新型高分子材料在模数式伸缩缝维修中的应用研究

李文秀

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

模数式伸缩缝被广泛应用于各种桥梁结构伸缩装置中，但两侧混凝土易与型钢锚固钢筋脱空，且伸缩缝型钢易出现疲劳断裂[1]。李婷[2]从设计、施工、养护管理及力学分析等方面桥梁伸缩装置的病害原因，同时研发了快速修复材料。阳初[3]采用SNSYS预估了伸缩装置各关键部位的疲劳寿命，提出了合理的混凝土选材要求及伸缩装置选型原则。何家张[4]分析了新型加劲橡胶条伸缩缝的优点，并将其应用到实体工程，详细介绍其施工工艺。沈维宏、刘元德、廖秀敏[5]通过实体工程将路面坑洞修复剂（AC-K5）应用到伸缩缝快速维修中，结果表明其具有施工方便、养生期短及修复效果良好的特点。舒兴旺[6]研究分析了桥梁伸缩装置的结构与功能、运行现状及破坏形式，详细描述了过渡区水泥混凝土的作用与功能、质量验收标准、应用现状及效果、发展趋势。

综上所述，针对已有桥梁伸缩装置病害特征及原因，工艺简单、造价低及效果良好的快速维修材料是今后发展的方向。因此，本文对模数式伸缩缝病害成因进行分析，研发新型高分子修补材料，结合实体工程总结施工工艺，为以后伸缩装置的设计与维修提供参考。

1 模数式伸缩缝病害调研分析

为了能够更好地了解模数式伸缩缝发生损坏形式与原因，对山西某高速公路多座桥梁模数式伸缩缝进行了现场调研，并结合多家养护单位调查观测资料进行了分析。

1.1 现场调研结果

通过现场观察发现，在实际使用过程中，90%的模数式伸缩缝混凝土过渡带出现较多的裂缝，主要表现为横向裂缝。若不能及时养护维修，裂缝迅速发展，将导致混凝土过渡带开裂，最终导致伸缩缝损坏。

此外，根据跟踪观测结果发现，维修后开放交通不久，很大一部分伸缩缝的混凝土过渡带就会再次发生损坏，主要损坏现象可分为以下几类：a）开放交通后维修过的伸缩缝的混凝土过渡带表面开始产生裂缝。b）混凝土与钢筋脱开，型钢与混凝土过渡带产生相对变形。c）混凝土碎裂并形成坑塘现象。

模数式伸缩缝典型破坏如图1所示。

图1 模数式伸缩缝典型破坏形态

1.2 病害类型及成因分析

进行资料查阅，并结合现场调研分析结果，对模数式伸缩缝病害类型及成因进行分类，可分为以下7种：

a）混凝土强度不足，没有设置钢筋网或钢筋网与桥面板的钢筋没有锚固到一起。当车辆通过时，车辆的跳动和振动导致刚性带混凝土细微裂缝。

b）伸缩缝两侧沥青与水泥混凝土铺装层破损，破碎变形严重。这主要是由于伸缩缝装置的型钢与混凝土及沥青混凝土的温度系数不同，温度变化导致材料出现差异性变形，引起接触面出现应力。

c）伸缩缝两侧水泥混凝土高于桥面铺装，导致水泥混凝土被冲击破损。

d）桥梁中部伸缩缝型钢腾空，车辆荷载作用导致型钢锚筋断裂脱落。

e）混凝土顶面保护层厚度不足，导致混凝土开裂并渗水。

f）伸缩缝下预埋件缺失。

g）型钢断裂、松动、翘起。

此外，现场调查结果表明，造成伸缩缝装置提前损坏的诸多因素中，由于设计不当造成的损坏约占15%；因伸缩缝产品质量不达标导致的损坏约占30%～40%；由于施工质量不符合标准而造成的损坏约占40%；因使用不当、维护不及时造成的损坏约占5%～10%。因此，采用良好的维修材料与成熟的施工工艺，并及时进行维修养护是保证模数式伸缩缝具有较长使用寿命的关键。

综上所述，强度形成快、强度高、与异型钢具有相似变形特性、施工工艺简单、造价低的维修材料是未来伸缩缝修补材料的方法方向。

2 新型高分子修补材料性能研究

2.1 材料组成

新型高分子修补材料（以下简称新型修补材料）具有技术先进、施工高效、经济合理、绿色环保等优点，用于破损伸缩缝的快速修补。新型修补材料主要由高分子砂浆和缝隙密封剂两部分组成。

