鋼橋面鋪裝接縫構(gòu)造及界面材料性能研究*

陳安京 張 輝 周橙琪 萬(wàn)建軍

(1.南京市城市道路管理中心 南京 210000； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806)

鋼橋面鋪裝層作為正交異性鋼箱梁的功能性保護(hù)層，與鋼板共同承擔(dān)荷載作用。但由于正交異性鋼箱梁柔度較大，在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，給鋪裝層的受力帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。國(guó)內(nèi)鋼橋面鋪裝多存在不同程度的病害，其中坑槽病害最為常見，尤其是鋪裝層施工縫和坑槽修補(bǔ)接縫處開裂較多。施工縫或接縫處一旦開裂，鋪裝層滲水，將嚴(yán)重影響鋼板的耐久性。因此，施工中會(huì)使用黏結(jié)劑涂抹接縫處以提高新舊鋪裝面的界面黏結(jié)強(qiáng)度。以往的接縫材料大多采用與鋪裝一致的膠結(jié)料，由于其強(qiáng)度不足、涂抹量難以把控、變形協(xié)調(diào)差等諸多問(wèn)題可能導(dǎo)致接縫處發(fā)生二次開裂[2-4]，界面的破壞是坑槽修補(bǔ)二次破壞的主要形式和原因，當(dāng)修復(fù)材料和原有鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的黏結(jié)界面斷裂失效時(shí)，使得修復(fù)材料喪失邊界支撐，造成鋼橋面鋪裝病害修復(fù)的失效。然而，我國(guó)沒(méi)有針對(duì)鋼橋面鋪裝層坑槽接縫界面特有的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)與評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，多數(shù)情況下，只有在養(yǎng)護(hù)維修后，采取后期跟蹤的方法對(duì)不同修復(fù)材料的修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)定。本文通過(guò)文獻(xiàn)查閱[5-10]，選用一種立面不流淌、有良好變形性、抗裂性、防滲水性的密封膠作為接縫黏結(jié)材料進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到提升新舊橋面鋪裝層接縫界面黏結(jié)性與變形性的效果。

1 界面材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

選取市面上具有代表性的2種界面接縫材料，以研究不同界面材料和接縫構(gòu)造形式下的新舊鋪裝層之間的協(xié)同變形性。使用前應(yīng)確認(rèn)基面清潔無(wú)污染，界面劑的適宜使用溫度范圍為5～40 ℃，未配用材料必須隨時(shí)密封好。

1) 雙組分界面劑。本次試驗(yàn)采用的是江蘇中路工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的雙組分界面接縫產(chǎn)品。雙組分界面劑也叫AB膠，分為A、B兩組分，為室溫固化型。其中，A組分為含有-NCO基團(tuán)的白色均質(zhì)膏狀體，B組分為含有活潑氫的黑色黏稠體固化劑，具有一定的流動(dòng)性。使用時(shí)按一定比例將A、B兩組分充分?jǐn)嚢杈鶆蛑翢o(wú)色差黑色膏體，因氣候不同B組分使用量應(yīng)冬季多、夏季少。

2) 單組分界面劑。本次試驗(yàn)采用的是江蘇中路工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的單組分界面接縫產(chǎn)品。單組分界面劑為無(wú)溶劑、室溫固化型。產(chǎn)品呈黑色膏狀，對(duì)瀝青路面等基面有黏附性，可擠出直接涂抹施工，具有抗下垂性，嵌填垂直接縫和頂縫不流淌。產(chǎn)品固化時(shí)利用空氣中的水蒸氣，發(fā)生濕氣反應(yīng)，從而固化形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性體；固化后為橡膠狀，富有彈性，兼具黏結(jié)和密封兩大功能?？赏ㄟ^(guò)升高溫度和濕度，加速固化。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1劈裂抗剪試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青混合料劈裂試驗(yàn),評(píng)價(jià)2種接縫材料在0.3，0.6，0.9 kg/m2用量下的抗剪切變形協(xié)調(diào)性，不僅可以反映接縫材料在規(guī)定溫度和加載速率時(shí)的剪切破壞，也可以側(cè)面反映出彈性體處于彈性階段時(shí)的力學(xué)性質(zhì)。為模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，將成型好的環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件以90°垂直對(duì)接進(jìn)行切割，分別用2種接縫材料以不同的用量對(duì)接縫進(jìn)行涂抹，攤鋪新拌和好的高韌樹脂混合料，碾壓成型并養(yǎng)生。待新拌混合料固化后，鉆芯取樣，測(cè)試其抗剪切強(qiáng)度。

1.2.2彎曲試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)接縫材料在最佳涂抹用量下的新舊鋪裝層的抗彎拉強(qiáng)度與極限彎拉應(yīng)變，進(jìn)一步驗(yàn)證接縫材料和新舊鋪裝層的協(xié)同工作性。將成型好的環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件分別以90°、60°、45°、30°的接縫角度進(jìn)行切割，待涂抹過(guò)接縫材料后即攤鋪新拌和好的高韌樹脂混合料，碾壓成型并養(yǎng)生。待試件固化并切割后，進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面材料最佳用量研究

