一种钢桥面铺装用柔韧性环氧砂浆及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钢桥面铺装用柔韧性环氧砂浆及其制备方法 (Flexible epoxy mortar for paving steel bridge deck and preparation method thereof ) 是由 雷宗建 武艳萍 周宏云 罗炉 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钢桥面铺装用柔韧性环氧砂浆及其制备方法。所述柔韧性环氧砂浆由砂、水泥和柔韧性环氧树脂组成,砂、水泥、柔韧性环氧树脂组分的质量比为：砂：水泥：柔韧性环氧树脂为850～1100：300～500：550～650。本发明提供的柔韧性环氧砂浆抗压强度和抗折强度均很高,兼具良好的柔韧性能,将其应用于钢桥面铺装结构中,具有良好的钢板追从变形能力,能适应钢桥面板的大挠度变形,保证铺装层结构与钢板的变形协调性,同时还增大了与铺装层界面间的粘结与摩阻力,有效抵抗层间剪切变形,可显著降低传统SMA铺装结构体系的推移、拥包、滑移、车辙等高温稳定性病害的概率,延长钢桥面铺装结构的使用寿命。(The invention discloses flexible epoxy mortar for paving a steel bridge deck and a preparation method thereof. The flexible epoxy mortar is composed of sand, cement and flexible epoxy resin, and the mass ratio of the sand to the cement to the flexible epoxy resin is as follows: sand: cement: the flexible epoxy resin is 850-1100: 300-500: 550 to 650. The flexible epoxy mortar provided by the invention has very high compressive strength and flexural strength, has good flexibility, is applied to a steel bridge deck pavement structure, has good steel plate following deformation capability, can adapt to large-deflection deformation of a steel bridge deck, ensures the deformation compatibility of a pavement layer structure and a steel plate, increases the bonding and frictional resistance between interfaces of the pavement layer, effectively resists shearing deformation between layers, can obviously reduce the probability of high-temperature stability diseases such as pushing, crowding, slipping, rutting and the like of a traditional SMA pavement structure system, and prolongs the service life of the steel bridge deck pavement structure.)
技术领域
