早強型環氧粘結劑性能與應用研究

雷宗建，武艷萍

(1.湖北省高速公路實業開發有限公司，武漢 430051；2.湖北公路智能養護科技股份有限公司，武漢 430051)

截至2020年12月，我國長江干流已建成各類公路長江大橋超過110座，其中超過80座是近20年建成且多為鋼橋，從“十四五”規劃來看，大跨徑橋梁的建設高峰仍在持續。根據鋼橋面鋪裝10～15年的使用壽命，我國大跨徑鋼橋面鋪裝的養護頂峰雖未到來，但養護規模已經開始迅猛增長。大跨徑橋梁通常位于交通要塞，頻繁的鋪裝層養護對交通影響很大，作業安全風險也很高[1]。如何安全、高效地進行鋼橋面鋪裝養護，成為大跨徑橋梁運營管理的新課題。

1 鋼橋面鋪裝養護要求

我國鋼橋面鋪裝經過多年發展，形成了以雙層EA、EA+SMA、GA+SMA、UHPC等為代表的典型鋪裝結構，很大程度上提高了鋪裝的耐久性和適應性[2]。由于大跨徑橋梁的交通樞紐特征，養護施工很難中斷交通，具有交通影響大、施工時間長、安全風險高、質量控制難的特點[3，4]。尤其是運營10年后，頻繁的養護維修引發交通擁堵造成了社會負面影響，這對現階段鋼橋面鋪裝的養護維修提出了更高的要求[5，6]。

1)快速開放交通：根據具體施工條件采用固化時間短、早期強度高的鋪裝結構和材料，優化施工工藝，盡可能縮短養護時間。

2)使用壽命耐久：結合不同病害特征，采用合理、精細的養護方案，提高鋪裝層修復后的使用壽命。

3)節約養護成本：提高鋼橋面鋪裝層的養護維修施工質量，減少維修次數，降低養護維修周期成本。

4)施工更加便利：根據鋼橋面交通狀況、梁體結構、原有鋪裝層結構特點以及養護規模等，差異化選用單層或雙層鋪裝體系，合理簡化工藝。

2 早強型環氧粘結劑性能研究

選用自主研發的早強型環氧粘結劑，其由低分子量環氧樹脂、活性稀釋劑、環氧增韌劑、防流掛助劑和快速固化劑組成，具有防水和防腐的作用，易于噴涂施工，早期強度高，柔韌性好。

2.1 斷裂強度和斷裂伸長率

按照GB/T 528規定的啞鈴I型模具成型試件，在25 ℃條件下養生不同的時間，采用微機控制電子萬能試驗機測試試件的斷裂強度和斷裂伸長率，加載速率200 mm/min。測試結果如表1所示。

表1 斷裂強度和斷裂伸長率測試結果

結果表明，在25 ℃條件下，隨著養生時間的延長，斷裂強度逐漸增長，斷裂伸長率逐漸降低。分析認為，粘結強度未完全形成時，環氧基與固化劑分子基團的關聯作用未完全形成，外力作用下伸長性更好。7 d后該粘結劑的最終強度可達21.91 MPa，斷裂延伸率超過25%，柔韌性良好。

2.2 與鋼板間粘結強度

按照0.5 kg/m2的涂布量，將環氧粘結劑均勻涂覆在已噴砂除銹的鋼板上，使用UTM試驗機測試不同養生溫度和養生時間的試件粘結強度。試驗拉拔頭直徑為50 mm，測試溫度為25 ℃，測試了在25 ℃、60 ℃、100 ℃、120 ℃、160 ℃養生0.5 h和1 h的早期強度，在25 ℃養生1 d的強度增長規律，結果分別如表2和表3所示。

表2 不同養生溫度下的早期粘結強度測試結果

表3 25 ℃養生溫度下的全天強度增長規律

1)從早期粘結強度-養生溫度關系可以看出，隨著養生溫度的升高，粘結強度增長明顯加快，在60 ℃條件下養生0.5 h時即可達0.94 MPa，養生1 h時達到4.79 MPa。從25 ℃養生條件的強度形成規律可以看出，在25 ℃養生3 h的粘結強度達到2.21 MPa。