最佳用量要求界面劑具有一定的抗剪切破壞強(qiáng)度，并且自身完整，不發(fā)生剪切破壞。圖1為單組分界面劑和雙組分界面劑在不同涂抹用量下的劈裂抗剪試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 2種界面劑在不同涂抹量下的劈裂抗剪試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可見，雙組分界面劑的抗剪強(qiáng)度在不同用量下均低于單組分界面劑，雙組分界面劑的抗剪強(qiáng)度隨涂抹量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)涂抹量為0.6 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大為3.06 MPa；單組分界面劑的抗剪強(qiáng)度隨涂抹量的增加而增大，當(dāng)涂抹量為0.9 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度為3.77 MPa。

圖2為涂抹單組分界面劑后的試件接縫的破壞情況，圖3為涂抹雙組分界面劑后的試件接縫的破壞情況。

圖2 單組分界面劑試件破壞情況(0.3,0.6,0.9 kg/m2)

圖3 雙組分界面劑試件破壞情況

接縫為薄弱處，由圖2可見，在不同用量下，涂抹單組分界面劑的試件在受力位置處均未發(fā)生破壞，新舊鋪裝均未出現(xiàn)裂紋。而由圖3可見，涂抹雙組分界面劑的試件在受力位置處均發(fā)生了斷裂破壞，接縫處張開但試件未完全破壞，接縫材料本身也未發(fā)生剪切斷裂，當(dāng)涂抹量為0.3 kg/m2時(shí)，修補(bǔ)區(qū)出現(xiàn)開裂，舊鋪裝完好；當(dāng)涂抹量為0.6 kg/m2和0.9 kg/m2時(shí)，舊鋪裝出現(xiàn)開裂，修補(bǔ)區(qū)完好。

考慮若材料用量較少，接縫處無(wú)法形成一道完整的彈性變形體，起到良好的防水作用，并綜合劈裂抗剪強(qiáng)度，推薦單組分界面劑的最佳涂抹量在0.6～0.9 kg/m2之間，雙組分界面劑的最佳涂抹量為0.6 kg/m2。

2.2 新舊鋪裝層協(xié)同變形性研究

2.2.1不同接縫材料

圖4分別為低溫和常溫下使用2種界面劑4種對(duì)接角度拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度。

圖4 不同溫度下界面材料拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度

由圖4可見，抗彎拉強(qiáng)度受溫度的影響較為明顯，溫度越高，強(qiáng)度越低，使用單組分界面劑拼接的小梁試件的抗彎拉強(qiáng)度均高于雙組分界面劑。低溫下，90°、60°、45°、30°對(duì)接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑的6.9倍、13.9倍、3.3倍、1.4倍；常溫下，90°、60°、45°、30°對(duì)接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑的6.2倍、6.4倍、3.2倍、1.56倍。并且，無(wú)論是在低溫還是常溫下，使用單組分界面劑的抗彎拉強(qiáng)度均大于5 MPa。

圖5分別為低溫和常溫下使用2種界面劑4種對(duì)接角度拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變。

圖5 不同溫度下界面材料拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變

由圖5可見，低溫下，使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應(yīng)變均高于雙組分界面劑，90°、60°、45°、30°對(duì)接下分別是雙組分界面劑的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.1倍，變形能力基本相當(dāng)；常溫下，90°、60°對(duì)接下的2種界面劑的彎拉應(yīng)變較為接近，45°、30°對(duì)接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑彎拉應(yīng)變的2.5倍、2.0倍。

2.2.2不同接縫構(gòu)造角度

圖6為低溫(-10 ℃)時(shí)不同接縫構(gòu)造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度。

圖6 低溫不同接縫構(gòu)造角度拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度

由圖6可見，低溫時(shí)雙組分界面劑在90°、60°對(duì)接時(shí)試件均斷開，45°、30°對(duì)接時(shí)接縫材料已發(fā)生斷裂失效，試件接近完全斷開。隨接縫構(gòu)造角度的減小，雙組分界面劑的抗彎拉強(qiáng)度大體呈上升趨勢(shì)，上升幅度隨角度的減小越來(lái)越大，在90°～60°之間，強(qiáng)度未有明顯變化。

低溫時(shí)單組分界面劑90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的試件均未發(fā)生斷開。隨接縫構(gòu)造角度的減小，單組分界面劑的抗彎拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，在60°～45°之間，強(qiáng)度變化幅度較小，60°、45°、30°對(duì)接時(shí)的彎拉強(qiáng)度分別是90°的1.8倍、1.9倍、2.5倍。

