老舊橋梁混凝土結構裂縫修補加固粘接的強度測試

2025-04-27 00:00:00付翠英趙偉

粘接 2025年4期

摘要：老舊橋梁混凝土結構受環境條件影響，導致其表面裂縫狀況復雜，不易與修補材料形成良好的粘合結構，從而影響橋梁結構修復的完整性和承載能力。為避免裂縫進一步擴大，改性制備了一種環氧樹脂膠粘劑，經應用測試老舊橋梁混凝土結構裂縫修補加固粘接強度。采用2%、3%、4%、5%這4種含量的改性石墨烯優化環氧樹脂膠粘劑性能，制得4種改性環氧樹脂膠粘劑。經試驗可知：4種膠粘劑中，3%改性環氧樹脂膠粘劑具有較高的混凝土結構裂縫修復率，可以實現良好的裂縫修補加固；應用該膠粘劑制成的混凝土試件可以在28 d的養護齡期下達到最高的粘接強度、剝離強度與抗壓強度，且在高溫環境下，3%改性環氧樹脂膠粘劑的粘接強度損傷度、模量損傷度均保持較小狀態。為此，添加3%改性石墨烯的環氧樹脂膠粘劑不僅具有良好的粘接能力，還具備一定的耐高溫效果。

關鍵詞：老舊橋梁；混凝土結構；裂縫修補；粘接強度；改性石墨烯；環氧樹脂膠粘劑

中圖分類號：TQ178；TU528文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0044-04

Strength test of crack repair and reinforcement bonding of old bridge concrete structures

FU Cuiying1，ZHAO Wei2

（1.School of Municipal Engineering，Shanghai Construction Management Vocational College，Shanghai 200232，China；2.Linyi Heating and Housing Security Center，Linyi 276000，Shandong China）

Abstract：The concrete structure of old bridges is affected by environmental conditions，which leads to complex surface cracks and is not easy to form a good bonding structure with repair materials，thus affecting the integrity and bearing capacity of bridge structure repair.In order to avoid further expansion of cracks，an epoxy resin adhesive was modified and prepared.The bonding strength of crack repair and reinforcement of old bridge concrete structure was tested by application.Four kinds of modified epoxy resin adhesives were prepared by optimizing the properties of epoxy resin adhesives with 2%，3%，4%and 5%modified graphene.The test shows that among the four adhe-sives，3%modified epoxy resin adhesive has a higher crack repair rate of concrete structure and can achieve good crack repair and reinforcement;the concrete specimens made of the adhesive can reach the highest bonding strength，peel strength and compressive strength at the curing age of 28 days，and the bonding strength damage de-gree and modulus damage degree of 3%modified epoxy resin adhesive remain small under high temperature envi-ronment.Therefore，the epoxy resin adhesive with 3%modified graphene not only has good bonding ability，but also has certain high temperature"resistance effect.

Key words：old bridge；concrete structure；crack repair；bonding strength；modified graphene；epoxy resin adhesive

老舊橋梁作為城市基礎設施的重要組成部分，其安全性和耐久性面臨著嚴峻的挑戰[1-2]。橋梁混凝土結構會因為自然侵蝕、荷載作用、材料老化等因素出現裂縫，威脅到橋梁的安全性。老舊橋梁所處的環境條件，如濕度、溫度、化學物質暴露等，會加速混凝土的老化和裂縫的擴展[3-6]。修補材料與原混凝土間的粘接強度直接關系到修補效果的好壞[7-8]。

目前，有較多學者對膠粘劑展開設計與性能研究。張常虎等[9]研究改性環氧樹脂制備膠粘劑及性能；石碧茹等[10]研究自修復聚氨酯膠粘劑的制備及其性能，該材料無法提供優異的剝離強度，導致粘接性能較弱；袁金等[11]研究膠粘劑對固體發動機復合材料殼體多材料界面處粘接強度的影響。

目前改性環氧樹脂在混凝土結構修補加固領域得到了廣泛應用[12]。然而，不同配比和類型的改性環氧樹脂在粘接強度方面存在顯著差異，為此，設計4種不同配比的改性環氧樹脂膠粘劑材料，針對老舊橋梁混凝土結構裂縫修補加固的需求，開展粘接強度的測試研究。

1試驗材料與方法

1.1試驗原料準備

主要原料：環氧樹脂（E-51）（工業級，環氧值0.48～0.54，25℃黏度10～12 Pa·s）；聚酰胺樹脂（PA650）（工業級，胺值200～238 mg/g，25℃黏度18～24 Pa·s）；芳香胺固化劑（工業級，牌號：H-113，胺值280～330 mg/g，25℃黏度0.5～0.13 Pa·s）；短切碳纖維T700（工業級，（CF，3 mm））；納米碳酸鈣（工業級，牌號：P.O42.5）；硅微粉（工業級，5000目）；石墨烯納米片（GE）；硅烷偶聯劑（工業級，牌號：KH-792）；無水乙醇（工業級，≥99%）。