2.1.1 高分子砂浆

新型修补材料中的高分子砂浆由特种高分子材料和高强度的骨料组成；具体配比为：环氧树脂A、B液体配比（3∶1），每100 kg高强度骨料配A液7.5 L和B液2.5 L。修补材料具有无溶剂、对水不敏感、高强度、一定弹性与耐久性的特性。

2.1.2 缝隙密封剂

新型修补材料中的缝隙密封剂具有无溶剂、高耐久、高伸缩率、环保型的特性。

2.2 性能研究

根据模数式伸缩缝病害分析可知，修补材料的强度、固化时间与变形能力是保证维修效果的关键因素。因此，本节通过室内试验对新型材料的性能进行研究。

2.2.1 强度特性

按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[7]采用振动成型方法制备 40 mm×40 mm×160 mm的水泥胶砂试件，其中振实次数为120次，在标准养护室养护3 h后拆模。

测试龄期分别为4 h、12 h、24 h的试件强度，试验温度为20℃。试验先在规定设备上以中心加荷法测定抗折强度，测试3次取抗折强度平均值，再用折断的6个半截棱柱体进行抗压实验，强度结果取平均值见表1，强度随龄期的变化规律如图2所示。

表1 抗压抗折强度试验结果

图2 强度变化规律

根据表1与图2可知，新型维修材料的抗压与抗折强度随养生时间以对数形式增长，早期强度形成较快，折压比约为0.25。养生24 h后的抗压强度高达34.5 MPa，而普通水泥砂浆具有7 d左右时间才能达到这一强度值；且7 d后的抗压与抗折强度基本稳定，分别高达68.4 MPa与15.2 MPa。说明新型维修材料具有强度高、速凝及韧性强的特征。

2.2.2 温度敏感性

从表1可知新型高分子材料24 h强度基本达到极限强度的50%，7 d强度基本形成，同时为模拟实际低温常温与极限高温环境，选择养生24 h与7 d的试件，测试其-10℃、0℃、20℃及70℃的抗压强度，试验结果见表2，抗压强度随温度的变化规律如图3所示。

表2 不同温度抗压强度试验结果 MPa

图3 抗压强度与温度柱状图

从表2与图3可以看出，养生24 h试件的抗压强度随温度的增加逐渐减小，而养生7 d试件抗压强度受温度变化影响较小。说明新型高分子材料温度敏感性较差，介于沥青混凝土与水泥混凝土之间，用于伸缩缝的维修避免了柔性沥青路面与刚性水泥混凝土之间的连接，起到良好过渡作用。

2.2.3 固化时间

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JTG/T70—2009）[8]，制备砂浆拌合物并装入砂浆容器内，将容器放到压力表盘上，采用标准的试验方法，测定贯入试针的贯入阻力值，在成型后10 min开始测定，以后每隔10 min测定一次。分别记录时间和相应的贯入阻力值，采用内插法确定贯入阻力值达0.7 MPa时所用的时间T即为固化时间。测试结果见表3。

表3 凝固时间试验结果

从表3可知，随着养生时间的增长，新型修补材料的贯入阻力值迅速增大，增长速率基本保持在0.1 MPa/10 min。根据测试结果可得到固化时间在65 min左右。而普通硅酸盐水泥修补材料的固化时间基本在4 h左右。这说明新型修补材料具有强度形成快的特征，满足快速维修的要求。

2.2.4 变形特性

根据美国德克萨斯州TEX-618-J标准，采用回弹率指标评价新型修补材料的变形特性，其中回弹率根据式（1）计算。

式中：s为最大位移量，若超过2.5 mm，取s=2.5 mm；f为试块最终高度；i为试块初始高度。

测试前，首先要测量试块初始高度i0开始测试，对100 mm×100 mm试块加载100 kN的静载，并以4 mm/min的速率进行加载，直至发生最大位移量或2.5 mm位移为止。达到最大位移后，释放荷载，静置5 min。测试此时试块高度f，即为最终高度。再利用式（1）计算试件的回弹率。由于异型钢变形及强度特性受气温影响可忽略不计，必须保证修补材料在不同温度下均具有良好的变形特性。因此，为了模拟实际低温与高温对伸缩缝的影响，测试新型修补材料-10℃、0℃、20℃及70℃的回弹率，研究其变形特性。试验结果见表4。

