不中斷交通橋梁鉸縫加固環(huán)氧樹脂的研究

楊小森 王 暉 張軍林 魏 強(qiáng) 吳來帝

（1甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

我國(guó)早期建設(shè)的橋梁中，空心板橋梁占據(jù)了很大比例。這些橋梁的鉸縫連接處較為薄弱，主要病害表現(xiàn)為滲水嚴(yán)重，并造成梁板混凝土侵蝕嚴(yán)重，最終形成單板受力，危害橋梁安全[1,2]。當(dāng)前針對(duì)空心板梁橋橫向整體性與剛度的加固維修方法有粘貼鋼板加固法、橫向體外預(yù)應(yīng)力加固法、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法和灌漿加固法等[3-7]。其中灌漿加固法具有施工過程方便，施工周期短，對(duì)交通和橋梁原有結(jié)構(gòu)無影響的優(yōu)點(diǎn)，消耗的人力物力少，具有最佳的經(jīng)濟(jì)性[8]。

當(dāng)前處治橋梁鉸縫病害常用的灌漿材料有水泥漿及化學(xué)膠結(jié)材料。采用化學(xué)膠結(jié)材料進(jìn)行灌漿加固，常用的化學(xué)材料有環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯等，這些化學(xué)材料粘結(jié)強(qiáng)度高、粘度低、收縮小，加固效果優(yōu)異[9,10]，是不中斷交通橋梁鉸縫加固的理想材料。

當(dāng)前這類材料存在的主要問題是難以在提供足夠可操作時(shí)間的前提下快速固化，在施工時(shí)容易受到時(shí)間、配比和環(huán)境溫度等因素的影響，對(duì)加固效果產(chǎn)生影響[11,12]，表現(xiàn)為早期強(qiáng)度不高，易受到交通荷載及其他因素的干擾。

本文針對(duì)不中斷交通橋梁鉸縫加固施工的特點(diǎn)，以降低交通荷載及周圍環(huán)境對(duì)加固效果的影響為目標(biāo)，研發(fā)出適用于此類施工的環(huán)氧樹脂類灌縫膠。

1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

環(huán)氧樹脂ER-1及ER-2：弈成新材料科技（上海）有限公司；固化劑：自制；促進(jìn)劑：陶氏化學(xué)；同類型產(chǎn)品：市場(chǎng)在售某橋梁加固用改性環(huán)氧樹脂。

2 試驗(yàn)部分

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》GBT2567-2008中規(guī)定測(cè)定材料在拉伸過程中的拉伸應(yīng)力與彈性模量。

根據(jù)《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法》GB/T7124-2008測(cè)定涂層與底材間附著破壞時(shí)所需的剪切應(yīng)力指標(biāo)。

根據(jù)《膠粘劑對(duì)接接頭拉伸強(qiáng)度測(cè)定方法》GB/T6329-1996測(cè)定涂層與底材間的正拉粘結(jié)強(qiáng)度。

根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》GB/T 50728-2011測(cè)定加固材料與基材發(fā)生內(nèi)聚、粘附或者混合破壞的正拉粘接強(qiáng)度。

低溫力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，將試件在10℃下養(yǎng)生，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后在10℃環(huán)境中按照上述要求進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)性能的測(cè)試。

2.2 縮尺模型干擾試驗(yàn)

使用聚合物快硬混凝土制成500mm×100mm×30mm的模型小梁，其抗壓強(qiáng)度約為45MPa，抗折強(qiáng)度為2.5～3.0MPa。如圖1所示，將三根模型小梁用鉸縫加固膠樹脂粘結(jié)在一起，在樹脂固化過程中，于中間位置小梁上施加擾動(dòng)，使該小梁相對(duì)兩邊小梁發(fā)生1～2mm位移，頻率為1～2分鐘1次。干擾持續(xù)12小時(shí)后停止，繼續(xù)養(yǎng)生至規(guī)定時(shí)間后在中間小梁上施加荷載，直至小梁破壞。

圖1 縮尺模型干擾試驗(yàn)方案

2.3 接觸角測(cè)試

制備尺寸為70mm×70mm×40mm混凝土試塊，作打毛處理，保證打毛面的平整。將打毛面朝上，在接觸角儀上測(cè)定相應(yīng)膠液在該面的接觸角。潮濕基面測(cè)試時(shí)預(yù)先將試塊于水中浸泡24h，取出用濕毛巾擦去表面明水，然后立即進(jìn)行接觸角的測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 施工性能

