尽可能准确地掌握谢家峒隧道工程范围内的岩层性质、岩体强度、完整程度、地应力场、自稳能力、地下水状态、有害气体和地温状况等资料，并要根据这些原始材料，初步选定合适的施工方法，确定相应的谢家峒隧道施工措施和配套的施工机具。

　　（二）作业的循环性强

　　一般的地下结构物都是纵长的，施工是严格地按照一定的顺序循环作业的。如钻爆法开挖就是按照“钻孔—装药—***—通风—出渣”的循环，一步一步地循环开挖，直到较后隧道贯通。这种循环性是地下施工较具特色的一点，也是我们筹备施工的基本原则。类似谢家峒隧道施工过程也是如此过程。

　　（三）作业空间有限

　　地下结构物通常都是在地下一定高层度修筑的，结构物的尺寸受到较大限制，这也就决定了施工空间的几何尺寸和形状，是在有限的空间内进行施工的。特殊情况须要附加开挖竖井、斜井、横洞等辅助工程来增加工作面，加快隧道施工速度，这时，必须要加强测量导线控制，确保各段工程顺利贯通。

　　（四）作业的综合性

　　地下施工由多种作业构成，开挖、支护、出渣运输、通风及除尘、防水及排水、供电、供风、供水等作业缺一不可。这就要求我们必须有良好的施工管理和施工筹备经验，才能使工程有序快速地进行。

　　（五）施工过程是动态的

　　施工过程的力学状态是变化的，围岩的物理力学性质也是变化的。地下结构的力学状态是较为复杂的，其复杂程度直到目前还有许多不清楚的地方。从力学角度看，施工过程就是控制和调整这个力学状态变化的过程，施工技术也就是控制和调整这个力学状态的手段和方法，理解这一点是较为重要的。

　　（六）作业环境差

　　地下施工的作业环境比较差，黑暗、潮湿、粉尘多，在恶劣的地质条件下，还有安全问题。必须采取有效措施加以改善，如人工通风、照明、防尘、消音、隔音、排水等，使施工场地合乎施工卫生条件，并有足够的安全防护措施，以保证施工人员的身体健康，提高劳动生产率。

　　（七）作业的风险性大

　　风险性与隐蔽性是相关联的，施工人员必须经常关注隧道施工的风险性。特别是在不良地质条件下，更要有风险意识和应变意识，应该对掘进工作面顶板岩石的稳定性及时进行安全评价。

　　（八）气候影响小

　　隧道施工可以不受或少受昼夜更替、季节变换、气候变化等自然条件改变的影响，可以竟日终年、稳定地安排施工，但高原冻土地区施工应考虑气候的影响。混凝土在-5℃以下强度会受很大影响。

　　二、隧道施工方法的选择

　　在隧道工程发展的历史上，矿山法一直占居着主要地位，但近一个多世纪以来，又出现了其它的隧道施工方法，并得到了相当程度的发展。隧道施工方法可以归纳为：矿山法、明挖法、盾构法、掘进机法、沉管法、顶进法等。谢家峒隧道也是综合应用多重方法施工的结果。

　　矿山法因较早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼***进行开挖，故又称为钻爆法。有时为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系。

　　施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展， 隧道施工方法可按以下方式分类:隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施(如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施)；隧道穿赿特殊地质地段（如膨胀土、黄土、溶洞、流沙、高地温、瓦斯、冻土地层等）时的施工手段；隧道施工过程中的通风、防尘、风、水、电作业等的方式方法。

　　隧道施工管理：主要解决施工筹备设计（如施工方案的选择、施工技术措施、场地布置、进度控制、材料供应、劳力及机具安排等）和施工中的技术管理、计划管理、质量管理、经济管理、安全管理等问题。

　　隧道施工和工程实践有密切联系，因此应理论与生产实践紧密结合。必须指出，由于地质勘探的局限性和地质条件的复杂性及多变性，隧道施工过程中经常会遇到突然变化的地质条件、意外情况(如塌方、涌水等)，原制定的施工方案、施工技术措施和施工进度计划等也必须随之变更。因此，必须学会结合工程实践经验、掌握综合运用这些知识的能力，以便正确处理隧道施工中遇到的各种实际问题。

　　三、山岭隧道常规施工方法

　　山岭隧道的常规施工方法为矿山法（因较早应用于采矿坑道而得名）。在矿山法施工中，多数要采用钻眼***进行开挖，故又称为钻爆法。

　　矿山法中又分为传统矿山法和新奥法。

　　（一）传统矿山法

　　传统矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌为较好支护的施工方法。木构件支撑目前已经很少使用。钢构件支撑具有较好的耐久性和对隧道形状的适应性等优点，施工中可以不予撤换，也更为安全。 钢构件支撑类似于地上的“荷载－结构”力学体系。它作为一种维持隧道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法被应用于

　　（二）新奥法

　　随着隧道工程理论及施工工艺的不断发展，人们逐渐深刻地认识到隧道是围岩和支护组成的体系，应充分地保护围岩，发挥围岩自身的承载能力，维护围岩的稳定性。隧道设计和施工与隧道的围岩条件密切相关，只有充分掌握隧道的围岩条件，才能有合理的隧道设计与施工。

　　于是20世纪50年代,奥地利学者拉勃塞维兹提出了新奥法的概念,即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是:“New Austrian Tunneling Method”,简写为NATM。

　　新奥法是以既有的隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为支护手段，便于充分发挥围岩的自承能力，通过监测反馈回来的信息对支护参数进行调整，从而更好地控制围岩的变形。这种施工方法经过奥地利、瑞典、意大利等国家大量隧道与地下工程实践和理论研究及科学论证，于20世纪60年代取得专利权并正式命名为新奥法（NATM）。之后新奥法在欧、美和日本等国家隧道与地下工程中获得较为迅速的发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。

　　目前，新奥法已经成为在软弱破碎岩体中修建隧道的一种基本方法，技术经济效益显著。

　　新奥法与传统的矿山法相比，不仅仅是手段上的不同，更重要的是对围岩的认识有了更深刻的理解，并且在支护结构设计理念上与传统矿山法有很大的不同，是人们对隧道及地下工程认识和理解的深化。

　　不能单纯地将新奥法仅仅看成是一种施工方法或是一种支护方法，也不应片面地理解为：仅用锚喷支护就是采用新奥法了，事实上喷锚支护并不能完全表达新奥法的含义。新奥法是既包括隧道工程设计、又包括隧道工程施工，贯穿于隧道工程整个过程的基本指导思想和基本原则。

　　新奥法是应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚喷支护为主要支护手段，能及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩亦成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护结构的测量、监控来及时而正确地指导隧道和地下工程设计施工的方法与基本原则。

　　新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展，新奥法施工在我国推广以来，经过几十年的发展，通过科研、设计、施工三结合，在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等***隧道以及中梁山、二郎山、西山坪、谢家峒隧道等多座公路隧道中，应用新奥法原理及其相应的技术，取得了较大的成就。

　　不可否认，新奥法也存在不少缺点，不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善，在我国的现代化建设进程中发挥更加重要的作用。