橋梁伸縮縫用聚合物混凝土抗壓/抗折及粘接性能測試研究

徐凱文，徐利軍

(1.成都錦城學院，四川 成都 611731；2.四川路橋集團，四川 邛崍 657700)

受橋梁特殊結構的影響，在建筑橋梁的時候需要設計一些橋梁伸縮縫，以滿足橋梁上部結構變形需求。但正因為如此，對橋梁接縫混凝土的要求也相對較高。傳統(tǒng)橋梁接縫混凝土存在抗折強度低、早期強度低不利于較早開放交通和鋼纖維分布不均，對混凝土抗折性能優(yōu)化效果不大。對橋梁接縫混凝土進行改性是目前較為重要的研究課題。對此，部分學者也進行了很多研究，如研究了養(yǎng)護方式對橋梁接縫混凝土性能的影響，結果表明，適合的養(yǎng)護方式和在混凝土內(nèi)添加一定防膨劑能有效的實現(xiàn)混凝土溫升和溫降過程的補償收縮[1]。通過在接縫混凝土中摻加一定量的粗骨料，制備出了一種超高性能混凝土，并對其耐久性能進行研究，結果表明，制備的混凝土具備較好的耐久性能[2]。以環(huán)氧樹脂為基礎，對橋梁混凝土的耐濕熱性能進行改性，結果表明，環(huán)氧樹脂混凝土能有效改善橋梁混凝土的耐濕熱性能[3]?；诖耍驹囼炘谖墨I[4]的研究基礎上，以環(huán)氧樹脂為主要材料，制備新型橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土，并對其性能進行探究。

1 材料與設備

1.1 材料與方法

主要材料：環(huán)氧樹脂(市售)，能祥節(jié)能科技；水泥(P·O42.5)，華宇大地水泥制造；砂石(Ⅱ級)，永順礦產(chǎn)品；固化劑(CP)，乾洲化工；增塑劑(CP)，旭光化工。

主要設備：NJ-160B水泥攪拌機，華錫試驗儀器；YAW-300微機控制抗壓抗折試驗機，代新科試驗儀器；ZW-015紫外老化試驗箱，億軒試驗儀器；XC-HS-50恒溫恒濕箱，賢臣環(huán)境試驗設備。

1.2 試驗方法

1.2.1配合比設計

橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的服役條件較為惡劣，需要承受車輛荷載與伸縮裝置傳導力的共同作用，因此對其性能的要求相對較高。根據(jù)國家水泥混凝土路面設計強度規(guī)定，特重交通等級水凝混凝土路面抗折強度應高于6 MPa，抗壓強度應高于42 MPa[4]。同時，環(huán)氧樹脂混凝土具備易凝結的特點，這是不利于施工的，因此要求橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的初凝時間超過30 min[5]。鑒于此，對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的配合比進行設計，具體如表1所示。

表1 混凝土配合比設計Tab.1 Concrete mix proportion design

1.2.2橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的制備

(1)根據(jù)表1配比將砂石骨料和水泥倒入水泥攪拌機中，充分攪拌得到混合料；

(2)將環(huán)氧樹脂、固化劑和增韌劑混合均勻，得到環(huán)氧樹脂膠粘劑；

(3)將環(huán)氧樹脂膠粘劑倒入水泥混合料中，充分攪拌得到橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿，倒入模具中養(yǎng)護；具體制備過程如圖1所示。

圖1 橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的制備過程Fig.1 Preparation process of epoxy resin concrete in bridge expansion joint transition zone

1.3 性能測試

1.3.1初凝時間測試

參照 GB/T 50080—2016和DL/T 5193—2004中的抹刀測試和維卡儀指針方法對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿時間進行測試定[6-7]；初凝時間為抹刀測試和維卡儀指針測試時間之和。

1.3.2抗壓強度測試

參照 GB/T 50081—2019中的方法對混凝土抗壓強度進行測定[8]。具體過程為：制備尺寸為300 cm3的混凝土，置于YAW-300型微機控制抗壓抗折試驗機中心，以0.8 MPa/s的加載速度對混凝土施加壓力至混凝土破壞。

抗壓強度表達式：

(1)

式中：f為抗壓強度,MPa；F為混凝土破壞時荷載，N；A為混凝土承壓面積，m2。

1.3.3彈性模量測試

通過對混凝土微變形進行測試，表征混凝土的彈性模量[9]。具體過程：用微機控制抗壓抗折試驗機以0.8 MPa/s的加載、卸載速率作用于混凝土，標距為150 mm。數(shù)據(jù)由高精度位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，加載示意圖如圖2所示。