1.2試驗用試件制備

1.2.1改性石墨烯（MGE）制備

將4 g石墨烯與150 mL無水乙醇混合于燒杯中，利用磁力攪拌器均勻攪拌3 min，采用超聲波清洗儀進一步分散處理30 min。另取一容器，將20 gKH-792溶解于100 mL乙醇中，運用磁力攪拌3 min。將上述2個溶液合并，再次啟動磁力攪拌器混合3 min，形成均勻的混合溶液。將此混合液置于超聲波清洗儀中分散處理1h[13]。處理完畢后，取出分散液，在室溫條件下通過磁力攪拌維持5 min，隨后調整溫度至60℃繼續磁力攪拌2h，緊接著升溫至80℃攪拌1h，以完成反應過程。

反應結束后，采用丙酮和去離子水對產物進行多次清洗與抽濾操作，以去除雜質[14]。將清洗后的產物置于鼓風機下干燥，并研磨處理干燥后的產物，從而制得KH-792改性的石墨烯（MGE）。

1.2.2改性環氧樹脂膠粘劑制備

制備改性環氧樹脂膠粘劑A、B組分，配比如表1所示。

按表1的配比，分別制備MGE添加量為2%、3%、4%、5%這4種含量改性環氧樹脂膠粘劑，通過以上不同比例的添加量，評估改性劑從較低添加量到較高添加量對膠粘劑性能的影響，有助于找到性能最佳的添加量。在具體制備過程中，采用溶液共混技術，將MGE融入適量乙醇溶劑中，在室溫下通過磁力攪拌持續5 min，以制備均勻的混合液。在60℃狀態下進行攪拌，直至乙醇完全揮發。將制備所需的材料細分為A、B2組，分別進行預處理。

A組材料通過手工攪拌至形成均勻且略帶粘性的狀態，利用攪拌機以1 000 r/min的轉速進一步攪拌3 min，確保充分混合后備用。B組材料也先經手工攪拌至粘稠，但隨后采用較低的400 r/min轉速攪拌3 min，以適配其特性并準備待用。按照2∶1的質量比例，將準備的A、B2組分混合，并使用攪拌機以1 000 r/min的速率進行恒溫攪拌3 min，以確保2組分完全融合。通過真空處理3 min，有效去除混合過程中產生的氣泡，從而制得所需的MGE-2%、MGE-3%、MGE-4%、MGE-5%這4種結構膠。

將制得的結構膠注入預設模具中，確保均勻分布后，進行為期1d的固化過程。固化完成后，小心脫模，并將樣品置于陰涼通風處，以便后續各項性能測試。

1.3試驗方法設計

準備大小為150 mm×150 mm×15 0mm的C50混凝土試件，結合GB/T 50081—2019《混凝土物理力性能試驗方法標準》對混凝土試件施加荷載壓力，當混凝土試件出現裂縫后，選出裂縫寬度均為3.0 mm左右的裂縫位置，采用4種未固化的結構膠對裂縫修補加固。

1.3.1裂縫修補加固試驗

混凝土結構使用膠粘劑修復時，修復率表示為混凝土恢復系數，是衡量混凝土在受損后經過修復能恢復多少原本強度的指標。因此，在不同養護齡期下觀測混凝土試件的裂縫寬度，計算不同膠粘劑對混凝土試塊的修復率X：

式中：K為修復后混凝土強度；?為未受損前混凝土強度。

1.3.2粘接強度測試

按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度測定》標準，采用4種未固化的膠液對混凝土試件粘接，在90℃/2 h+120℃/2 h條件下固化，固化完成后對粘接試件進行養護，在不同養護時間下，對粘接試件的粘接強度進行測試。

1.3.3高溫粘接強度測試

將粘接好并養護28 d后的4種混凝土試件放入密封盒中，將密封盒分別放置在不同高溫環境下的水浴鍋中，在不同高溫環境下保持48 h，取出后進行粘接強度測試[15]，分析評估每種試件的粘接強度損傷度與模量損傷度，以此評估膠粘劑在高溫環境下的粘接能力。

1.3.4剝離強度測試

通過剝離強度這一指標的測試，可以有效評估膠粘劑的粘接效果。為此，通過浮輥法測定4種混凝土粘接試件在不同養護周期下的剝離強度，在測試時，設定加載速率為100 mm/min。