本发明涉及交通运输建设领域，具体来说涉及一种钢桥面铺装用柔韧性环氧砂浆及其制备方法。
背景技术
钢桥面铺装层由于复杂多变的自然环境影响以及繁重的交通负荷作用，使用条件复杂严苛，到目前为止，世界各国还没有形成一套成熟且普遍适用的结构形式和设计方法，钢桥面铺装一直是困扰桥梁工作者的一个世界性难题。因钢桥面板与铺装层材料性能有很大不同，因此对铺装层提出了一些特殊要求：铺装层与钢桥面板之间要有足够的剪切强度和粘结强度，铺装层要有良好的钢板变形追从能力、抗车辙能力和高低温稳定性等。我国为了解决大跨径钢桥面铺装的技术难题，投入了大量资金、人力和物力进行钢桥面铺装方面的研究，也尝试了多种铺装结构体系，典型的包括双层EA、双层SMA、GA+SMA、EA+SMA以及UHPC等，但从应用情况来看，钢桥面铺装层破坏情况仍相当严重，很少能够保持10年以上的良好运营，造成了很大的经济损失和不良的社会影响。
其中，双层SMA铺装体系在我国大跨径钢桥面铺装中应用较为广泛，但从桥梁运营情况看，成功的案例却不多，往往桥梁在投入使用3～5年左右，铺装层便发生了推移、开裂、拥包甚至车辙等较为严重的病害，以至于很多大跨径桥梁管养单位宁愿采用成本高昂的环氧沥青混凝土铺装。传统观点认为，钢桥面双层SMA铺装产生车辙、推移等病害，是因为高温下混合料产生了剪切蠕变，即因混合料本身抗剪性能不足引起的。事实上，当层间界面约束力不足时，即使SMA抗剪性能非常好也不足以阻止铺装层在界面间发生滑移病害。
发明内容
本发明针对上述现状，提出了一种钢桥面铺装用柔韧性环氧砂浆、制备方法及其应用。
本发明采用的技术方案如下：
提供一种柔韧性环氧砂浆，由砂、水泥和柔韧性环氧树脂组成，砂、水泥、柔韧性环氧树脂组分的质量比为：砂：水泥：柔韧性环氧树脂为850～1100：300～500：550～650。
按上述方案，所述的柔韧性环氧树脂由A组分和B组分混合而成，A、B组分的质量比为(2.0～2.4)：1，
其中A组分是由以下质量配比的原料组成：
B组分由以下质量配比的原料组成：
固化剂 88％～95％
偶联剂 5％～12％。
按上述方案，A组分中的环氧树脂材料可选自双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、缩水甘油醚树脂以及缩水甘油胺树脂中至少一种。
按上述方案，A组分中的酯类环氧物质可选自环氧油酸丁酯、环氧油酸辛酯以及环氧油酸癸酯中至少一种。
按上述方案，A组分中的增韧剂为橡胶类增韧剂，可选自丁腈橡胶、聚硫橡胶和氯丁橡胶中的至少一种。
按上述方案，A组分中的稀释剂可选自丁醇、二丁酯、乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯以及乙醇中至少一种。
按上述方案，所述的A组分中的防流挂助剂可选自气相二氧化硅、填料滑石粉、乳化蜡以及有机膨润土中至少一种。
按上述方案，所述的B组分中的偶联剂可以是型号为KH550、KH560、KH580以及KH900中的至少一种。
按上述方案，所述的固化剂为是聚酰胺固化剂，优选为聚酰胺651或650聚酰胺固化剂。
按上述方案，所述的水泥为硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5。
按上述方案，进一步地，所述的砂由0.075～2.36mm级配细砂组成，其中细砂的配比如下：0.075～0.15mm砂：0.15～0.3mm砂：0.3～0.6mm砂：0.6～1.18mm砂：1.18～2.36mm砂＝(5～11)：(3～8)：(6～13)：(31～37)：(42～53)。
提供上述柔韧性环氧砂浆的制备方法，制备步骤为：将550～650质量份预混的柔韧性环氧树脂投入到搅拌机中，慢速搅拌1～2min，得到环氧树脂材料，再称取850～1100质量份砂连续倒入以上环氧树脂搅拌机中，搅拌2～5min，最后称取300～500质量份水泥加入搅拌机中，搅拌2～3min后，直至完全搅拌均匀即制得柔韧性环氧砂浆材料。