圖2 彈性模量試驗加載示意圖 Fig.2 Loading diagram of elastic modulus test

彈性模量表達式：

(2)

式中：E為彈性模量，MPa；A為混凝土承壓面積，cm2；F0為應力0.5 MPa時的荷載，N；εa、ε0為Fa、F0時試件2側(cè)變形的平均值；L為測量標距，mm；Fa為應力在三分之一軸心抗壓強度對應的荷載，N。

1.3.4抗折強度測試

抗折強度與抗壓強度測試方式類似，本節(jié)不多敘述。

抗折強度表達式[10]：

(3)

式中：ff為抗折強度，MPa；Ff為試件破壞荷載，N；lf為支座間跨度，mm；bf為試件截面寬度，cm；hy為試件截面高度，cm。

1.3.5粘接強度測試

制備尺寸為150 mm3的普通混凝土試件并養(yǎng)護至14 d。將混凝土劈裂成6塊，之后洗凈，放入立方體試模一側(cè)。制備橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿，在立方體試模的另一側(cè)進行澆筑，振搗密實后標準養(yǎng)護至指定齡期，以粘接平整的側(cè)面作為劈裂面，對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的粘接強度進行測定。

粘接強度表達式[11-12]：

(4)

式中:ft為粘接強度，MPa；Ft為試件破壞荷載，N；At為試件劈裂面面積，cm2。

1.3.6耐老化試驗

橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土因其特殊的工作需求，在使用的過程中，需要長時間經(jīng)受太陽紫外線照射，受高溫和雨水的侵蝕，因此對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的耐紫外老化性和耐濕熱老化性提出更高的要求。以北京地區(qū)的太陽輻射強度為模擬對象，則模擬橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土一年加速紫外老化所需的時間約為68.9 h[13]。部分學者研究發(fā)現(xiàn)，渡區(qū)混凝土的疲勞使用壽命約為8 年[14]。為了探究本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土在使用過程中的耐久性，選擇模擬老化時間分別為4年(275.6 h)和8年(551.2 h)。

紫外老化試驗：將待測樣品置于ZW-015型紫外老化試驗箱內(nèi)，設置老化溫度50 ℃模擬太陽紫外線老化過程，老化后，測定混凝土力學性能。

耐濕熱老化試驗：將待測樣品放入XC-HS-50型恒溫恒濕箱內(nèi)進行耐濕熱老化試驗，設置箱內(nèi)溫度和濕度分別為80 ℃和90%，測定老化后混凝土力學性能變化[15]。

2 結果與討論

2.1 初凝時間測試結果

以抹刀測試結果與維卡儀指針測試結果之和作為初凝時間測試結果，具體結果如表2所示。

表2 初凝時間測試結果Tab.2 Test results of initial setting time

由表2可知，3組橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿初凝時間皆超過30 min，說明滿足設計要求。

2.2 力學性能分析

2.2.1抗壓強度測試結果

圖3為抗壓強度試驗結果。

圖3 抗壓強度測試結果Fig.3 Test results of compressive strength

從圖3可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的抗壓強度表現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，但是增幅并不明顯。這說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強度在3 d齡期時，就基本趨于穩(wěn)定，后續(xù)雖然有一定的增強，但是增強效果并不大。這種早強特性滿足工期要求短，能快速達到通車強度的橋梁伸縮縫過渡區(qū)需求。值得一提的是，在養(yǎng)護時間為3 d時，橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的抗壓強度就已經(jīng)達到了88 MPa，已經(jīng)遠高于設計強度。這說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土在工作性能和抗壓強度方面均滿足設計要求。

2.2.2彈性模量測試結果

橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土除了需要承擔一定的承重要求外，還需要起到一定的過渡作用，因此對彈性模量也有一定的要求，彈性模量的測試結果如圖4所示。

圖4 彈性模量試驗結果Fig.4 Test results of elastic modulus

從圖4可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增加，混凝土彈性模量始終在13.7～14.8 GPa內(nèi)波動，并不出現(xiàn)明顯增加或回縮現(xiàn)象。由此可見，本試驗制備的混凝土不僅具備早強高的特定，后期強度仍有小幅度增長，彈性模量穩(wěn)定的維持在伸縮裝置與瀝青鋪裝層混凝土的彈性模量之間，不出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的工作性能。

2.2.3抗折強度測試

圖5為抗折強度測試結果。

圖5 抗折強度測試結果Fig.5 Test results of flexural strength

從圖5可以看出，養(yǎng)護時間為3 d的混凝土樣品抗折強度達到了20.6 MPa，繼續(xù)增加養(yǎng)護時間，抗折強度表現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，且與抗壓強度變化規(guī)律類似。在養(yǎng)護早期，混凝土抗折強度就已經(jīng)遠高于國家水泥混凝土路面設計抗折強度要求，滿足橋梁伸縮縫過渡區(qū)使用要求。

