不中斷交通條件下的板梁橋鉸縫修復(fù)系統(tǒng)用膠粘劑的性能研究

薛雪雪 周洪芝 羅仕剛 宋少波 司家寧

摘 要：針對(duì)不中斷交通條件下的板梁橋鉸縫修復(fù)系統(tǒng)用膠粘劑，包括專用于鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑和封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明：對(duì)于鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑，稀釋劑加量對(duì)凝膠時(shí)間幾乎無(wú)影響，改性酚醛胺（D1）和改性聚醚胺（D2）的不同配比對(duì)凝膠時(shí)間影響較大，膠粘劑的黏度大小和凝膠時(shí)間的快慢影響施工效率。對(duì)于封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑，隨著改性脂環(huán)胺固化劑添加量的增加，黏度逐漸變小，凝膠時(shí)間不斷延長(zhǎng)。在實(shí)際工況中，既要滿足足夠的施工時(shí)間，又要不能影響下一步注膠工序;觸變劑的添加量會(huì)影響膠粘劑的觸變指數(shù)和流掛性，隨著觸變劑添加量的增加，觸變指數(shù)不斷增大，流掛性越好。

關(guān)鍵詞：鉸縫修復(fù);環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑;性能測(cè)試;加固

中圖分類號(hào)：TQ437+.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0181-04

在我國(guó)公路橋梁建設(shè)中，廣泛采用了裝配式鉸接板梁結(jié)構(gòu)，各板梁之間通過(guò)現(xiàn)澆混凝土鉸接相連[1]。隨著城市橋梁交通量的日益增加，鉸縫兩側(cè)板梁反復(fù)錯(cuò)動(dòng)，加快了鉸縫的破壞，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固以確保橋梁結(jié)構(gòu)和車輛安全通行[1-2]。目前針對(duì)板梁橋鉸接縫破壞的加固方法主要有4種：重鋪裝鋼筋網(wǎng)、增加錨固聯(lián)結(jié)鋼板、增加剪力鋼筋和張拉橫向預(yù)應(yīng)力。這4種方法都需要中斷交通，且需要鑿除、清理既有橋面鋪裝及鉸縫混凝土，工期較長(zhǎng)[3]。鉸縫修復(fù)系統(tǒng)是近幾年新興的一種處理鉸縫病害的技術(shù)，較傳統(tǒng)的整體更換橋面鋪裝方案更具經(jīng)濟(jì)性，工期短，整個(gè)施工過(guò)程均占用橋下空間，無(wú)需封閉交通，因此對(duì)通行及施工安全要求較高的功力橋梁尤為適用[4]。環(huán)氧樹(shù)脂建筑結(jié)構(gòu)膠因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能得到廣泛使用[5-7]。本文針對(duì)不中斷交通條件下的板梁橋鉸縫修復(fù)系統(tǒng)用膠粘劑，包括專用于鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑和封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果表明：稀釋劑添加量、固化劑種類、固化劑比例、觸變劑加量均對(duì)其施工性能和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。本研究有助于為不中斷交通條件下的板梁橋鉸縫修復(fù)系統(tǒng)用的環(huán)氧膠粘劑配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂（CYD-128）（工業(yè)級(jí)，市售）;稀釋劑：十二至十四烷基縮水甘油醚（工業(yè)級(jí)，市售）;硅烷偶聯(lián)劑（KH560）（工業(yè)級(jí)，市售）;觸變劑（工業(yè)級(jí)）;有機(jī)膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)，市售）;石英粉（325目，工業(yè)級(jí)，天津燕東礦產(chǎn)品有限公司）;固化劑：D1（改性酚醛胺類）、D2（改性聚醚胺）（工業(yè)級(jí)，美國(guó)亨斯邁有限公司）;E1（特種酚醛胺）、E2（改性脂環(huán)胺）（工業(yè)級(jí)，廣州瑞奇化工有限公司）。

1.2 試驗(yàn)儀器

雙行星動(dòng)力混合機(jī)（5L，佛山市金銀河智能裝備股份有限公司）;黏度計(jì)NDJ-5S（上海平軒科學(xué)儀器有限公司）;智能粘接強(qiáng)度檢測(cè)儀（北京天地星火科技發(fā)展有限公司）;數(shù)顯恒溫水浴鍋（湖南力辰儀器科技有限公司）;GTS標(biāo)準(zhǔn)型凝膠時(shí)間測(cè)定儀（上海瑞億儀器有限公司）;微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南萬(wàn)測(cè)電氣設(shè)備有限公司）;鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司）;恒溫恒濕箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）;鋼板尺，刻度單位為0.5 mm;下垂度模具，寬（20±0.2）mm，深度（3±0.2）mm，模具按GB13477.6—2002要求制作。

1.3 鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑

將準(zhǔn)確計(jì)量的A組分：環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑、硅烷偶聯(lián)劑按照配比混合均勻;B組分：不同類型的固化劑按照比例混合均勻，固化劑選用D1（改性酚醛胺）和D2（改性聚醚胺）。A組分和B組分按照2∶1配比配制而成，即得鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑。表1為鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑配方。

1.4 封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑

將準(zhǔn)確計(jì)量的A組分：環(huán)氧樹(shù)脂、硅微粉、有機(jī)膨潤(rùn)土、硅烷偶聯(lián)劑放入雙行星攪拌釜中，常溫常壓下緩慢攪拌分散30 min;然后抽真空脫泡5 min，出料即可。

將準(zhǔn)確計(jì)量的B組分：固化劑（E1、E2）、硅微粉、白炭黑放入雙行星攪拌釜中，常溫常壓下緩慢攪拌分散30 min;然后抽真空脫泡5 min，出料即可。表2為封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑基礎(chǔ)配方。