圖7為常溫(15 ℃)時(shí)不同接縫構(gòu)造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度。由圖7可見，常溫時(shí)雙組分界面劑90°、60°、45°和30°對(duì)接的試件均斷裂，其中30°對(duì)接時(shí)的試件斷裂在混合料處，頂部受力集中又最為薄弱，故實(shí)際施工時(shí)接縫處不建議采用角度較小的處置方式。隨著接縫構(gòu)造角度的減小，雙組分界面劑的抗彎拉強(qiáng)度呈先緩慢增長(zhǎng)后大幅上升的趨勢(shì)，60°、45°、30°對(duì)接時(shí)的彎拉強(qiáng)度分別為90°的1.2倍、2.7倍、8.2倍。

圖7 常溫不同接縫構(gòu)造角度拼接后的小梁抗彎拉強(qiáng)度

常溫時(shí)單組分界面劑90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的試件均未發(fā)生斷開。隨接縫處置角度的減小，單組分界面劑的抗彎拉強(qiáng)度大體呈緩慢上升趨勢(shì)，在90°～60°和60°～45°之間，強(qiáng)度變化幅度均較小，60°、45°、30°對(duì)接時(shí)的彎拉強(qiáng)度分別為90°的1.3倍、1.4倍、2.1倍。

圖8為低溫(-10 ℃)時(shí)不同接縫構(gòu)造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變。

圖8 低溫不同接縫構(gòu)造角度拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變

由圖8可見，低溫時(shí)隨接縫處置角度的減小，使用雙組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應(yīng)變?cè)?2 500～3 300)×10-6范圍內(nèi)波動(dòng)，其中90°和45°對(duì)接時(shí)的小梁彎拉應(yīng)變均達(dá)到3 200×10-6以上，60°和30°對(duì)接時(shí)的小梁彎拉應(yīng)變接近2 600×10-6。

使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應(yīng)變?cè)?2 800～4 200)×10-6范圍內(nèi)波動(dòng)，其中45°對(duì)接時(shí)的小梁極限彎拉應(yīng)變達(dá)到最高點(diǎn)4 113×10-6，而90°、60°和30°對(duì)接時(shí)的小梁極限彎拉應(yīng)變分別為3 570×10-6、3 125×10-6、2 833×10-6。

圖9為常溫(15 ℃)時(shí)不同接縫構(gòu)造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變。

圖9 常溫不同接縫構(gòu)造角度拼接后的小梁極限彎拉應(yīng)變

由圖9可見，常溫時(shí)隨接縫處置角度的減小，使用雙組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應(yīng)變?cè)?2 200～3 500)×10-6范圍內(nèi)波動(dòng)，90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的小梁極限彎拉應(yīng)變分別為2 949×10-6、3 488×10-6、2 264×10-6、2 872×10-6。

使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應(yīng)變基本呈上升趨勢(shì)，90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的小梁極限彎拉應(yīng)變分別為2 960×10-6、3 371×10-6、5 627×10-6、5 655×10-6，其中45°～30°之間，彎拉應(yīng)變大小變化幅度不大，數(shù)值接近。

3 結(jié)論

1) 單組分界面劑有良好的立面抗流淌性能，室溫濕氣固化，施工時(shí)直接涂抹無(wú)需攪拌；而雙組分界面劑雖也有良好的立面不流淌效果，但由于A、B組分比例差距較大，攪拌過(guò)程中均勻性難以滿足，會(huì)造成部分材料固化不完全，影響使用性能。

2) 通過(guò)雙組分界面劑、單組分界面劑2種材料作為接縫材料時(shí)的劈裂抗剪強(qiáng)度對(duì)比研究，推薦雙組分界面劑的最佳涂抹量為0.6 kg/m2，單組分界面劑的涂抹量在0.6～0.9 kg/m2范圍內(nèi)皆可，可根據(jù)季節(jié)調(diào)整用量，夏季偏少冬季偏多。

3) 雙組分界面劑由于固化不完全，黏結(jié)失效，導(dǎo)致新舊鋪裝層90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的小梁彎曲試件均發(fā)生斷開。無(wú)論是在低溫還是常溫下，90°與60°接縫構(gòu)造角度下的抗彎拉強(qiáng)度僅有1 MPa左右，抗彎拉破壞能力相對(duì)較差。

4) 單組分界面劑在-10 ℃和15 ℃下，新舊鋪裝層90°、60°、45°和30°對(duì)接時(shí)的小梁彎曲試件均未發(fā)生斷開，45°對(duì)接時(shí)的小梁試件的抗彎拉破壞效果最好，低溫下強(qiáng)度和應(yīng)變分別為13.89 MPa和4 113×10-6(完整小梁試件的強(qiáng)度和應(yīng)變分別為30.7 MPa和6 856×10-6)，常溫下強(qiáng)度和應(yīng)變分別為7.8 MPa和5 627×10-6(完整小梁試件的強(qiáng)度和應(yīng)變分別為14.4 MPa和17 720×10-6)，有足夠變形性的基礎(chǔ)下抗彎拉強(qiáng)度仍有完整小梁試件強(qiáng)度的50%，建議鋪裝接縫構(gòu)造角度采取45°為宜。