如表1所示，為不同成分對(duì)材料各方面性能的影響，“+”代表該成分有利于材料相應(yīng)的力學(xué)性能或施工性能，“-”反之。

早期強(qiáng)度的調(diào)整主要通過加快材料固化反應(yīng)速度以及增加剛性組分來實(shí)現(xiàn)。促進(jìn)劑的使用可以加快反應(yīng)速度，但是其摻量的增加會(huì)對(duì)粘結(jié)性能和膠體性能產(chǎn)生影響，需要在適宜的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；在材料的A組分中增加環(huán)氧樹脂ER-2的含量，不但有助于提升其早期強(qiáng)度，還能進(jìn)一步改善樹脂傳遞荷載的能力，然而由于ER-2的粘度較大，因此其用量應(yīng)保證使材料粘度不高于500mPa·s[3]，以滿足壓力注膠的需求。

表1 材料中不同組分的作用

當(dāng)A組分中ER-1與ER-2的比例調(diào)整為ER-1:ER-2=1:5時(shí)，體系粘度達(dá)到480mPa·s，此時(shí)達(dá)到ER-2的最大允許量。在ER-2的適用范圍內(nèi)，再進(jìn)行促進(jìn)劑的用量調(diào)整，不同促進(jìn)劑摻量的環(huán)氧樹脂固化時(shí)間（150g）如表2所示。

需要指出的是，樹脂的固化速度會(huì)隨著溫度的升高而加快，而環(huán)氧樹脂的固化是一個(gè)放熱的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致混合后的樹脂體系溫度升高。此外，隨著體系質(zhì)量的增加，放熱越升溫越顯著。因此，單次混合的樹脂越多，其固化時(shí)間越短。在壓力注膠施工中，需提供30min左右的可操作時(shí)間[4]，故模擬實(shí)際施工情況，在上述配方中挑選具有適宜反應(yīng)速度和較低粘度的配比，比較其用量為3kg時(shí)的固化時(shí)間。由結(jié)果（表3）可知，當(dāng)所混合的A、B組分質(zhì)量增加時(shí)，固化時(shí)間減少，其中配方①、③和④的固化時(shí)間分別為31min、34min和29min，仍可提供足夠的操作時(shí)間，能夠進(jìn)行注膠施工。

表2 不同配比的固化時(shí)間（150g）

表3 不同配比的固化時(shí)間（3kg）

圖2 不同配比的72h彈性模量

圖3 不同配比的72h拉伸曲線

3.2 力學(xué)性能

考慮到不中斷交通橋梁鉸縫加固的最終目的是改善空心板梁?jiǎn)伟迨芰Φ臓顩r，因此以材料的彈性模量作為指標(biāo)，考察鉸縫加固樹脂傳遞荷載的能力。上述五種配比在23℃下固化72h后，彈性模量均大于同等條件下養(yǎng)護(hù)的同類型產(chǎn)品，表明改進(jìn)后的材料可以有效傳遞荷載，使橋梁加固后形成各空心板共同受力的狀態(tài)（圖2、圖3）。

選擇固化時(shí)間最長(zhǎng)的配比③進(jìn)行粘結(jié)性能評(píng)價(jià)，基于橋梁鉸縫的受力情況[2]，評(píng)價(jià)采用24h、72h鋼—鋼剪切試驗(yàn)和樹脂澆注體拉伸試驗(yàn)，并與同類型產(chǎn)品比較。

與固化24h相比，固化72h后材料抗剪強(qiáng)度略有增加，但相差不大，表明材料在24h內(nèi)已基本完成固化，盡管自研材料的抗剪強(qiáng)度低于同類型產(chǎn)品，但仍可以滿足7MPa的相關(guān)規(guī)范要求（圖4）。

圖4 不同配方的24h和72h鋼-鋼抗剪強(qiáng)度

3.3 抗交通干擾性能

通過對(duì)縮尺模型進(jìn)行干擾試驗(yàn)，可以更加直觀地反映出鉸縫加固膠的加固過程以及干擾對(duì)加固效果的影響。測(cè)試結(jié)果表明，配方④在不施加干擾的情況下，18h后即可達(dá)到三根小梁共同受力的狀態(tài)，表現(xiàn)為三根小梁同時(shí)斷裂，破壞荷載為單根小梁破壞荷載的2.04倍，24h后為2.43倍。而干擾后24h同樣形成共同受力，且破壞荷載為單根梁的2.82倍（表4），甚至優(yōu)于未受干擾時(shí)的情況，表明在施工過程中，交通荷載對(duì)自研材料不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

表4 縮尺模型干擾試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.4極端條件下施工

環(huán)氧樹脂類鉸縫加固樹脂在低溫下會(huì)出現(xiàn)粘度增加，固化反應(yīng)變慢的現(xiàn)象，不利于鉸縫注膠施工。針對(duì)此類施工環(huán)境，需對(duì)材料進(jìn)行調(diào)整，增加促進(jìn)劑摻量，加快反應(yīng)速度，以滿足低溫施工需求。