A組分和B組分按照2∶1配比配制而成，即得封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑。

1.5 測(cè)試與表征

（1）初黏度的測(cè)試：依照GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》附錄Q進(jìn)行初始粘度測(cè)試;

（2）固化體系凝膠時(shí)間：采用凝膠時(shí)間測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定;

（3）觸變指數(shù)的測(cè)試：使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)NXS-11A，依照GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》附錄R進(jìn)行觸變指數(shù)測(cè)試;注意涂布型環(huán)氧粘鋼結(jié)構(gòu)膠為加填料的膠粘劑，應(yīng)依照標(biāo)準(zhǔn)要求中的高黏度膠液進(jìn)行觸變指數(shù)的測(cè)試計(jì)算，觸變指數(shù)It=η5.6/η65，式中：η5.6表示轉(zhuǎn)速為5.6 r/min時(shí)的膠粘劑黏度;η65表示轉(zhuǎn)速為65 r/min時(shí)膠粘劑黏度;

（4）下垂流度（抗流掛性）的測(cè)試：使用鼓風(fēng)干燥箱、鋼板尺、下垂度模具，依照GB/T 13477.6—2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試試件垂直放置時(shí)的垂流度;測(cè)試環(huán)境的實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)分別選取25 、35 和45 ℃;

（5）力學(xué)性能測(cè)試：采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，制樣標(biāo)準(zhǔn)和判定依據(jù)參照GB/T 2567—2008、GB/T 7124—2008和GB 50728—2011。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑和改性聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑的影響

試驗(yàn)考察了稀釋劑和改性聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑黏度以及凝膠時(shí)間的影響，確定稀釋劑和改性聚醚胺最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，稀釋劑和改性聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化均會(huì)影響膠粘劑黏度，隨著稀釋劑和D2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，黏度逐漸降低。根據(jù)圖1中凝膠時(shí)間測(cè)試結(jié)果可以得出，稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)凝膠時(shí)間幾乎無(wú)影響;改性聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)凝膠時(shí)間影響較大。膠粘劑的黏度大小和凝膠時(shí)間的快慢影響施工效率。綜上所述，當(dāng)稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，D2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～40%時(shí)，黏度在200～500 mPa·s，凝膠時(shí)間為40～70 min。

2.2 鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，D1為改性酚醛胺，D2為改性聚醚胺，固化劑的種類和配比影響拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、受拉彈性模量、鋼對(duì)鋼拉伸抗剪強(qiáng)度。隨著改性酚醛胺比例增加，拉伸強(qiáng)度和受拉彈性模量增大，伸長(zhǎng)率降低。這是由于D2為改性聚醚胺，分子結(jié)構(gòu)中含有醚鍵，屬柔性固化劑所改。

2.3 改性脂環(huán)胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑的影響

脂環(huán)胺為分子結(jié)構(gòu)里含有脂環(huán)結(jié)構(gòu)（環(huán)己基、雜氧、氮原子六元環(huán)）的胺類化合物。多數(shù)為低黏度液體，適用期比脂肪胺長(zhǎng)，固化物的色度、光澤優(yōu)于脂肪胺和聚酰胺[8]。所以，選用低黏度的改性脂環(huán)胺固化劑和固化速度較快的酚醛胺進(jìn)行研究。改性脂環(huán)胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，E1為特種改性酚醛胺固化劑，E2為改性脂環(huán)胺固化劑，隨著改性脂環(huán)胺固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，黏度逐漸變小，凝膠時(shí)間不斷增加。實(shí)際工況中，既要滿足足夠的施工時(shí)間，又要不能影響下一步注膠工序，所以，本研究中E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，允許施工時(shí)間15 min，同時(shí)滿足4 h后可進(jìn)行下一步注膠。

2.4 觸變劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑的影響

有機(jī)膨潤(rùn)土“觸變性”作用機(jī)理：有機(jī)膨潤(rùn)土中存在的納米級(jí)SiO2是無(wú)定型粉末，表面有不飽和殘鍵和不同鍵及狀態(tài)下的羥基，使其分子狀態(tài)呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于其表面聚集的氫鍵之間的作用力較弱，在外部剪切力存在情況下，剪切變稀，剪切力消除后，結(jié)構(gòu)迅速重組，這就是有機(jī)膨潤(rùn)土的“觸變性”[9]。A組分觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，觸變劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響膠粘劑的觸變指數(shù)和流掛性。隨著觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，觸變指數(shù)不斷增大，流掛性越好。當(dāng)觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，A、B組分混合后觸變指數(shù)為5.21，在溫度為25、35、45 ℃條件下，下垂度為0 mm。所以觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，可以滿足施工要求。

2.5 封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試：E1為特種酚醛胺固化劑，E2為改性脂環(huán)胺固化劑，拉伸強(qiáng)度、受拉彈性模量、鋼對(duì)鋼拉伸抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本研究有助于指導(dǎo)不中斷交通條件下板梁橋鉸縫修復(fù)系統(tǒng)用環(huán)氧膠粘劑配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化;

（2）對(duì)于鉸縫灌注的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑，膠粘劑的黏度大小和凝膠時(shí)間的快慢影響施工效率，稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，D2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%，黏度在200～500 mPa·s，凝膠時(shí)間為40～70 min;

（3）對(duì)于封閉鉸縫專用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑，實(shí)際工況中，既要滿足足夠的施工時(shí)間，又要不能影響下一步注膠工序，本研究中E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，允許施工時(shí)間15 min，同時(shí)滿足4 h后可進(jìn)行下一步注膠;

（4）觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化會(huì)影響膠粘劑的觸變指數(shù)和流掛性。本研究中選用有機(jī)膨潤(rùn)土作為觸變劑，隨著觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，觸變指數(shù)不斷增大，流掛性越好。觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，可以滿足施工要求。

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