橋梁伸縮縫用聚合物混凝土抗壓/抗折及粘接性能測試研究

徐凱文，徐利軍

(1.成都錦城學院，四川 成都 611731；2.四川路橋集團，四川 邛崍 657700)

受橋梁特殊結構的影響，在建筑橋梁的時候需要設計一些橋梁伸縮縫，以滿足橋梁上部結構變形需求。但正因為如此，對橋梁接縫混凝土的要求也相對較高。傳統橋梁接縫混凝土存在抗折強度低、早期強度低不利于較早開放交通和鋼纖維分布不均，對混凝土抗折性能優化效果不大。對橋梁接縫混凝土進行改性是目前較為重要的研究課題。對此，部分學者也進行了很多研究，如研究了養護方式對橋梁接縫混凝土性能的影響，結果表明，適合的養護方式和在混凝土內添加一定防膨劑能有效的實現混凝土溫升和溫降過程的補償收縮[1]。通過在接縫混凝土中摻加一定量的粗骨料，制備出了一種超高性能混凝土，并對其耐久性能進行研究，結果表明，制備的混凝土具備較好的耐久性能[2]。以環氧樹脂為基礎，對橋梁混凝土的耐濕熱性能進行改性，結果表明，環氧樹脂混凝土能有效改善橋梁混凝土的耐濕熱性能[3]。基于此，本試驗在文獻[4]的研究基礎上，以環氧樹脂為主要材料，制備新型橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土，并對其性能進行探究。

1 材料與設備

1.1 材料與方法

主要材料：環氧樹脂(市售)，能祥節能科技；水泥(P·O42.5)，華宇大地水泥制造；砂石(Ⅱ級)，永順礦產品；固化劑(CP)，乾洲化工；增塑劑(CP)，旭光化工。

主要設備：NJ-160B水泥攪拌機，華錫試驗儀器；YAW-300微機控制抗壓抗折試驗機，代新科試驗儀器；ZW-015紫外老化試驗箱，億軒試驗儀器；XC-HS-50恒溫恒濕箱，賢臣環境試驗設備。

1.2 試驗方法

1.2.1配合比設計

橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的服役條件較為惡劣，需要承受車輛荷載與伸縮裝置傳導力的共同作用，因此對其性能的要求相對較高。根據國家水泥混凝土路面設計強度規定，特重交通等級水凝混凝土路面抗折強度應高于6 MPa，抗壓強度應高于42 MPa[4]。同時，環氧樹脂混凝土具備易凝結的特點，這是不利于施工的，因此要求橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的初凝時間超過30 min[5]。鑒于此，對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的配合比進行設計，具體如表1所示。

表1 混凝土配合比設計Tab.1 Concrete mix proportion design

1.2.2橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的制備

(1)根據表1配比將砂石骨料和水泥倒入水泥攪拌機中，充分攪拌得到混合料；

(2)將環氧樹脂、固化劑和增韌劑混合均勻，得到環氧樹脂膠粘劑；

(3)將環氧樹脂膠粘劑倒入水泥混合料中，充分攪拌得到橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土砂漿，倒入模具中養護；具體制備過程如圖1所示。

圖1 橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的制備過程Fig.1 Preparation process of epoxy resin concrete in bridge expansion joint transition zone

1.3 性能測試

1.3.1初凝時間測試

參照 GB/T 50080—2016和DL/T 5193—2004中的抹刀測試和維卡儀指針方法對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土砂漿時間進行測試定[6-7]；初凝時間為抹刀測試和維卡儀指針測試時間之和。

1.3.2抗壓強度測試

參照 GB/T 50081—2019中的方法對混凝土抗壓強度進行測定[8]。具體過程為：制備尺寸為300 cm3的混凝土，置于YAW-300型微機控制抗壓抗折試驗機中心，以0.8 MPa/s的加載速度對混凝土施加壓力至混凝土破壞。

抗壓強度表達式：

(1)

式中：f為抗壓強度,MPa；F為混凝土破壞時荷載，N；A為混凝土承壓面積，m2。

1.3.3彈性模量測試

通過對混凝土微變形進行測試，表征混凝土的彈性模量[9]。具體過程：用微機控制抗壓抗折試驗機以0.8 MPa/s的加載、卸載速率作用于混凝土，標距為150 mm。數據由高精度位移傳感器數據采集系統采集，加載示意圖如圖2所示。

