濕熱-疲勞作用下水性環(huán)氧樹脂橋梁混凝土裂縫演化

黃忠財， 吳金華， 郭寅川*， 靳欣寬， 何子明， 丑濤， 魏鑫

(1. 廣西桂龍高速公路有限公司， 南寧 530000； 2. 長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 西安 710064)

橋梁混凝土在環(huán)境溫濕度變化或設計施工不合理等非荷載因素作用下極易出現(xiàn)各類早期裂縫[1-3]。進入服役期后，這些裂縫在行車荷載、動水沖刷及自然環(huán)境的交替甚至是耦合作用下進一步擴展會引發(fā)結構物宏觀破壞。特別是在中國部分濕熱地區(qū)，年降雨量大，各季節(jié)濕度變化大，橋梁常年經(jīng)受干濕循環(huán)、動水沖刷，甚至鹽分侵蝕等環(huán)境及荷載綜合作用，導致橋面混凝土開裂嚴重甚至反射至瀝青面層導致橋面病害發(fā)生；同時，水分及侵蝕性物質將隨裂縫進入混凝土內，引起主梁配筋銹蝕、失穩(wěn)。因此提高橋梁混凝土抵抗開裂的能力對提升濕熱地區(qū)橋梁混凝土安全性和耐久性至關重要。

為降低混凝土細觀裂縫對其宏觀性能帶來的不利影響，目前國內外專家學者大多采用摻入聚合物材料改善混凝土微觀結構的方法[4-6]，如將聚合物顆粒加入水泥漿中改善水泥漿體孔結構[7]，將粗砂及細砂混合環(huán)氧樹脂作為黏合劑，憑借聚合物成膜填充孔隙，進而提高混凝土致密性[8]，或直接加入丁苯乳液或羧基丁苯乳液使得混凝土大孔比例減少來提升混凝土致密性[9]。此外，加入苯丙乳液能夠生成聚合物膜存在于骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)薄弱處，從而抑制微裂縫的萌生及擴展[10-11]。這些措施從一定程度上改善了混凝土微觀結構，對其宏觀性能有一定提高，但部分材料仍存在抗裂改善效果不佳、改性機理不明確和造價高等缺陷。

水性環(huán)氧樹脂作為一種高分子聚合物，因其特殊的分子鏈結構和良好的成膜特性，將其按一定比例摻加到水泥基材料中，能夠很好地改善水泥基材料的微裂縫，提高抗?jié)B性及耐久性，且綠色環(huán)保，價格低廉。同時，環(huán)氧樹脂可以抑制晶體生長，在水泥基材料內部形成連續(xù)的三維網(wǎng)狀結構增加水泥基材料柔韌性及致密性，且在水化過程中，網(wǎng)狀膜能使骨料和水泥漿體黏結更牢固[12-15]。此外，水性環(huán)氧樹脂還能提高水泥混凝土的抗彎拉強度和柔韌性[16]。

綜上所述，國內外學者對水性環(huán)氧樹脂改性混凝土做了一些研究，但是這些研究大多集中在普通混凝土材料，缺少將其大規(guī)模應用于橋梁結構中且沒有針對橋面板混凝土特殊的工作環(huán)境進行深入研究，尤其是在濕熱-荷載雙重耦合作用下的研究還未見報道。同時在濕熱地區(qū)交通荷載作用下水性環(huán)氧樹脂橋梁混凝土的細微觀結構損傷研究還未提及。因此現(xiàn)以水性環(huán)氧樹脂改性橋梁混凝土為研究對象，對荷載-濕熱特殊條件下橋面板混凝土進行疲勞試驗，并與基準組橋梁混凝土進行對比研究，深入分析水性環(huán)氧樹脂改性橋面板混凝土細觀裂縫結構的演化規(guī)律和損傷機理。研究成果可為濕熱地區(qū)提高橋面鋪裝混凝土性能、延長橋面鋪裝混凝土使用壽命和提高其耐久性提供一種解決方法，并為在特殊濕熱地區(qū)選擇橋梁混凝土類型及應用提供一種參考。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

選用秦嶺牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粗集料為花崗巖碎石，分為 4.75～9.5 mm及 9.5～19 mm 兩個級別，采用1∶4的比例摻配；細集料選用城固縣的河砂，細度模數(shù)為2.72的中砂；減水劑采用山西黃河化工有限公司生產(chǎn)的HL-HPC3聚羧酸高性能減水劑；消泡劑采用江蘇南通晗泰化工廠生產(chǎn)的F111型消泡劑；水為西安市政飲用水；水性環(huán)氧樹脂采用山東臨沂瑞三化工生產(chǎn)的WE-8231型水性環(huán)氧樹脂，具體技術指標如表1所示。