表4 回弹率测试结果

表4试验结果表明，新型修补材料的回弹率与温度成正相关关系，尤其是高温状态下回弹率几乎达到100%；且低温与高温条件下，回弹率都在96%以上。说明高分子修补材料具有良好的变形恢复能力。

综上所述，新型修补材料具有高强、速凝、良好变形恢复能力及温度敏感性介于沥青与水泥混凝土之间的特性。

3 工程应用与效果评价

3.1 施工工艺及质量控制

新型高分子修补材料的伸缩缝维修工艺流程主要包括：施工准备、交通组织实施、施工前检查、开槽清槽、更换伸缩缝、高分子砂浆浇筑与养护、嵌装泡沫条及灌注密封胶、清理现场、养生及开放交通几个部分。其中高分子砂浆浇筑与养护控制要点如下：

a）使用砂轮机打磨混凝土表面，在混凝土表面打磨光滑后使用高压气枪清理混凝土表面的杂物，保证混凝土表面的清洁。

b）在拌合混凝土过程中，每次重新拌料都必须对高分子砂浆、砂石料及其他应投料进行称重，并随机取样检查。

c）在伸缩装置型嵌入聚乙烯泡沫塑料片作模板，嵌入模板后，再次使用高压气枪进行清洁，保证槽区干净。之后取用未添加骨料的高分子树脂，将其涂抹在模数式伸缩缝槽区的底部和侧面，在高分子树脂还有黏性时铺上砂浆。

d）在左右两侧同时振捣混凝土，以保证混凝土尤其是位于型钢下面的混凝土振捣密实，振捣至型钢中不再产生气泡为止。

e）混凝土振捣步骤完毕之后，用抹板将混凝土内的水泥浆搓出，并重复4～5次，保证混凝土的平整，操作后的混凝土表面最好低于沥青路面上表面1 mm。

f）混凝土初凝后，采用塑料布进行洒水覆盖，确保混凝土处于潮湿状态。

将新型高分子修补材料应用于某桥梁伸缩缝维修中，施工完毕4 h后即可开放交通，有效缩短了交通管制时间，整体维修效果如图4所示。

图4 模数式伸缩缝维修效果

3.2 质量检测与评价

将现场拌制的新型高分子材料带回试验室进行性能检测，检测结果见表5。

表5 现场拌制材料性能检测结果

表5检测结果表明，现场取样新型高分子材料的抗压与抗折强度、固化时间、20℃回弹率与室内拌制材料相当，说明新型高分子材料的施工质量易于控制。

研究表明交通噪声会对沿线经济发展产生不良影响[9]。为了验证新型高分子材料维修伸缩缝的降噪效果，采用噪声测量仪测定车辆通过伸缩缝时的噪声大小，道路负荷度在 0.6～0.8，车速为 90±10 km/h，并与相邻路段采用普通水泥混凝土修补的伸缩对比，测试结果见表6。

表6 噪声测试结果 dB

从表6可以看出，新型材料修补的伸缩缝比普通水泥混凝土维修的伸缩缝噪声降低了3.0 dB，达到降噪效果，这主要是因为新型修补材料的刚度小于水泥混凝土。同时，根据日后对该伸缩缝使用情况的观察，维修后的伸缩缝具有更高的耐久性。

4 结语

本文结合现场调研、资料查阅、室内试验及实体工程应用，对模数式伸缩缝的病害、新型修补材料及施工工艺进行研究，得到以下结论：

a）混凝土强度形成慢、强度不足、与异型钢变形性能相差较大；且混凝土材料在车辆振动、自身收缩等因素的影响下，与主梁或桥台的锚固连接作用减弱，是导致模数式伸缩缝破坏或二次损坏的主要原因。

b）由高分子砂浆和缝隙密封剂组成的新型维修材料7 d后的抗压与抗折强度分别高达68.4 MPa与15.2 MPa，温度敏感性介于沥青与水泥混凝土之间，固化时间仅约65 min，-10℃～70℃温度条件下变形能力均为96%以上。说明该种材料具有高强、速凝及良好的变形恢复能力。

c）实体工程应用表明此类材料用于维修模数式伸缩缝能够快速开放交通，且具有耐久与降噪的效果。