圖2 彈性模量試驗加載示意圖 Fig.2 Loading diagram of elastic modulus test

彈性模量表達式：

(2)

式中：E為彈性模量，MPa；A為混凝土承壓面積，cm2；F0為應力0.5 MPa時的荷載，N；εa、ε0為Fa、F0時試件2側變形的平均值；L為測量標距，mm；Fa為應力在三分之一軸心抗壓強度對應的荷載，N。

1.3.4抗折強度測試

抗折強度與抗壓強度測試方式類似，本節不多敘述。

抗折強度表達式[10]：

(3)

式中：ff為抗折強度，MPa；Ff為試件破壞荷載，N；lf為支座間跨度，mm；bf為試件截面寬度，cm；hy為試件截面高度，cm。

1.3.5粘接強度測試

制備尺寸為150 mm3的普通混凝土試件并養護至14 d。將混凝土劈裂成6塊，之后洗凈，放入立方體試模一側。制備橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土砂漿，在立方體試模的另一側進行澆筑，振搗密實后標準養護至指定齡期，以粘接平整的側面作為劈裂面，對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的粘接強度進行測定。

粘接強度表達式[11-12]：

(4)

式中:ft為粘接強度，MPa；Ft為試件破壞荷載，N；At為試件劈裂面面積，cm2。

1.3.6耐老化試驗

橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土因其特殊的工作需求，在使用的過程中，需要長時間經受太陽紫外線照射，受高溫和雨水的侵蝕，因此對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的耐紫外老化性和耐濕熱老化性提出更高的要求。以北京地區的太陽輻射強度為模擬對象，則模擬橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土一年加速紫外老化所需的時間約為68.9 h[13]。部分學者研究發現，渡區混凝土的疲勞使用壽命約為8 年[14]。為了探究本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土在使用過程中的耐久性，選擇模擬老化時間分別為4年(275.6 h)和8年(551.2 h)。

紫外老化試驗：將待測樣品置于ZW-015型紫外老化試驗箱內，設置老化溫度50 ℃模擬太陽紫外線老化過程，老化后，測定混凝土力學性能。

耐濕熱老化試驗：將待測樣品放入XC-HS-50型恒溫恒濕箱內進行耐濕熱老化試驗，設置箱內溫度和濕度分別為80 ℃和90%，測定老化后混凝土力學性能變化[15]。

2 結果與討論

2.1 初凝時間測試結果

以抹刀測試結果與維卡儀指針測試結果之和作為初凝時間測試結果，具體結果如表2所示。

表2 初凝時間測試結果Tab.2 Test results of initial setting time

由表2可知，3組橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土砂漿初凝時間皆超過30 min，說明滿足設計要求。

2.2 力學性能分析

2.2.1抗壓強度測試結果

圖3為抗壓強度試驗結果。

圖3 抗壓強度測試結果Fig.3 Test results of compressive strength

從圖3可以看出，隨著養護齡期的增加，橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的抗壓強度表現出緩慢上升的趨勢，但是增幅并不明顯。這說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土抗壓強度在3 d齡期時，就基本趨于穩定，后續雖然有一定的增強，但是增強效果并不大。這種早強特性滿足工期要求短，能快速達到通車強度的橋梁伸縮縫過渡區需求。值得一提的是，在養護時間為3 d時，橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的抗壓強度就已經達到了88 MPa，已經遠高于設計強度。這說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土在工作性能和抗壓強度方面均滿足設計要求。

2.2.2彈性模量測試結果

橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土除了需要承擔一定的承重要求外，還需要起到一定的過渡作用，因此對彈性模量也有一定的要求，彈性模量的測試結果如圖4所示。

圖4 彈性模量試驗結果Fig.4 Test results of elastic modulus

從圖4可以看出，隨養護齡期的增加，混凝土彈性模量始終在13.7～14.8 GPa內波動，并不出現明顯增加或回縮現象。由此可見，本試驗制備的混凝土不僅具備早強高的特定，后期強度仍有小幅度增長，彈性模量穩定的維持在伸縮裝置與瀝青鋪裝層混凝土的彈性模量之間，不出現回縮現象，表現出良好的工作性能。