提供一种基于柔韧性环氧砂浆的铺装钢桥面结构，其为层状复合结构，在钢桥面上从下到上的结构依次为：钢板防腐层、第一环氧粘结层、柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层、第二环氧粘结层和面层，其中：柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层包括上述柔韧性环氧砂浆得到的柔韧性环氧砂浆过渡层和铺设在柔韧性环氧砂浆过渡层中的碎石层。
进一步地，所述的钢板防腐层为环氧富锌漆，环氧富锌漆喷涂或涂刷厚度为60～100μm，形成钢板防腐层，起到防腐、防锈的作用；
进一步地，第一环氧粘结层的环氧粘结剂的涂覆量为0.4～0.6kg/m2，厚度控制在0.5～1.0mm之间，起到粘结、防水、阻锈的三重作用；
进一步地，第一环氧粘结层的环氧粘结剂优选为橡胶增韧改性环氧粘结剂。优选与柔韧性环氧砂浆具有类似组分的环氧粘结剂形成环氧粘结层，更有助于二者牢固粘结。进一步地，柔韧性环氧砂浆过渡层厚度为4～6mm；
进一步地，施工温度高于25℃时，采用的柔韧性环氧砂浆的配比如下：砂：水泥：柔韧性环氧树脂为850～1100：300～500：550～600；施工温度低于15℃时，采用的柔韧性环氧砂浆的配比如下：砂：水泥：环氧树脂为850～1100：300～500：600～650；
施工温度较高，高于25℃时，调控柔韧性环氧砂浆配比为：砂：水泥：柔韧性环氧树脂＝850～1100：300～500：550～600。较高温度下，柔韧性环氧树脂粘度较低、强度形成较快，调控柔韧性环氧砂浆配比为：砂：水泥：环氧树脂＝850～1100：300～500：550～600，可使环氧砂浆在施工允许时间内拌和均匀、流淌平整和自密实并快速形成强度，一方面可避免砂浆料流动性太强导致砂料下沉离析，影响环氧砂浆的均匀性和整体性能，另一方面能减少柔韧性环氧树脂用量，节约工程造价。
施工温度较低，低于15℃时，调控柔韧性环氧砂浆配比为：砂：水泥：柔韧性环氧树脂为850～1100：300～500：600～650。较低温度下，柔韧性环氧树脂粘度较高、强度形成较慢，调控柔韧性环氧砂浆配比为：砂：水泥：环氧树脂为850～1100：300～500：600～650，可增强环氧砂浆的拌和均匀性，提升柔韧性环氧砂浆的整体性能。
进一步地，柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层中的碎石粒径为9.5～13.2mm。适当粒径大小的碎石，即有利于与铺装下层形成受力整体，也可在柔韧性环氧砂浆层中均匀分布和和牢固嵌入，保证砂浆层的粘聚力和和抗剪能力，使其作用得到充分发挥；
优选地，柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层上撒布的碎石为干燥、洁净的玄武岩碎石；
进一步地，碎石的撒布率为70～80％，碎石在柔韧性环氧砂浆初凝过程中撒布；
进一步地，柔韧性环氧砂浆表面的碎石颗粒部分嵌入砂浆内部，部分嵌入面层内部，优选地，1/3～1/2深度的碎石嵌入柔韧性环氧砂浆内部，另一部分碎石嵌入面层内部；
进一步地，第二环氧粘结层的用量为0.4～0.6kg/m2。第二环氧粘结层用的环氧粘结剂选择兼具热塑性和热固性的环氧粘结剂，当面层摊铺时，粘结剂在适宜温度条件下发生二次固化反应，实现面层与柔韧性环氧砂浆过渡层间的有效粘结。第二环氧粘结层的使用能增强柔韧性环氧砂浆过渡层与面层的粘结效果；
进一步地，所述的面层推荐但不限于改性沥青SMA面层，优选为高粘改性沥青SMA面层；
进一步地，所述的面层可为单层铺装结构，也可为多层复合铺装结构；
进一步地，铺装结构的总厚度在60～80mm之间。
提供一种上述基于柔韧性环氧砂浆的铺装钢桥面结构的施工方法，具体施工步骤为：
(1)首先对钢桥面钢板表面进行喷砂除锈；
(2)钢板喷砂除锈完成后，在钢板上形成钢板防腐层；
(3)将柔性环氧粘结剂均匀喷洒在钢板防腐层上；