配比④和⑤10℃條件下早期粘結(jié)能力與同類型產(chǎn)品相當(dāng)，而24h后則更為優(yōu)秀，且配比④的粘結(jié)性能最佳（圖5）。而普通環(huán)氧樹脂早期強(qiáng)度最差，12h和24h時(shí)均未固化，無抗拉和抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

圖5 不同配比在10℃條件下的

在縮尺模型試驗(yàn)中，配方⑤在10℃環(huán)境下固化3天后可以達(dá)到三根小梁同時(shí)斷裂的效果；而同類型產(chǎn)品在同樣條件下雖然也起到了傳遞荷載的作用，但是效果略差，在應(yīng)變達(dá)到0.6mm時(shí)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，三根小梁分為兩次斷裂（圖6）。這表明自研材料在低溫下能夠改善橋梁?jiǎn)伟迨芰Φ臓顩r。

圖6 10℃下固化72h后的縮尺模型干擾試驗(yàn)曲線

一般來說，環(huán)氧樹脂與水不互溶，因此其對(duì)潮濕表面的潤(rùn)濕能力可能會(huì)小于干燥表面，從而影響到粘結(jié)效果。然而從不同材料各組分在混凝土表面接觸角的測(cè)試結(jié)果來看（表4，圖7），同類型產(chǎn)品A組分在干燥基面的接觸角約為20°，在潮濕基面的接觸角約為16°，自研材料A組分的接觸角也由在干面約16°降至在濕面約13°。兩種材料的B組分在混凝土表面的接觸角則更小，其在干濕面上接觸角的變化趨勢(shì)也與A組分相似，同類型產(chǎn)品在干面的接觸角約為8°，而在濕面上甚至低于儀器的檢測(cè)限，B組分在干濕面上的接觸角均因太小無法由儀器讀出。接觸角在潮濕基面上的降低表明少量的水不會(huì)影響環(huán)氧樹脂及其固化劑在混凝土表面上的潤(rùn)濕能力，但是由于水的存在將環(huán)氧樹脂與基面隔離開來，仍會(huì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，需要力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證。

表5 不同組分在混凝土基面上的接觸角

圖7 (a,b)同類型產(chǎn)品A組分、(c,d)同類型產(chǎn)品B組分、(e,f)自研材料A組分和(g,h)自研材料B組分分別在(a,c,e,g)干燥和(b,d,f,h)潮濕混凝土基面的接觸角

兩種材料在干燥的混凝土基面上均能夠滿足GB50728-2011中2.5MPa的粘接強(qiáng)度要求，而在潮濕基面上的粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生了不同程度地下降。其中自研材料配方④的粘結(jié)強(qiáng)度由干面的3.20MPa降至濕面的2.64MPa，同類型產(chǎn)品由3.42MPa降至2.42MPa。同類型產(chǎn)品在潮濕基面上粘結(jié)強(qiáng)度下降了29.2%；而自研材料的下降程度僅為17.5%。粘結(jié)強(qiáng)度和強(qiáng)度下降比例數(shù)據(jù)表明自研材料具有良好的潮濕基面粘結(jié)效果（圖8）。

圖8 不同基面對(duì)材料粘結(jié)能力的影響

4 工程應(yīng)用

2016至2017 年，G6京藏高速和G312線部分位于甘肅省內(nèi)的板式橋梁出現(xiàn)板梁間鉸縫損壞，導(dǎo)致板梁出現(xiàn)單板受力狀況，當(dāng)?shù)氐缆佛B(yǎng)護(hù)部門使用根據(jù)配方④生產(chǎn)的鉸縫加固材料，采用不中斷交通鉸縫加固的方式對(duì)發(fā)生病害的橋梁進(jìn)行了加固維修，且其中部分施工是在10℃左右的低溫下完成。修復(fù)后的橋梁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的受力狀況，并具備優(yōu)秀的防水性能，取得了理想的加固維修效果。

圖9 配方④在G6京藏高速上的應(yīng)用

5 結(jié) 語

本文以粘度、固化時(shí)間、彈性模量和粘結(jié)強(qiáng)度為考察指標(biāo)，測(cè)試了一系列環(huán)氧樹脂配方，并確定了最佳配方作為不中斷交通橋梁鉸縫加固樹脂。當(dāng)ER-1與ER-2的比例1:3，促進(jìn)劑用量為5%～7%時(shí)，材料粘度低于500mPa·s，3kg樹脂固化時(shí)間大于30min，可以有效傳遞荷載，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求，能夠滿足不中斷交通加固橋梁鉸縫的需求。而上述配方的縮尺模型在干擾后仍能形成共同受力，低溫和濕面粘結(jié)效果均優(yōu)于市售同類型產(chǎn)品，工程應(yīng)用也表明該材料具有良好的加固效果。