用于橋梁結(jié)構(gòu)拼裝的環(huán)氧膠性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較研究

劉 芳

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433）

0 引言

節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)是一種上世紀(jì)四十年代在歐洲出現(xiàn)并在世界范圍內(nèi)推廣開來的一種橋梁施工方法。預(yù)制好的混凝土節(jié)段在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接，之后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉形成整體，有很好的經(jīng)濟(jì)性和美觀性。其節(jié)段間的接縫通常有三種形式：即濕接--接縫采用現(xiàn)澆混凝土方式拼接；干接--通過凹凸剪力鍵直接拼裝，AASHTO203年最新規(guī)定不再使用干接形式；膠結(jié)--在截?cái)嗝嫱磕ōh(huán)氧樹脂膠進(jìn)行拼接。

結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂膠是專門應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段膠接的一種高強(qiáng)度粘結(jié)劑，由于預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)在國內(nèi)還沒有得到大范圍的推廣應(yīng)用。國內(nèi)目前缺乏針對(duì)預(yù)制節(jié)段結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂膠的專用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文通過對(duì)國內(nèi)外環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，為國內(nèi)的預(yù)制節(jié)段拼接用環(huán)氧樹脂膠的性能參數(shù)依據(jù)提出參考建議。

虹梅南路-金海路通道（虹梅南路段）新建工程將在國內(nèi)首次采用玉英立法實(shí)現(xiàn)城市高架下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝。該項(xiàng)目HM-4標(biāo)段含6組預(yù)制立柱及蓋梁施工試驗(yàn)段。其中立柱分A、B兩截,蓋梁整體預(yù)制。立柱節(jié)段和蓋梁間均采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線及凹凸剪力鍵匹配形式進(jìn)行膠接。本文基于此項(xiàng)目背景開展研究。

1 結(jié)構(gòu)用環(huán)氧粘結(jié)劑的主要成分和作用性能

1.1 結(jié)構(gòu)用環(huán)氧粘結(jié)劑的主要成分

混凝土預(yù)制節(jié)段拼裝用環(huán)氧樹脂膠是一種改性環(huán)氧樹脂類高觸變性高強(qiáng)粘結(jié)劑，包含多鐘有機(jī)材料及無機(jī)改性材料復(fù)，一般由A、B兩組分混合之后用于混凝土預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝施工。

A組分一般為黑色，由純環(huán)氧樹脂或混合二氧化硅等填料組成。其中二氧化硅的作用是增加粘度，石英砂可以增加表面硬度并起到絕緣效果，添加硅酸鹽混合物用以增白和降低成本。B組份為白色，是胺類固化劑。A、B拌和后為灰色或黑色膏狀混合物。

二氧化硅在增加粘結(jié)劑稠度的同時(shí)也增加了粘結(jié)劑的比重。因粘結(jié)劑以重量結(jié)算,故在稠度滿足施工要求的前提下,應(yīng)優(yōu)先選用比重小的品種。

1.2 粘結(jié)劑主要作用

（1）潤滑作用——調(diào)節(jié)定位:環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑固化前為粘稠狀態(tài),預(yù)制節(jié)段拼接時(shí)如剪力鍵處稍有偏差,可通過環(huán)氧粘結(jié)劑微調(diào)定位。

（2）防水作用——提高耐久性:拼接縫中的環(huán)氧固化后充分填充，起到密封防水作用，可以有效預(yù)防預(yù)應(yīng)力束的銹蝕,提高結(jié)構(gòu)耐久性。

1.3 結(jié)構(gòu)用環(huán)氧粘結(jié)劑主要性能指標(biāo)

觸變性：環(huán)氧樹脂膠涂抹于垂直平面上之后保持一定形狀不流動(dòng)的性能，叫做觸變性。

可施膠時(shí)間：環(huán)氧樹脂能經(jīng)攪拌配合后保持流動(dòng)性和工作性能，允許涂刷施膠的時(shí)間。

可粘結(jié)時(shí)間：指粘結(jié)劑涂在節(jié)段拼接面時(shí)起，至粘結(jié)劑固化而失去粘結(jié)工作性能的一段時(shí)間。

開放時(shí)間：保持工作性能，應(yīng)滿足涂刷、拼接及完成預(yù)應(yīng)力張拉所需時(shí)間。

抗壓強(qiáng)度：反映膠層在受外壓力是的耐變形能力，為避免膠層破壞，環(huán)氧的抗壓強(qiáng)度必須大于水泥的抗壓強(qiáng)度。

抗剪強(qiáng)度：抗剪切強(qiáng)度的測(cè)試一般是用兩塊金屬試塊相互搭接，沿大截面垂直拉伸所獲得的力學(xué)性能，是膠層對(duì)金屬試塊粘結(jié)力的最小值，由于混凝土表面更粗糙且有大量空隙，因此膠層對(duì)混凝土的剪切強(qiáng)度應(yīng)更高。