(4)待钢板上面的环氧粘结剂涂覆完且表干后，得到第一环氧粘结层，将柔韧性环氧砂浆直接摊铺于第一环氧粘结层之上，柔韧性环氧砂浆自密实成型；
(5)柔韧性环氧砂浆初凝过程中撒布碎石，保证碎石部分嵌入柔韧性环氧砂浆内部；
(6)在其上均匀涂覆环氧粘结剂；
(7)最后摊铺面层在高温条件下第二环氧粘结层发生固化反应，实现面层与柔韧性环氧砂浆间的有效粘结。
本发明环氧树脂存在大量的环氧基团，与固化剂聚酰胺固化反应形成的交联固化物交联密度很大，较脆，耐冲击性能很差。橡胶类增韧剂含有活性基团，与开环的环氧树脂发生嵌段反应，固化前相容，固化后分相，形成“海岛结构”，两相界面键合牢固，在提高韧性的同时又不影响材料体系热变形温度，可明显提高砂浆的抗开裂、抗疲劳以及抗冲击性能；酯类环氧物质安全环保、无毒，且含有大量的环氧基和柔性长链结构，与环氧树脂固化完全后在交联网络中引入的“柔性长链段”解决了环氧树脂固化体系脆性大、弹性模量低的难题，可提高其弹性模量和抗弯曲强度，配合加入的稀释剂和防流挂助剂可以使其保持合适的粘度，与砂浆均匀混合，附着强度好，由此协同作用配置得到的柔韧性环氧砂浆的柔韧性好。
进一步提供的基于柔韧性环氧砂浆的铺装钢桥面结构可与钢板协同变形，具有良好的追从变形能力，能够很好的适应钢桥面板的大挠度变形，保证铺装层结构与钢板的变形协调性。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的柔韧性环氧砂浆的抗压强度和抗折强度均很高，兼具良好的柔韧性能，用于钢桥面的铺装具有良好的钢板追从变形能力，能够很好的适应钢桥面板的大挠度变形，保证铺装层结构与钢板的变形协调性。
(2)本发明的柔韧性环氧砂浆通过调整组分配比，砂浆强度形成的速度可控，不同施工温度冬夏施工均可使用。
(3)本发明提供的环氧砂浆级配较细可自密实成型，具有很好的密水效果，可与下层的第一环氧粘结层共同作用，起到更好的防水作用，有效减少桥面钢板受水分或化学物质侵蚀的可能性，可以延长钢桥面板的使用寿命，有效解决钢桥面铺装层出现的推移、开裂等问题。
(4)本发明提供的铺装钢桥面为层状复合结构，在钢桥面上从下到上的结构依次设置钢板防腐层、第一环氧粘结层、柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层、第二环氧粘结层和面层，通过柔韧性环氧砂浆表面的碎石颗粒部分嵌入砂浆内部，部分嵌入面层内部，在两者之间产生“铆钉效应”，形成均匀分布的剪力键，构成良好的抗剪界面，增大界面间的粘结与摩阻力，有效抵抗层间剪切变形，可显著降低传统SMA铺装结构体系的推移、拥包、滑移、车辙等高温稳定性病害的概率，可以延长钢桥面铺装结构的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所应用的钢桥面铺装结构示意图。
图2是本发明的柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层示意图。
图3是本发明所应用的钢桥面铺装施工流程图。
图4是本发明实施例3中的钢桥面铺装结构图。
图中：10 钢桥面板；
20 环氧富锌漆层；
30 第一环氧粘结层；
40 柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层；
41 柔韧性环氧砂浆过渡层；
42 碎石层；
50 第二环氧粘结层；
60 面层；
具体实施方式
为使本发明的目的更加清楚，下面结合具体实施例对本发明做进一步地详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种柔韧性环氧砂浆，其通过如下步骤进行制备：
步骤1、首先按照以下步骤制备柔韧性的环氧树脂材料。
a、将45质量份双酚A型环氧树脂、38质量份环氧油酸丁酯、9质量份丁腈橡胶、6质量份丁醇稀释剂和2质量份的气相二氧化硅放入搅拌机中搅拌均匀，制备得到环氧树脂A组分。
b、将89质量份聚酰胺651和11质量份偶联剂KH560投入到搅拌机中混合均匀，制备得到环氧树脂B组分。
