環氧樹脂/橡膠混凝土的黏結性能研究

張 影

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

伸縮縫是橋梁結構中最薄弱的部分，美國半數以上功能失效的橋梁涉及伸縮縫病害，日本公路管理費超過15%用于城市高速公路伸縮縫維修，法國和葡萄牙橋梁養護成本的7%～22%用于伸縮縫養護，國內伸縮縫病害占橋梁病害總數的10%以上[1-3]。

作為伸縮縫過渡區混凝土，需要與橋梁面板混凝土和瀝青混合料鋪裝層具有良好的黏結性能，避免產生縫隙，否則極易脫黏、開裂[4-5]。而伸縮縫破壞過程一般為：過渡區混凝土脫黏、開裂，過渡區混凝土破損，鋼梁斷裂[6]。過渡區混凝土脫黏、開裂破壞是整個伸縮縫破壞的開端，它將導致伸縮縫錨固體系的破壞，進而導致整個伸縮縫裝置的破壞與失效[7-9]。

過渡區混凝土與橋梁面板和瀝青鋪裝層脫黏、開裂機理如下：過渡區混凝土承受來自車輛輪壓的動荷載，當過渡區混凝土與橋梁面板兩端受荷載作用時，黏結區域兩側受壓，引起黏結區域受拉，造成開裂；當車輛駛入、駛出過渡區時，車輪擠壓過渡區混凝土與瀝青混合料黏結界面接縫處，使兩側的材料向兩側劈拉，造成開裂[10-11]。運動車輛的動力作用存在放大系數，當車速為80 km/h 時，動力放大系數為1.5 倍，即上述作用都會被加強[12-14]。

本研究以彈性改性環氧樹脂作為膠結材料、廢舊橡膠顆粒為彈性集料制備了橋梁伸縮縫過渡區混凝土修復材料，依據過渡區混凝土脫黏機理，考察了該材料與水泥混凝土的黏結抗折強度和與瀝青混凝土的黏結劈裂強度。

1 試驗部分

1.1 快速修復材料的制備

快速修復材料的各組分配比如表1 所示。橡膠顆粒選取3%、6%和9%三個含量。制備材料時，分別將A 組分、B 組分、C 組分各材料分別混合，并攪拌均勻；將混合均勻的A 組分和B 組分混合，并攪拌均勻，制備成環氧樹脂膠黏劑；將上述環氧樹脂膠黏劑與C 組分混合，攪拌均勻，制備成快速修復材料；將快速修復材料填入模具，室溫養護4 h 即可。

表1 快速修復材料配比 g

1.2 測試與表征

1.2.1 黏結抗折強度測試方法

a）測試依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTE G30—2005）。制備（150×150×550）mm棱柱體標準混凝土試件，標準條件養護28 d 后，將混凝土試件切割成（150×150×275）mm 兩部分。

b）分別采用3 種方式進行界面處理：原界面采用高壓空氣吹掃除塵后不做處理；用鋼絲對混凝土界面刷毛，后采用高壓空氣吹掃界面去除浮沉；用鋼絲對混凝土界面刷毛，高壓空氣吹掃除塵，其后在界面處涂抹硅烷偶聯劑，涂抹厚度0.5～1.0 mm。