2)根據試驗結果可以推測，鋪裝層混合料的溫度可以加速該環氧粘結劑的強度形成。即使采用冷拌混合料攤鋪，3 h左右也可開放交通。使用熱拌混合料攤鋪后，通過熱傳遞能使粘結劑在100 ℃以上至少保持1 h，這種高溫條件有助于環氧反應形成三維網狀結構，讓環氧粘結劑短時間內快速固化，理論上1 h左右即可開放交通。

3 現場試驗研究

上述基于室內試驗結果表明，該環氧粘結劑能夠實現快速開放交通。為了進一步探究其應用效果，在武漢青山長江大橋施工現場，分別選用GA和SMA進行現場攤鋪試驗，測試瀝青混合料與鋼板間的強度效果。

3.1 拉拔粘結強度驗證

3.1.1 1 h拉拔粘結強度測試

在已處理好的鋼板表面按照0.5 kg/m2的用量均勻涂覆早強型環氧粘結劑，然后現場取樣立即進行GA和SMA的鋪裝。試件成型后放置在25 ℃條件下自然冷卻1 h后，測試GA和SMA與鋼板間的粘結強度，結果如表4所示。

表4 GA和SMA混合料鋪裝后25 ℃養生1 h粘結強度測試結果

GA混合料現場施工溫度在200 ℃以上，SMA混合料現場施工溫度在160 ℃以上，鋪裝后內部溫度很高，1 h后測得拉拔粘結強度分別為0.86 MPa和0.73 MPa，且斷裂面位于混合料內部，粘結層無破壞，說明粘結強度超過混合料的抗拉強度，滿足開放交通要求。

3.1.2 同養試件粘結強度測試

采用GA現場鋪裝成型粘結強度試件，在青山長江大橋現場進行同條件養生(室外溫度為5～10 ℃)，然后測試3 d、7 d和28 d的粘結強度和剪切強度，結果如表5所示。

表5 同養試件拉拔粘結強度測試結果

從測試結果可以看出：早強型環氧粘結劑與GA之間的3 d粘結強度均值為2.15 MPa，但7 d和28 d的粘結強度并沒有明顯增長，破壞面位于粘結劑與GA之間，環氧粘結劑與鋼板粘結仍然完好，即測得的7 d和28 d粘結強度實際為GA混凝土的抗拉強度。總體看，環氧粘結劑與鋼板間粘結牢固，層間粘結強度超過混合料的抗拉強度，能夠滿足使用要求。

3.2 直接剪切強度測試

將預先準備好的套筒套在直徑為100 mm的圓形鋼板上，現場取樣GA混合料倒入套筒內，如圖1所示，待其冷卻后取下套筒在青山長江大橋現場進行同條件養生(室外溫度為5～10 ℃)。使用UTM-100進行直接剪切強度測試如圖2所示，測試結果如表6所示。

表6 同養試件直接剪切強度測試結果

可以看出：在鋼板上涂覆早強型環氧粘結劑后，直接進行澆筑式瀝青混合料的攤鋪，養生3 d、7 d、28 d的直剪強度分別為1.35 MPa、1.56 MPa、2.07 MPa，直剪破壞面均位于GA內部，這說明早強型環氧粘結劑與澆筑式瀝青混合料間的實際粘結強度要高于測試數值。

4 結 論

a.基于快速養護需求研發的早強型環氧粘結劑在25 ℃條件下養生3 h的粘結強度可達2 MPa以上，在60 ℃條件下養生1 h的粘結強度可達4.5 MPa以上，7 d斷裂延伸率可達25%以上，具有早強、柔韌性好的特點。

b.室內試驗早強型環氧粘結劑的強度-溫度關系表明，養生溫度越高，強度形成越快。鑒于熱拌鋪裝層(SMA、GA等)鋪裝后，內部溫度至少能在80～100 ℃保持1 h以上，早強型環氧粘結劑的理論粘結強度可達4.5～8.0 MPa，足以滿足使用要求。

c.工程實踐證明，早強型環氧粘結劑涂刷后可立即攤鋪GA或SMA，攤鋪后1 h早期粘結強度分別為0.86 MPa、0.73 MPa，最終粘結強度和剪切強度也都超過混合料本身，且斷裂面位于混合料內部，這說明通車時間主要受制于混合料冷卻時間而非粘結劑養生時間，養護后能夠快速開放交通。