c、将以上制备得到的环氧树脂A、B组分按照2:1质量比加入搅拌机中，慢速搅拌2min，得到环氧树脂材料。
步骤2、制备得到柔韧性环氧树脂后再按照以下步骤制备柔韧性环氧砂浆。
d、称取1000质量份砂连续倒入以上步骤1得到的环氧树脂材料中，搅拌3min，其中细砂的配比如下：0.075-0.15mm砂：0.15-0.3mm砂：0.3-0.6mm砂：0.6-1.18mm砂：1.18-2.36mm＝8：4：8：36：44。
e、称取400质量份的C42.5硅酸盐水泥加入搅拌机中，搅拌2min后，直至完全搅拌均匀即制得柔韧性环氧砂浆材料。
该实施例中施工温度高于25℃，为了保证柔韧性环氧砂浆性能，该柔韧性环氧砂浆中的环氧树脂材料的质量份选取较低质量份，该实施例中的环氧树脂材料选取550质量份，以避免砂浆料流动性太强导致砂料下沉离析，影响环氧砂浆的均匀性和整体性能。
实施例2：
本实施例提供一种柔韧性环氧砂浆，其制备方法与实施例1所不同的是：由于施工温度低于15℃，为了降低柔韧性环氧树脂粘度过大对拌和均匀性的影响，该柔韧性环氧砂浆中的环氧树脂材料的质量份选取较高质量份，该实施例中的环氧树脂材料选取650质量份，以增强环氧砂浆的拌和均匀性，提升柔韧性环氧砂浆的整体性能。
实施例3：本实施例提供一种柔韧性环氧砂浆，其制备方法与实施例1所不同的是：环氧砂浆中的柔韧性环氧树脂材料配比不同。
柔韧性环氧树脂材料的制备步骤如下：
a、将50质量份双酚A型环氧树脂、33质量份环氧油酸辛酯、9质量份丁腈橡胶、6质量份丁醇稀释剂和2质量份的气相二氧化硅放入搅拌机中搅拌均匀，制备得到环氧树脂A组分。
b、将93质量份聚酰胺651和7质量份偶联剂KH560投入到搅拌机中混合均匀，制备得到环氧树脂B组分。
c、将以上制备得到的环氧树脂A、B组分按照2:1质量比加入搅拌机中，慢速搅拌2min，得到环氧树脂材料。
实施例4：本实施例提供一种柔韧性环氧砂浆，其制备方法与实施例3所不同的是：环氧砂浆中的柔韧性环氧树脂材料配比不同。
柔韧性环氧树脂材料的制备步骤如下：
a、将50质量份双酚A型环氧树脂、33质量份环氧油酸癸酯、9质量份聚硫橡胶、6质量份丁醇稀释剂和2质量份的气相二氧化硅放入搅拌机中搅拌均匀，制备得到环氧树脂A组分。
b、将60质量份聚酰胺651、33质量份聚酰胺650和7质量份偶联剂KH560投入到搅拌机中混合均匀，制备得到环氧树脂B组分。
c、将以上制备得到的环氧树脂A、B组分按照2.2:1质量比加入搅拌机中，慢速搅拌2min，得到环氧树脂材料。
将实施例1～实施例4中制备的环氧砂浆进行相关性能测试，测试结果如下表1所示。
表1实施例中柔韧性环氧砂浆性能测试结果
从测试数据可以看出：本发明中的柔韧性环氧砂浆跟普通环氧砂浆相比，在不同的施工温度条件下，抗压强度和抗折强度均明显提高，不同温度条件下的弯曲应变均提高了2倍以上，说明本发明中的环氧砂浆柔韧性良好，与钢板之间的变形协调能力更强。同时，该柔韧性环氧砂浆的孔隙率很小，几乎是密实的，兼具优良的防水性能。
实施例5
基于柔韧性环氧砂浆的一种钢桥面铺装结构，如图1所示，该铺装结构为层状复合结构，包括铺设于喷砂除锈后的钢桥面板10上面的环氧富锌漆层(钢板防腐层)20、第一环氧粘结层30，柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层40，第二环氧粘结层50以及面层60。其中柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层40包括柔韧性环氧砂浆过渡层41和碎石层42，如图2所示。
具体施工操作步骤如以下实施例所示。
在本实施例中，钢桥面铺装结构总厚度为75mm，钢桥面铺装施工流程图如图3所示，铺装结构图如图4所示，其具体施工操作步骤如下：
(1)首先对钢板表面进行喷砂除锈，钢桥面板清洁度达到Sa 3.0级，粗糙度为40～80μm。
(2)钢板喷砂除锈完成后，用小型喷洒机在钢板上均匀喷涂或涂刷厚度为60-100μm的环氧富锌漆，形成钢板防腐层，起到防腐、防锈的作用。