c）將半塊舊混凝土試件放入原模具內一端，剩余部分填入修補材料，室溫養護4 h 后脫模。

d）測試其彎拉強度，黏結抗折強度按式（1）計算。

式中：ff為黏結抗折強度，MPa；P 為破壞荷載，N；L為支座間距，mm；b 為試件的截面寬度，mm；h 為試件的截面高度，mm。

e）測試方法如圖1 所示，強度測試過程中，記錄黏結抗折強度與試件變形量的關系，即可得到黏結抗折應力- 應變曲線。

圖1 黏結抗折強度測試方法

1.2.2 黏結劈裂強度測試方法

a）參考《混凝土劈裂強度試驗》（NFP18—408），將瀝青混凝土試件切割成（100×100×50）mm 的立方體試件，并將試件表面清洗干凈，晾干。

b）同樣分別采用3 種表面處理方式處理試件黏結面，具體步驟與黏結抗折強度試驗相同。

c）將瀝青混凝土試件放入（100×100×100）mm的模具中，然后填入修復材料，室溫養護4 h 后脫模。

d）測試其劈裂強度，劈裂強度按式（2）計算。

式中：ft為黏結劈裂強度，MPa；P 為破壞荷載，N；A為試件劈拉面積，mm2。

e）測試方法如圖2 所示，強度測試過程中，記錄黏結劈裂強度與試件變形量的關系，即可得到黏結抗折應力- 應變曲線。

圖2 黏結劈裂強度測試方法

2 結果與討論

2.1 黏結抗折性能

如圖3 所示，隨著橡膠顆粒含量由3%增加至9%，黏結抗折強度降低。采用不同的界面處理方式對修復材料的黏結抗折強度影響顯著，黏結抗折強度試驗的結果為：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯劑。吹掃除塵可以去除原混凝土界面上的浮沉和部分松散顆粒；鋼刷刷毛可以更加徹底地去除原混凝土表面松散結構；鋼刷刷毛后涂敷偶聯劑，可以顯著增強原混凝土無機界面與環氧樹脂膠黏劑有機界面的黏結性能，進而提高黏結抗折強度，由圖3 可見，采用鋼刷刷毛配合偶聯劑的界面處理方式，黏結抗折強度可達到原混凝土抗折強度的90%以上，采用鋼刷刷毛界面處理方式可使黏結抗折強度達到原始混凝土抗折強度的80%以上。而水泥基修復材料采用鋼刷刷毛界面處理方式后，黏結抗折強度一般能達到原混凝土抗折強度的60%左右[4]。

圖3 界面處理方式對黏結抗折強度的影響

鋼刷刷毛配合偶聯劑界面處理方式時，黏結抗折應力- 應變曲線如圖4 所示，可見隨著橡膠顆粒含量的增加，峰值應力降低，峰值應變增大，曲線斜率即試件的彈性模量降低。橡膠顆粒的加入，從力學強度方面看，對黏結抗折強度有不利影響，但隨著橡膠含量的增加，應力- 應變曲線逐漸出現應力下降段，說明試件斷裂方式由脆性斷裂逐漸轉變為韌性斷裂，即橡膠顆粒通過自身變形增加了黏結界面的完整性，在工程應用中表現為界面不易脫黏。

圖4 鋼刷刷毛配合偶聯劑界面處理方式時黏結抗折應力-應變曲線

2.2 黏結劈裂性能

圖5 表明，隨著橡膠顆粒含量由3%增加至9%，黏結劈裂強度降低。采用不同的方式處理界面對修復材料的黏結劈裂強度有顯著影響，試驗的結果為：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯劑。

圖5 界面處理方式對黏結劈裂強度的影響

圖6 鋼刷刷毛配合偶聯劑界面處理方式時黏結劈裂應力-應變曲線

鋼刷刷毛配合偶聯劑界面處理方式時，黏結劈裂應力- 應變曲線如圖6 所示，可見隨著橡膠顆粒含量的增加，應力- 應變曲線變化趨勢與黏結抗折一致，峰值應力降低，峰值應變增大，曲線斜率降低，應力- 應變曲線逐漸出現應力下降段, 其變化原因與黏結抗折一致。

3 結論

本文通過黏結抗折試驗和黏結劈裂試驗，模擬了橋梁伸縮縫過渡區混凝土修復材料在使用過程中的受力情況，研究了界面處理方式和橡膠顆粒摻量對環氧樹脂/橡膠混凝土的黏結性能的影響，得到以下結論：

a）黏結強度：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯劑。采用鋼刷刷毛配合偶聯劑的界面處理方式，黏結抗折強度可達到原混凝土抗折強度的90%以上，黏結劈裂強度可達到4.09 MPa 以上。

b）橡膠顆粒的加入使快速修復材料黏結強度降低，但其有利于保證黏結界面完整性，使界面不易脫黏。