橡膠粉對(duì)伸縮縫混凝土凍融性能的影響

張大海

（晉中市交通規(guī)費(fèi)征收稽查處，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來(lái)，由于我國(guó)車輛荷載等級(jí)的大幅度提高和交通流量的急劇增大，橋梁伸縮縫發(fā)生破壞的情況越來(lái)越突出。伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，其病害約占橋梁病害總數(shù)的17%[1-2]；在橋梁伸縮縫病害中，30%左右為過(guò)渡區(qū)混凝土病害。而伸縮縫破壞過(guò)程一般為：過(guò)渡區(qū)混凝土脫黏、開裂，過(guò)渡區(qū)混凝土破損，鋼梁斷裂[3]。即過(guò)渡區(qū)混凝土破壞是整個(gè)伸縮縫破壞的開端，它將導(dǎo)致整個(gè)伸縮縫錨固體系的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)伸縮縫裝置的破壞與失效[4]。

橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土的破壞機(jī)理如下：過(guò)渡區(qū)混凝土承受車輛的動(dòng)荷載，車輛通過(guò)時(shí)受壓；車輛通過(guò)后瞬間，應(yīng)力釋放，過(guò)渡區(qū)混凝土受拉；車輛頻繁通過(guò)，上述過(guò)程反復(fù)發(fā)生[5]。過(guò)渡區(qū)混凝土與路面材料模量差異大，屬于剛性與柔性連接，難以攤鋪平整，易出現(xiàn)高差，車輛通過(guò)時(shí)造成的振動(dòng)會(huì)形成沖擊力，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)混凝土破壞[6-7]。以上過(guò)程皆在車輛動(dòng)荷載情況下發(fā)生，運(yùn)動(dòng)車輛的動(dòng)力作用存在放大系數(shù)，即上述作用都會(huì)被加強(qiáng)[8]。

環(huán)氧樹脂混凝土強(qiáng)度高、固化時(shí)間短，與瀝青混凝土和水泥混凝土均有較高的黏結(jié)強(qiáng)度等優(yōu)異性能，適宜作為橋梁伸縮縫混凝土快速修復(fù)材料[9]。環(huán)氧樹脂混凝土作為伸縮縫混凝土修復(fù)材料，需要進(jìn)行增韌改性以增強(qiáng)其耐疲勞性能和耐沖擊性能。廢舊橡膠顆?？梢蕴岣攮h(huán)氧樹脂混凝土的柔韌性，改善黏結(jié)界面應(yīng)力分布，但橡膠顆粒（粒徑1.18 mm，摻量10%、20%）增加了環(huán)氧樹脂混凝土的孔隙率，進(jìn)而影響材料的耐凍融性能[10]。而關(guān)于水泥混凝土的研究表明，在摻加廢舊橡膠粉（60 目，摻量3%）后，可以增強(qiáng)其耐凍融性能[11]?？梢?jiàn)橡膠顆粒大小及摻量對(duì)混凝土性能影響較大。

本研究在環(huán)氧樹脂混凝土中摻加80 目橡膠粉，研究橡膠粉對(duì)環(huán)氧樹脂混凝土耐凍融性能的影響，優(yōu)化廢舊橡膠改性環(huán)氧樹脂混凝土的技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)

本研究環(huán)氧樹脂采用市售工業(yè)級(jí)環(huán)氧樹脂（E-51）、增韌劑（聚氨酯類）、促進(jìn)劑（脂肪胺類）、固化劑（改性脂肪胺類）、粒徑3～4 mm 的玄武巖石料、細(xì)度模數(shù)2.78 的天然河砂、80 目橡膠粉。環(huán)氧樹脂混凝土配方如表1所示。

表1 環(huán)氧樹脂混凝土配方 g

將環(huán)氧樹脂、增韌劑、固化劑、活性稀釋劑混合、攪拌，得到環(huán)氧樹脂膠黏劑；將玄武巖石料、砂子和橡膠粉混合、攪拌，得到集料；然后將膠黏劑和集料混合、攪拌均勻；填入模具，室溫養(yǎng)護(hù)3 h，即得環(huán)氧樹脂混凝土。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每個(gè)配方設(shè)置3 個(gè)平行樣品。

本文凍融試驗(yàn)方法依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）中的“快凍法”進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量變化