2.2.3抗折強度測試

圖5為抗折強度測試結果。

圖5 抗折強度測試結果Fig.5 Test results of flexural strength

從圖5可以看出，養護時間為3 d的混凝土樣品抗折強度達到了20.6 MPa，繼續增加養護時間，抗折強度表現出緩慢上升的趨勢，且與抗壓強度變化規律類似。在養護早期，混凝土抗折強度就已經遠高于國家水泥混凝土路面設計抗折強度要求，滿足橋梁伸縮縫過渡區使用要求。

2.2.4粘接強度

除力學強度外，橋梁在承受超重壓力時，過渡區域因材料與路面材料有一定的差異，因此容易出現脫粘的現象，縮短橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的使用壽命。在進行橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土設計時，需要對其粘接強度進行研究，結果如圖6所示。

圖6 粘接強度測試結果Fig.6 Adhesion strength test results

從圖6可以看出，在養護齡期為3 d時，混凝土的粘接強度就已經達到了2.73 MPa，高于C50水泥混凝土粘接強度標準值。這說明了本試驗制備的混凝土具備較好的粘接性能，繼續增加養護時間，混凝土的粘接強度有小幅度提升，但并不出現較大的差別。也就是橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土在養護早期就已經達到了較高的粘接強度，表現出良好的粘接性能。

2.3 耐老化性能測試

2.3.1耐紫外老化試驗結果

橋梁伸縮縫過渡區混凝土使用時，需要長時間接受紫外線的影響，因此需要對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的耐紫外線老化性能進行測試，表面混凝土因紫外老化造成性能缺失，影響工作性能；紫外老化后混凝土力學性能變化如表3所示。

表3 紫外老化結果Tab.3 UV aging results

由表3可知，經過紫外老化后，橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的力學性能皆有所下降，其中彈性模量減少量最大，粘接強度減少量最少。經過紫外老化275.6 h(模擬太陽光4年照射時間)后，彈性模量減少了1 GPa，抗壓、抗折、粘接強度分別減少了5.6、1.4和0.2 MPa。經過紫外老化551.2 h(模擬太陽光8年照射時間)后，彈性模量減少了0.5 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了9、2.6和0.32 MPa。通過以上數據變化可以看的出來，經過紫外老化處理后，混凝土的力學性能雖有所下降，但仍舊高于國家對路面強度規定的設計值。也就是說，本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土表現處理較好的耐老化性能。

2.3.2耐濕熱老化試驗結果

在橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土使用過程中，除了需要受到太陽紫外光老化的影響外，還需要受濕熱老化的影響；表4為混凝土耐濕熱老化性能試驗結果。

表4 濕熱老化結果Tab.4 Damp heat aging results

由表4可知，濕熱老化的影響與紫外老化的影響類似，經過濕熱老化處理后，混凝土力學性能皆有所下降，且仍為彈性模量減少量最大，粘接強度減少最小。經過濕熱老化275.6 h后，彈性模量減少了1.2 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了17.9、1.90和0.27 MPa。經過濕熱老化處理551.2 h后，彈性模量減少了0.9 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了11.7、3.10和0.42 MPa。以上試驗結果表明，經過濕熱處理后，雖混凝土力學強度有所下降，但是力學性能強度仍舊高于設計值，這就說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土性能表現良好。

而紫外老化和濕熱老化過程中，粘接強度皆明顯下降的原因在于，混凝土間存在較為明顯的孔隙，因此老化因子可通過孔隙進入試件的內部，進而對試件粘接性能產生影響。雖然經老化處理后，混凝土粘接強度略有降低，但仍舊滿足粘接強度標準值，表現出良好的粘接性能。

3 結語

綜上所述，本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土表現出良好的力學性能和耐老化性能，可以在橋梁伸縮縫過渡區使用。

(1)對橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土砂漿初凝時間進行測定，測試結果皆高于設計值30 min，表現出較好的施工性能；

(2)橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土早期力學性能較佳，在低養護齡期的條件下就能達到較高的力學強度，養護齡期為3 d時，橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土抗壓、抗折、粘接強度分別為88.8、20.6和2.73 MPa，彈性模量為13.7 GPa；

(3)經過紫外老化和濕熱老化處理后，橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土的力學性能有所下降，但仍舊高于國家對路面強度規定的設計值，表現出良好的耐老化性能。