抗拉強(qiáng)度：膠體受到應(yīng)力作用時(shí)的耐變形能力。

粘結(jié)強(qiáng)度：環(huán)氧對(duì)于水泥的粘結(jié)強(qiáng)度必須大于水泥砂漿本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。

熱變形溫度:以一定速度升溫，當(dāng)達(dá)到規(guī)定變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。用來衡量耐熱性。

化學(xué)性能：水中溶解率，吸水性，化學(xué)穩(wěn)定性等。

2 結(jié)構(gòu)用環(huán)氧粘結(jié)劑在國內(nèi)外的應(yīng)用情況

膠接縫目前被廣泛應(yīng)用關(guān)于采用預(yù)制拼裝的橋梁施工中。因其應(yīng)用條件寬松，適用范圍廣泛。美國節(jié)段施工混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指導(dǎo)規(guī)范（1989）中提出，膠接縫適用于所有體內(nèi)力筋的橋梁，及有凍融循環(huán)的惡劣氣候條件下的所有橋梁或使用化學(xué)制品的橋梁。在我國，對(duì)于體內(nèi)和體外組合預(yù)應(yīng)力，循環(huán)凍融及采用光化學(xué)消冰的節(jié)段式橋梁，應(yīng)采用環(huán)氧樹脂膠接縫。

根據(jù)目前國內(nèi)相關(guān)工程及國外對(duì)環(huán)氧樹脂密封膠使用情況，愛牢達(dá)和西卡環(huán)氧樹脂膠應(yīng)用較多。隨著環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠在中國市場(chǎng)的發(fā)展預(yù)期和廣大空間，近年來也誕生了一批優(yōu)秀的國產(chǎn)和合資品牌。如，k801,固特邦等，以及一些高校及科研院所自行研發(fā)的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。

3 國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和試驗(yàn)方法現(xiàn)狀[1-7]

3.1 FIP標(biāo)準(zhǔn)

國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)自1978年編寫的《用于驗(yàn)收測(cè)試和驗(yàn)證的環(huán)氧粘接劑的節(jié)段施工標(biāo)準(zhǔn)的建議》（Proposal for a standard for acceptance tests and verification ofepoxy bonding agentsforsegmental construction）簡(jiǎn)稱FIP.其中對(duì)于環(huán)氧樹脂主要性能參數(shù)要求見表1。

表1 FIP標(biāo)準(zhǔn)要求

3.2 美國標(biāo)準(zhǔn)

美國的 AASHTO M_235-2003（r2007）（美國公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)材料規(guī)范M235）中對(duì)于環(huán)氧樹脂膠在橋梁上的應(yīng)用有著更為詳細(xì)的分類和的具體要求如下：

“Type VI—For bonding and sealing segmental precast elements with internal tendons and forspan-by-span erection when temporary post tensioning is applied.”i（類型VI-用于粘結(jié)和密封帶有內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋束的預(yù)制構(gòu)件，以及采用后張臨時(shí)預(yù)應(yīng)力法逐跨架設(shè)的預(yù)制節(jié)段。），見表2。

此外，在AASHTO HB-2002（美國公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)公路橋梁規(guī)范）中的具體要求見表3。

3.3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)目前在工程實(shí)施中一般參考《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50367-2013中對(duì)于A級(jí)膠的定義：

“4.4.1～4.4.3承重結(jié)構(gòu)用的膠粘劑，宜按其基本性能分為A級(jí)膠和B級(jí)膠，對(duì)重要結(jié)構(gòu)、懸挑構(gòu)件，承受動(dòng)力作用的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，應(yīng)采用A級(jí)膠；必須進(jìn)行粘結(jié)抗剪強(qiáng)度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)師，其粘結(jié)抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)置信水平為0.90,、保證率為95%的要求確定。其性能均應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》GB 50728-2011第4.22條的規(guī)定。 ”iii表4.2.2–1以混凝土為基材，粘貼鋼材用結(jié)構(gòu)膠基本性能鑒定標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

3.4 比較分析

對(duì)一些主要性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)比分析如下：

（1）對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求方面，F(xiàn)IP 7 d抗壓強(qiáng)度（即完全固化后）需達(dá)到75 MPa，國標(biāo)為65 MPa。

（2）粘結(jié)強(qiáng)度：AASHTO M_235-2003（r2007）中對(duì)2 d潮濕狀況的混凝土-混凝土斜剪粘結(jié)強(qiáng)度要求為不小于7 MPa,國標(biāo)為鋼對(duì)C45混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞。

（3）抗剪強(qiáng)度：FIP要求低限溫度條件下，7 d抗剪強(qiáng)度不小于12 MPa，國內(nèi)給出的是標(biāo)準(zhǔn)值，常溫抗剪強(qiáng)度不小于15 MPa。