(3)待环氧富锌漆实干后，用小型喷洒机按照0.5Kg/m2的涂覆量将柔性环氧粘结剂均匀喷洒在环氧富锌漆上，柔性环氧粘结剂可选自国都化工(昆山)有限公司生产的牌号为KR-692橡胶改性的环氧树脂材料、络合高新材料有限公司生产的EPP-175橡胶改性的环氧树脂材料中的一种。
(4)待钢板上面的环氧粘结剂涂覆完且表干后，得到第一环氧粘结层，将实施例1的柔韧性环氧砂浆过渡层直接摊铺于第一环氧粘结层之上，柔韧性环氧砂浆自密实成型，柔韧性环氧砂浆过渡层的厚度控制在5mm。
(5)柔韧性环氧砂浆初凝过程中，撒布直径范围为9.5-13.2mm碎石，撒布率为70-80％，保证碎石约1/3～1/2深度嵌入柔韧性环氧砂浆内部。
(6)在其上均匀涂覆环氧粘结剂，涂覆量为0.50Kg/m2，此为第二环氧粘结层。
(7)最后摊铺厚度为7cm的面层SMA，在面层SMA的高温条件下第二环氧粘结层发生固化反应，实现面层SMA与柔韧性环氧砂浆过渡层间的有效粘结。
将本实施例中采用了柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层的铺装结构与未采用该过渡抗滑层的铺装结构进行对比测试，分别按照《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》JTG/T3364-02-2019中附录B粘结强度试验方法、附录C剪切强度试验方法进行沥青混合料与钢板间的拉拔粘结强度和直接剪切强度测试，结果如下表2所示：
表2本实施例中的铺装结构与传统铺装结构性能测试对比
从以上测试结果可以看出：采用柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层铺装结构后，其与铺装面层的粘结强度提高了1.1倍，铺装层间的剪切强度和该复合结构的抗车辙能力有明显提高，其中与铺装层间的剪切强度提高了2.18倍以上,复合结构的抗车辙能力(车辙动稳定度)提升了1.5倍以上。
对于双层SMA的钢桥面铺装结构，夏季铺装层内部温度可达到70℃以上，高温稳定性不足导致的车辙、推移、拥包等病害是最为常见的病害之一，在采用了柔韧性环氧砂浆过渡抗滑层后，碎石颗粒一部分嵌入砂浆内部，一部分嵌入铺装面层，形成均匀分布的剪力键，产生层间“铆钉效应”，增大界面间的粘结与摩阻力，形成优良的层间抗滑、抗剪界面，提高了层间的抗剪切强度，可显著减少层间剪切破坏发生的几率，同时也阻碍了高温下SMA面层混合料的多维流动变形，显著增强了铺装层的抗车辙能力。
本发明采用自制柔韧性环氧砂浆，将其作为过渡层与薄碎石层按设计铺装结构复合作为防水粘结过渡抗滑层，并配合其他各层获得的钢桥面铺装，一方面，第一环氧粘结层和柔韧性环氧砂浆中所采用的环氧树脂材料和综合性能良好的高粘改性沥青SMA共同组合成为一种柔性铺装结构体系，能够很好的适应钢桥面的大挠度变形且不开裂；另一方面，密实的环氧砂浆起到了更好的防水作用，有效减少桥面钢板受水分或化学物质侵蚀的可能性，可以延长钢桥面板的使用寿命；另一方面，环氧砂浆表面的碎石，优选约1/3～1/2深度嵌入环氧砂浆内部，另一部分嵌入高粘改性SMA混合料内部，以“铆钉效应”形成优良的层间抗滑、抗剪界面，达到防水、粘结、抗剪等多重作用，实现SMA铺装层与钢板间的有效粘结，层间抗剪强度可达到3.5MPa，显著降低传统SMA铺装结构体系的推移、拥包、滑移、车辙等高温稳定性病害的概率，可以延长钢桥面铺装结构的使用寿命，提高行车舒适度，可广泛应用于钢桥面铺装工程中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,凡在本发明的精神和原则之内，利用本发明技术方案的内容所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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