橡膠含量不同時(shí)試件凍融試驗(yàn)前后質(zhì)量變化如圖1所示。橡膠含量分別為0、5%和10%時(shí)，未凍融時(shí)的質(zhì)量分別為4.33 kg、4.25 kg 和4.17 kg，其原因是橡膠顆粒比重較小，替換砂石集料，降低了試件的比重。從圖1中還可以看出，無(wú)論橡膠含量多少，凍融循環(huán)對(duì)環(huán)氧樹脂混凝土試件質(zhì)量影響很小，經(jīng)300 次凍融循環(huán)，其質(zhì)量損失均低于1%。原因是環(huán)氧樹脂屬于柔性材料，材料受凍融作用時(shí)，環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可發(fā)生微變形減弱其影響，進(jìn)而保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，更好地保護(hù)混凝土外觀形態(tài)，降低質(zhì)量損失。

圖1 凍融循環(huán)對(duì)質(zhì)量的影響

2.2 抗壓強(qiáng)度變化

不同橡膠含量下凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度損失的影響如圖2所示，可見(jiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度損失顯著增加；經(jīng)歷300 次凍融循環(huán)，橡膠含量分別為0、5%和10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率分別為10.67%、13.31%和22.21%。

圖2 凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

ER0 抗壓強(qiáng)度損失隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，近似線性增長(zhǎng)；ER5 在經(jīng)歷240 次凍融循環(huán)之前，其抗壓強(qiáng)度損失相對(duì)ER0 較低，其后高于ER0；而ER10 的抗壓強(qiáng)度損失在120 次凍融循環(huán)前接近ER0，其后高于ER0，其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近指數(shù)型。對(duì)比ER0 和ER5，可見(jiàn)橡膠摻量為5%時(shí)，在240 次凍融循環(huán)之前，摻加橡膠粉的環(huán)氧樹脂混凝土耐凍融性能更優(yōu)，其原因是橡膠粉的摻加增強(qiáng)了材料的柔韌性，其吸收內(nèi)部應(yīng)力的作用得到加強(qiáng)，進(jìn)而減輕凍融過(guò)程中材料內(nèi)部損傷，降低抗壓強(qiáng)度損失；在240 次凍融循環(huán)之后，由于環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)的裂化，橡膠粉的增韌作用被削弱，而橡膠顆粒引起的孔隙率的增加開始占據(jù)主導(dǎo)作用，加速了環(huán)氧樹脂混凝土的裂化。對(duì)于ER10，在120 次凍融循環(huán)之內(nèi)，橡膠粉的增韌和增加孔隙作用接近，其抗壓強(qiáng)度降低率與ER0 接近；其后橡膠粉增加孔隙率的作用占主導(dǎo)，致使抗壓強(qiáng)度降低率顯著提高。

2.3 抗彎強(qiáng)度變化

不同橡膠含量下凍融循環(huán)對(duì)抗彎強(qiáng)度損失的影響如圖3所示，可見(jiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗彎強(qiáng)度損失顯著增加；經(jīng)歷300 次凍融循環(huán)，橡膠含量分別為0、5%和10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率分別為17.39%、17.94%和32.91%。

圖3 凍融循環(huán)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

ER0 抗彎強(qiáng)度損失隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，近似線性增長(zhǎng)；ER5 在經(jīng)歷180 次凍融循環(huán)之前，其抗彎強(qiáng)度損失相對(duì)ER0 較低，其后高于ER0；而ER10的抗彎強(qiáng)度損失始終高于ER0。其原因與抗壓強(qiáng)度變化原因基本一致，是橡膠粉的增韌和增加孔隙率效應(yīng)共同作用的結(jié)果。對(duì)比抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于抗壓強(qiáng)度，橡膠顆粒的增韌作用更加顯著，而對(duì)于抗彎強(qiáng)度，其增加孔隙的作用更加顯著。

3 結(jié)論

環(huán)氧樹脂混凝土在經(jīng)歷300 次凍融循環(huán)后，無(wú)論橡膠摻量多少，其質(zhì)量損失率均低于1%。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，環(huán)氧樹脂混凝土抗壓、抗彎強(qiáng)度損失率增大；在凍融次數(shù)較少時(shí)，較低的橡膠含量（5%）可以減輕凍融循環(huán)對(duì)環(huán)氧樹脂混凝土強(qiáng)度性能的影響；凍融次數(shù)增加或橡膠含量較高（10%）時(shí)，會(huì)加劇凍融循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響。

橡膠粉的摻量對(duì)環(huán)氧樹脂混凝土耐凍融性能影響較為顯著，需要根據(jù)應(yīng)用條件，綜合考慮力學(xué)性能、路用性能、耐久性能等因素，確定適宜摻量。