1.2 混凝土配合比

為比較水性環(huán)氧樹脂對橋面板混凝土裂縫結構的影響，設計了基準組與水性環(huán)氧樹脂組混凝土配合比，如表2所示。根據(jù)課題組前期試驗研究及對前人工作總結[4,17]，由表3可知，水性環(huán)氧樹脂選用3%、6%和9%作為外加劑摻入橋面混凝土中進行試驗，當水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時，其力學性能達到最優(yōu)(28 d抗壓強度為53.2 MPa，28 d抗彎拉強度為6.57 MPa)，基準組的抗壓強度和抗彎拉強度分別為52.1 MPa和5.19 MPa，因此水性環(huán)氧樹脂摻量取膠凝材料總量的3%摻入。消泡劑摻量為水性環(huán)氧樹脂質量的0.5%。

表2 水性環(huán)氧樹脂改性橋面板混凝土配合比

表3 C40-J和 C40-3%工作性能指標及力學性能指標

1.3 試驗內容

1.3.1 耦合疲勞試驗

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)，采用MTS萬能試驗機對成型100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進行彎拉荷載疲勞試驗，試件的養(yǎng)生齡期為90 d。加載方式為三分點正弦波加載，加載模式采用控制應力模式，加載頻率10 Hz。為盡可能模擬橋面板混凝土在濕熱地區(qū)實際工作環(huán)境，高溫環(huán)境試驗水平確定為40 ℃，濕度水平取70%，在疲勞加載完成后再把試件放置在可程式恒溫恒濕箱中7 d。一般交通荷載作用下的路面所受到的應力水平范圍在0.2～0.65，研究表明[17]當彎拉應力低于50%抗彎拉強度時，該應力水平下混凝土的損傷較小，破壞周期較長。若彎拉應力高于80%抗彎拉強度時，試件易過早發(fā)生斷裂，從而失去研究意義。為了探索橋面板混凝土在濕熱地區(qū)裂縫結構的損傷規(guī)律和演化規(guī)律，本研究采用0.65應力水平，疲勞加載0、3、6、9 萬次。在9萬次疲勞加載下，混凝土的裂縫長度和裂縫面積密度達到最大(26.438 μm和2.92%)，因此當荷載水平超過0.65，疲勞作用次數(shù)達到10萬次以上時，混凝土試件易發(fā)生斷裂破壞。為充分反映橋面板混凝土的損傷過程，避免應力過高試件發(fā)生斷裂，同時考慮水性環(huán)氧樹脂對混凝土疲勞損傷過程的影響。

設計了分階段疲勞加載方案，最終選擇0.65荷載應力水平。耦合方案如表4所示，將耦合作用分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個階段，每個階段都在前一步驟結束后累計進行。同時為了研究水性環(huán)氧樹脂對混凝土細觀裂縫結構的影響，在單場及雙場兩種耦合情況下分別設計了水性環(huán)氧樹脂組和基準組進行對照，探討水性環(huán)氧樹脂對混凝土裂縫結構演化過程的影響。

表4 耦合試驗方案

1.3.2 混凝土細微觀裂縫結構測試

在耦合疲勞試驗各個作用階段完成后，采用切割機對水泥混凝土試件進行切割取樣，考慮混凝土層位對裂縫結構的影響，選擇分層取樣法，在混凝土試件跨中部位用切割機取出5 mm厚的試樣，對試樣進行打磨、拋光、用無水乙醇浸泡、烘干及噴金等處理后，對試樣上、中、下層三等分取樣，每個層位取5 mm×5 mm×5 mm大小的樣品，如圖1所示。采用JEOL JSM-6390A場發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對樣品細觀裂縫進行形貌表征，同時采用MATLAB軟件預處理技術實現(xiàn)對混凝土試件裂縫圖像的處理，以改善裂縫結構圖像的質量。其次借助Image-Pro Plus軟件對分割后的混凝土試件圖像進行細觀裂縫結構特征參數(shù)提取，對裂縫面積密度、長度、寬度及盒分形維數(shù)等裂縫特征參數(shù)測量后進行定量化分析。