表2 2AASHTO M_235-2003（r2007）要求

表3 3AASHTO HB-2002要求ii

（4）觸變性：FIP和美規(guī)都有針對(duì)施工涂抹粘結(jié)工藝的的觸變性（及抗垂流度），開放時(shí)間、凝膠時(shí)間等的評(píng)定，國標(biāo)則沒有給出。

（5）熱變形溫度：FIP的要求為在適用范圍的高限溫度條件下，養(yǎng)護(hù)7 d的試件的熱變形溫度不小于50℃。國標(biāo)對(duì)此的要求為：固化、養(yǎng)護(hù)21 d，到期測(cè)定熱變形溫度不小于65℃。

此外，在試驗(yàn)方法上各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也稍有不同，在抗拉壓剪切耐熱性等主要性能的測(cè)試中，F(xiàn)IP要求使用75 mm×75 mm×150 mm的試件，國標(biāo)試驗(yàn)使用的是70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm大小的試件。FIP有自成一套的試驗(yàn)方法和專用設(shè)備，中國和美國規(guī)范則適應(yīng)了各自的標(biāo)準(zhǔn)體系將試驗(yàn)方法本土化。

因此，不難看出：國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)是最早做出關(guān)于預(yù)制節(jié)段拼裝用環(huán)氧膠較為權(quán)威、要求最高的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并帶有自成一套的非常詳細(xì)的試驗(yàn)方法，專業(yè)針對(duì)性和完整性較強(qiáng)，時(shí)至今日世界上依然以其作為首要參考標(biāo)準(zhǔn)。美國AASHTOM_235-2003 （r2007） 結(jié) 合 AASHTO HB-2002公路橋梁規(guī)范及ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）一系列試驗(yàn)方法，給出了較為全面的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定。

雖然加固A級(jí)膠可以應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)，但更多的為非關(guān)鍵部位的加固修補(bǔ)，受力程度小，而預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)用膠一般是使用在懸拼懸吊的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置，在拼接后短期（1 d,2 d,7 d）會(huì)有后續(xù)張拉等重要施工步驟，對(duì)短期乃至長期的力學(xué)性能要求更高，這可以解釋為何國標(biāo)所給出的性能指標(biāo)要低于國際標(biāo)準(zhǔn)，并且國際標(biāo)準(zhǔn)有較多7 d內(nèi)的性能要求而國標(biāo)更關(guān)注的是完全固化后的長期性能。

表4 《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50367-2013A級(jí)膠要求

4 結(jié)論

（1）FIP標(biāo)準(zhǔn)仍然是目前世界上最具權(quán)威性和專業(yè)性的預(yù)制節(jié)段拼裝用環(huán)氧樹脂膠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建議國內(nèi)預(yù)制拼接結(jié)構(gòu)用膠參考FIP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。 在試驗(yàn)條件不具備的情況下，比如缺乏FIP要求的專業(yè)檢測(cè)設(shè)備等，可以使用國標(biāo)方法進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，根據(jù)不同試驗(yàn)方法之間的性能差異進(jìn)行修正，用FIP的性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)合格與否。

（2）在查閱資料中筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩個(gè)重要的施工時(shí)間控制點(diǎn)：可施膠時(shí)間和可粘結(jié)時(shí)間，與凝膠時(shí)間及固化時(shí)間的定義之間宜混淆。其中凝膠時(shí)間是指膠液從液相開始向固相變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，體系內(nèi)已經(jīng)形成一些交聯(lián)結(jié)構(gòu)，還有很多的活性基團(tuán)沒有反應(yīng)。凝膠是固化的一個(gè)階段，體系過了凝膠狀態(tài)后，膠液幾乎沒有流動(dòng)性了，分子運(yùn)動(dòng)受到極大限制，從應(yīng)用角度講，所有的操作用工藝都是在膠液到達(dá)凝膠狀態(tài)前進(jìn)行完畢，過了凝膠狀態(tài)，膠液就沒有應(yīng)用價(jià)值了。

因此可施膠時(shí)間應(yīng)在開始凝膠之前，可粘結(jié)時(shí)間應(yīng)在凝膠結(jié)束之前。并且由于凝膠過程中膠體性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變，所以在涂抹之后應(yīng)盡快進(jìn)行拼接和張拉工作，可以使環(huán)氧膠體的性能得到較好的發(fā)展。

（3）隨著國內(nèi)公路橋梁建設(shè)技術(shù)水平的不斷提高，以及橋梁建設(shè)中于志華比率的提高，結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂膠將會(huì)在國內(nèi)有更多的應(yīng)用相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡快制定?？梢越Y(jié)合上世紀(jì)膠接拼裝橋梁現(xiàn)狀的評(píng)估，對(duì)耐久性的要求進(jìn)行進(jìn)一步修正，新的標(biāo)準(zhǔn)將更加方便工程建設(shè)，有效提高工程質(zhì)量。