2.2.4粘接強度

除力學強度外，橋梁在承受超重壓力時，過渡區(qū)域因材料與路面材料有一定的差異，因此容易出現(xiàn)脫粘的現(xiàn)象，縮短橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的使用壽命。在進行橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土設計時，需要對其粘接強度進行研究，結果如圖6所示。

圖6 粘接強度測試結果Fig.6 Adhesion strength test results

從圖6可以看出，在養(yǎng)護齡期為3 d時，混凝土的粘接強度就已經(jīng)達到了2.73 MPa，高于C50水泥混凝土粘接強度標準值。這說明了本試驗制備的混凝土具備較好的粘接性能，繼續(xù)增加養(yǎng)護時間，混凝土的粘接強度有小幅度提升，但并不出現(xiàn)較大的差別。也就是橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土在養(yǎng)護早期就已經(jīng)達到了較高的粘接強度，表現(xiàn)出良好的粘接性能。

2.3 耐老化性能測試

2.3.1耐紫外老化試驗結果

橋梁伸縮縫過渡區(qū)混凝土使用時，需要長時間接受紫外線的影響，因此需要對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的耐紫外線老化性能進行測試，表面混凝土因紫外老化造成性能缺失，影響工作性能；紫外老化后混凝土力學性能變化如表3所示。

表3 紫外老化結果Tab.3 UV aging results

由表3可知，經(jīng)過紫外老化后，橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的力學性能皆有所下降，其中彈性模量減少量最大，粘接強度減少量最少。經(jīng)過紫外老化275.6 h(模擬太陽光4年照射時間)后，彈性模量減少了1 GPa，抗壓、抗折、粘接強度分別減少了5.6、1.4和0.2 MPa。經(jīng)過紫外老化551.2 h(模擬太陽光8年照射時間)后，彈性模量減少了0.5 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了9、2.6和0.32 MPa。通過以上數(shù)據(jù)變化可以看的出來，經(jīng)過紫外老化處理后，混凝土的力學性能雖有所下降，但仍舊高于國家對路面強度規(guī)定的設計值。也就是說，本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土表現(xiàn)處理較好的耐老化性能。

2.3.2耐濕熱老化試驗結果

在橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土使用過程中，除了需要受到太陽紫外光老化的影響外，還需要受濕熱老化的影響；表4為混凝土耐濕熱老化性能試驗結果。

表4 濕熱老化結果Tab.4 Damp heat aging results

由表4可知，濕熱老化的影響與紫外老化的影響類似，經(jīng)過濕熱老化處理后，混凝土力學性能皆有所下降，且仍為彈性模量減少量最大，粘接強度減少最小。經(jīng)過濕熱老化275.6 h后，彈性模量減少了1.2 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了17.9、1.90和0.27 MPa。經(jīng)過濕熱老化處理551.2 h后，彈性模量減少了0.9 GPa，抗壓、抗折和粘接強度分別減少了11.7、3.10和0.42 MPa。以上試驗結果表明，經(jīng)過濕熱處理后，雖混凝土力學強度有所下降，但是力學性能強度仍舊高于設計值，這就說明本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土性能表現(xiàn)良好。

而紫外老化和濕熱老化過程中，粘接強度皆明顯下降的原因在于，混凝土間存在較為明顯的孔隙，因此老化因子可通過孔隙進入試件的內(nèi)部，進而對試件粘接性能產(chǎn)生影響。雖然經(jīng)老化處理后，混凝土粘接強度略有降低，但仍舊滿足粘接強度標準值，表現(xiàn)出良好的粘接性能。

3 結語

綜上所述，本試驗制備的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土表現(xiàn)出良好的力學性能和耐老化性能，可以在橋梁伸縮縫過渡區(qū)使用。

(1)對橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿初凝時間進行測定，測試結果皆高于設計值30 min，表現(xiàn)出較好的施工性能；

(2)橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土早期力學性能較佳，在低養(yǎng)護齡期的條件下就能達到較高的力學強度，養(yǎng)護齡期為3 d時，橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土抗壓、抗折、粘接強度分別為88.8、20.6和2.73 MPa，彈性模量為13.7 GPa；

(3)經(jīng)過紫外老化和濕熱老化處理后，橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的力學性能有所下降，但仍舊高于國家對路面強度規(guī)定的設計值，表現(xiàn)出良好的耐老化性能。