圖1 試件取樣位置

以28 d齡期水性環(huán)氧樹脂摻量為3%的混凝土試件為例，按分層取樣法進行分割取樣，采用Image-Pro Plus軟件對分割后裂縫圖像進行參數(shù)提取，裂縫面積密度、裂縫平均寬度、裂縫最大長度、盒分形維數(shù)處理結果如圖2所示。

從圖2可知，裂縫結構參數(shù)與混凝土層位存在輕微差異，但并不顯著，這表明裂縫在混凝土內部的分布是隨機的，因此后續(xù)研究中不再考慮混凝土層位的影響，采用各層統(tǒng)計平均值來對裂縫結構參數(shù)進行描述。為了研究水性環(huán)氧樹脂與水泥的界面，對硬化試件破碎拋光后使用SEM測試。同時采用SEM觀測水泥漿體孔隙形貌及混凝土斷面微觀形貌，從微觀層面深入探討水性環(huán)氧樹脂對橋面板混凝土裂縫結構的影響規(guī)律。

圖2 不同層位裂縫結構參數(shù)

2 分析與討論

2.1 荷載單因素作用下裂縫演化規(guī)律

圖3為基準組與水性環(huán)氧樹脂組在荷載單因素作用下裂縫結構參數(shù)隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律。

由圖3(a)可知，混凝土裂縫面積密度均隨著疲勞荷載次數(shù)的增加而逐漸增大。相比基準組，在荷載作用3萬次時，水性環(huán)氧樹脂組裂縫面積密度減小了24.11%，說明水性環(huán)氧樹脂可以有效抑制裂縫結構的發(fā)展。

由圖3(b)可知，總體上裂縫最大長度呈交替上升的增大過程，延長度方向的變化是萌生-閉合-延伸的交替過程?；鶞式M與水性環(huán)氧樹脂組在作用階段Ⅳ時的裂縫最大長度分別是初始長度的2.28倍和2.04倍。

由圖3(c)可知，在荷載作用階段Ⅱ時，雖然裂縫長度增加，但寬度有小幅度下降，但總體呈現(xiàn)增大趨勢。這是因為在疲勞荷載作用初期，混凝土內部會進一步密實。

由圖3(d)可知，基準組盒分形維數(shù)隨荷載作用階段增加而增加，但盒分形維數(shù)在作用階段Ⅳ時出現(xiàn)轉折，沿著主裂縫的方向發(fā)展。

圖3 荷載作用下各階段橋面板混凝土裂縫結構參數(shù)

綜上分析，在單場作用下，基準組和水性環(huán)氧樹脂組混凝土的裂縫結構均有不同程度的損傷，其中基準組損傷較為嚴重，而加入水性環(huán)氧樹脂有利于減小混凝土裂縫結構的損傷程度。

2.2 濕熱-荷載耦合作用下裂縫演化規(guī)律

圖4為基準組與水性環(huán)氧樹脂組在耦合作用下裂縫參數(shù)隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律圖。

由圖4可知，在荷載-濕熱雙場耦合下，基準組與水性環(huán)氧樹脂組混凝土裂縫結構參數(shù)總體變化趨勢與荷載單場作用時整體變化趨勢大致相同，但也有區(qū)別，具體表現(xiàn)如下。

圖4 雙場耦合下各階段橋面板混凝土裂縫結構參數(shù)

(1)在階段Ⅱ時，雙場耦合下的裂縫面積密度與單場作用時相比有降低趨勢，基準組與水性環(huán)氧樹脂組降低幅度分別為9.82%和7.06%，但在階段Ⅳ時，裂縫面積密度分別增加了17.5%和17.7%。

(2)在階段Ⅱ時，耦合作用下的裂縫平均寬度呈下降趨勢，但雙場耦合下的降低幅度小于荷載單場下的；在作用結束時，裂縫平均寬度分別增大了31.24%、48.41%。

(3)在荷載單場與耦合作用下，水性環(huán)氧樹脂組混凝土裂縫分形維數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢。在結束時，裂縫盒分形維數(shù)分別增加了0.9%和1.1%。

總體而言，在雙場耦合下，早期的濕熱環(huán)境抑制了裂縫的這3個參數(shù)的發(fā)展，而在后期促進了裂縫結構發(fā)展。

2.3 濕熱-荷載耦合作用下混凝土裂縫結構損傷機理

濕熱-荷載耦合作用下混凝土細觀裂縫結構的演化過程如圖5所示，可將其分為以下3個階段。

圖5 混凝土微裂縫的結構損傷機理分析

(1)裂縫壓縮變形階段：在耦合作用下，由于體系內不同物相之間存在不協(xié)調變形，微裂縫在被壓縮時，細觀裂縫開始萌生與擴展。在階段Ⅱ時，水性環(huán)氧樹脂組裂縫最大長度和裂縫面積密度與初始值相比分別增加了31.61%和51.92%。