1.3.5抗壓強度測試

應用壓力試驗機，對粘接后的混凝土試件位移加載，設定加載速度為5 kN/min，測試不同養護齡期下的試件抗壓強度。粘接后混凝土試件的抗壓

式中：A為試件承壓面積；F為試件破壞時的荷載。

2結果與分析

2.1裂縫修補加固性能分析

采用4種改性環氧樹脂膠粘劑材料展開混凝土結構裂縫修補后，對不同養護齡期下的修復率展開測試，結果如圖1所示。

由圖1可知，在所有膠粘劑中，MGE-3%配比的膠粘劑展現出了較高的裂縫修復率。特別是在經歷28 d的養護齡期后，使用MGE-3%膠粘劑修補的混凝土結構裂縫修復率達到了最高水平，顯著優于其他配比的處理效果。

2.2粘接強度分析

測試4種粘接后混凝土試件在不同養護時間下的粘接強度，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著養護齡期的延長，MGE-3%試件粘接強度逐步增強，并在養護齡期達到28 d時，其粘接強度已達到13 MPa左右。而其他幾種粘接后的試件粘接強度始終低于該試件，雖然MGE-2%、MGE-4%、MGE-5%試件也在一定程度上提升了粘接強度，但均未達到MGE-3%所展現出的最佳效果。

分析4種試件在不同養護時間下的模量變化，以此評估膠粘劑對混凝土的粘接效果，結果如圖3所示。

由圖3可知，當養護齡期不斷增大，不僅試件的粘接強度會逐漸上升，其模量也會隨之增大，在初始階段，4種試件的模量均保持在1 600～1 800 MPa之間，當養護齡期達到28 d時，4種試件的模量均已達到2 200 MPa以上，可見每種試件的模量均在養護周期內產生大幅度升高，其中，MGE-3%試件始終可以保持最高的模量，為此該試件的粘接能力明確高于其他試件。

當4種試件同時養護28 d后，將試件放入到不同環境溫度下展開粘接性能測試，分析每種試件在不同溫度條件下的粘接強度損傷度，結果如圖4所示。

由圖4可知，當處于40℃以下時，4種試件粘接強度損傷度均保持較小水平，其中，MGE-3%試件粘接強度損傷度僅為0.2%，隨著溫度大幅度升高，達到60℃以上時，每種試件的粘接強度損傷開始大幅度擴大，但MGE-3%試件變化幅度明顯較低，當溫度達到80℃時，4種試件僅MGE-3%試件粘接強度損傷度保持在10%以下，為此，在高溫環境下，MGE-3%試件仍然能夠保持良好的粘接能力。

在4種試件養護28 d后，測定其在不同溫度下的模量損傷度變化，測試結果如圖5所示。

由圖5可知，試件在30℃環境時，其模量并未出現損傷，但當溫度逐漸增大，每種試件的模量損傷度略大于粘接強度，當溫度達到80℃時，MGE-2%、MGE-4%、MGE-5%試件模量損傷度均已達到15%以上，僅有MGE-3%試件的模量損傷度可以保持在15%以下，為此，當MGE含量較小，僅為2%時，其粘接性能與耐高溫性能相對較差，而當MGE含量過大，達到4%、5%時，同樣也會影響其自身的粘接效果與耐高溫效果。

2.3剝離強度與抗壓強度分析

分別測試4種試件在不同養護齡期下的剝離強度與抗壓強度，測試結果如圖6所示。

由圖6可知，MGE-3%試件的抗壓強度與剝離強度上升幅度最大，可見，該試件不僅能夠實現最高的剝離強度，還展現出了最高的抗壓強度，充分證明了其卓越的粘接性能和結構加固效果。

通過測試發現，MGE-3%改性環氧樹脂膠粘劑在配方設計上達到了一個理想的平衡點，能夠在混凝土基材表面形成堅固的粘接層，從而在長時間養護下持續提升粘接能力。

3結語

針對老舊橋梁混凝土結構裂縫修補加固問題，制備MGE-2%、MGE-3%、MGE-4%、MGE-5%4種不同配比的改性環氧樹脂膠粘劑材料，展開粘接強度測試，得出結論：在所有測試的改性環氧樹脂膠粘劑中，MGE-3%配比的材料表現最為優異。該材料不僅在養護齡期達到28 d時達到了最高的剝離強度，還同時展現出了最高的抗壓強度。且其粘接強度隨養護齡期的提升，也逐漸達到良好效果。為此，該材料在老舊橋梁混凝土結構裂縫修補加固中具有一定的可靠性和耐久性。未來仍需進一步探索該材料在不同環境條件下的長期性能表現，以及優化其施工工藝和配比設計，以推動其在更廣泛工程實踐中的應用。

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