(2)裂縫擴展階段：隨著耦合作用持續(xù)進行，物相間的不協(xié)調變形增大，在漿體內部有更多彌散性的微裂縫產(chǎn)生和擴展。同時裂縫沿長度和寬度方向擴展程度增加，混凝土內部結構逐漸松散化。在階段Ⅲ時，水性環(huán)氧樹脂組的裂縫最大長度和裂縫平均寬度與初始值相比分別增加46.18%和58.94%。

(3)裂縫貫通階段：在耦合作用后期，荷載應力與高溫膨脹應力促使最大裂縫長度和裂縫平均寬度增加，最終導致裂縫相互交叉貫通，這為水分侵入提供了條件，同時加速了內部結構損傷。在階段Ⅳ時，水性環(huán)氧樹脂組最大裂縫長度和平均裂縫寬度與初始值相比分別增加114.88%和79.81%。

2.4 水性環(huán)氧樹脂對混凝土裂縫結構改性機理

圖6為基準組與水性環(huán)氧樹脂改性水泥漿體孔隙形貌的掃描電鏡圖。相比基準組，加入水性環(huán)氧樹脂乳液后，水泥漿體中大孔明顯減少，漿體結構更加致密。這是因為加入水性環(huán)氧樹脂乳液后，水泥水化不單是原來的水化硬化過程，而是變成與水性環(huán)氧樹脂乳液共同作用下的水化硬化過程。在水化初期，尺寸較小的水性環(huán)氧樹脂顆粒均勻分散于水泥漿體之中，沉積在未水化水泥顆粒表面，延緩了水泥的水化，使誘導期和加速期逐漸后移，同時水性環(huán)氧樹脂顆粒阻礙了水化相與未水化相之間的相互連接。隨著水化進行，毛細孔隙中的水性環(huán)氧樹脂失水逐漸團聚在一起，與黏結的水化產(chǎn)物與水泥顆粒一起封閉了漿體內的較大孔隙。進而提高了混凝土抗裂性。

圖6 水性環(huán)氧樹脂對水泥漿體孔隙形貌的影響

圖7為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土斷面掃描電鏡圖。在水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的斷面裂口處存在著明顯的被撕裂開的聚合物膜，這表明聚合物膜能有效地橋聯(lián)于微裂縫之間，使得裂縫處乃至整個基體的應力重新分布。水性環(huán)氧樹脂膜的柔性鏈結構與水泥石的剛性鏈結構相互交織纏繞，當外界荷載作用時，柔性鏈的吸能作用，兩種結構之間的牽制作用和黏結作用可以有效地分散荷載的應力集中，減少混凝土內部細觀裂縫結構的損傷，使得橋面板混凝土抵抗荷載能力大幅提高。

圖7 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土斷面掃描電鏡圖片

3 結論

(1) 濕熱環(huán)境對橋梁混凝土裂縫的擴展有促進作用。相比荷載單場作用，耦合作用組的裂縫面積密度增加了21.2%，平均寬度增加了31.24%，最大長度增加了9.9%，盒分形維數(shù)增加了0.2%，應在橋梁混凝土設計時考慮濕熱環(huán)境帶來的影響。

(2) 無論是在荷載單場作用下還是在耦合作用下，加入水性環(huán)氧樹脂都使得裂縫平均寬度、最大長度、盒分形維數(shù)和面積密度減小。其中單場下分別為減小幅度分別為34.9%、29.9%、1.4%和23.6%，雙場下分別為26.4%、33.2%、1.6%和23.4%，說明加入水性環(huán)氧樹脂能有效提高橋梁混凝土抗裂能力，提升橋梁混凝土的耐久性，延長其使用壽命。

(3) 水性環(huán)氧樹脂混凝土微觀形貌分析結果表明，在荷載-濕熱耦合下，橋梁混凝土細觀裂縫結構演化過程主要為壓縮變形，裂縫擴展和裂縫貫通三個階段。此外，水性環(huán)氧樹脂能在混凝土內部形成柔性聚合物膜，橋聯(lián)于微裂縫之間，從而有效抑制混凝土細微觀裂縫的延伸與擴展，可以提高混凝土抵抗荷載-濕熱耦合作用的能力。