不中断交通桥梁铰缝加固环氧树脂的研究

杨小森 王 晖 张军林 魏 强 吴来帝

（1甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730203）

我国早期建设的桥梁中，空心板桥梁占据了很大比例。这些桥梁的铰缝连接处较为薄弱，主要病害表现为渗水严重，并造成梁板混凝土侵蚀严重，最终形成单板受力，危害桥梁安全[1,2]。当前针对空心板梁桥横向整体性与刚度的加固维修方法有粘贴钢板加固法、横向体外预应力加固法、桥面补强层加固法和灌浆加固法等[3-7]。其中灌浆加固法具有施工过程方便，施工周期短，对交通和桥梁原有结构无影响的优点，消耗的人力物力少，具有最佳的经济性[8]。

当前处治桥梁铰缝病害常用的灌浆材料有水泥浆及化学胶结材料。采用化学胶结材料进行灌浆加固，常用的化学材料有环氧树脂、甲基丙烯酸酯等，这些化学材料粘结强度高、粘度低、收缩小，加固效果优异[9,10]，是不中断交通桥梁铰缝加固的理想材料。

当前这类材料存在的主要问题是难以在提供足够可操作时间的前提下快速固化，在施工时容易受到时间、配比和环境温度等因素的影响，对加固效果产生影响[11,12]，表现为早期强度不高，易受到交通荷载及其他因素的干扰。

本文针对不中断交通桥梁铰缝加固施工的特点，以降低交通荷载及周围环境对加固效果的影响为目标，研发出适用于此类施工的环氧树脂类灌缝胶。

1 实验原料及仪器

环氧树脂ER-1及ER-2：弈成新材料科技（上海）有限公司；固化剂：自制；促进剂：陶氏化学；同类型产品：市场在售某桥梁加固用改性环氧树脂。

2 试验部分

2.1 力学性能测试

根据《树脂浇铸体性能试验方法》GBT2567-2008中规定测定材料在拉伸过程中的拉伸应力与弹性模量。

根据《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》GB/T7124-2008测定涂层与底材间附着破坏时所需的剪切应力指标。

根据《胶粘剂对接接头拉伸强度测定方法》GB/T6329-1996测定涂层与底材间的正拉粘结强度。

根据《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》GB/T 50728-2011测定加固材料与基材发生内聚、粘附或者混合破坏的正拉粘接强度。

低温力学性能测试时，将试件在10℃下养生，达到规定时间后在10℃环境中按照上述要求进行相应力学性能的测试。

2.2 缩尺模型干扰试验

使用聚合物快硬混凝土制成500mm×100mm×30mm的模型小梁，其抗压强度约为45MPa，抗折强度为2.5～3.0MPa。如图1所示，将三根模型小梁用铰缝加固胶树脂粘结在一起，在树脂固化过程中，于中间位置小梁上施加扰动，使该小梁相对两边小梁发生1～2mm位移，频率为1～2分钟1次。干扰持续12小时后停止，继续养生至规定时间后在中间小梁上施加荷载，直至小梁破坏。

图1 缩尺模型干扰试验方案

2.3 接触角测试

制备尺寸为70mm×70mm×40mm混凝土试块，作打毛处理，保证打毛面的平整。将打毛面朝上，在接触角仪上测定相应胶液在该面的接触角。潮湿基面测试时预先将试块于水中浸泡24h，取出用湿毛巾擦去表面明水，然后立即进行接触角的测试。

3 结果与讨论

3.1 施工性能

如表1所示，为不同成分对材料各方面性能的影响，“+”代表该成分有利于材料相应的力学性能或施工性能，“-”反之。

早期强度的调整主要通过加快材料固化反应速度以及增加刚性组分来实现。促进剂的使用可以加快反应速度，但是其掺量的增加会对粘结性能和胶体性能产生影响，需要在适宜的范围内进行调整；在材料的A组分中增加环氧树脂ER-2的含量，不但有助于提升其早期强度，还能进一步改善树脂传递荷载的能力，然而由于ER-2的粘度较大，因此其用量应保证使材料粘度不高于500mPa·s[3]，以满足压力注胶的需求。

表1 材料中不同组分的作用

当A组分中ER-1与ER-2的比例调整为ER-1:ER-2=1:5时，体系粘度达到480mPa·s，此时达到ER-2的最大允许量。在ER-2的适用范围内，再进行促进剂的用量调整，不同促进剂掺量的环氧树脂固化时间（150g）如表2所示。

需要指出的是，树脂的固化速度会随着温度的升高而加快，而环氧树脂的固化是一个放热的化学反应，会导致混合后的树脂体系温度升高。此外，随着体系质量的增加，放热越升温越显著。因此，单次混合的树脂越多，其固化时间越短。在压力注胶施工中，需提供30min左右的可操作时间[4]，故模拟实际施工情况，在上述配方中挑选具有适宜反应速度和较低粘度的配比，比较其用量为3kg时的固化时间。由结果（表3）可知，当所混合的A、B组分质量增加时，固化时间减少，其中配方①、③和④的固化时间分别为31min、34min和29min，仍可提供足够的操作时间，能够进行注胶施工。

表2 不同配比的固化时间（150g）

表3 不同配比的固化时间（3kg）

图2 不同配比的72h弹性模量

图3 不同配比的72h拉伸曲线

3.2 力学性能

考虑到不中断交通桥梁铰缝加固的最终目的是改善空心板梁单板受力的状况，因此以材料的弹性模量作为指标，考察铰缝加固树脂传递荷载的能力。上述五种配比在23℃下固化72h后，弹性模量均大于同等条件下养护的同类型产品，表明改进后的材料可以有效传递荷载，使桥梁加固后形成各空心板共同受力的状态（图2、图3）。

选择固化时间最长的配比③进行粘结性能评价，基于桥梁铰缝的受力情况[2]，评价采用24h、72h钢—钢剪切试验和树脂浇注体拉伸试验，并与同类型产品比较。

与固化24h相比，固化72h后材料抗剪强度略有增加，但相差不大，表明材料在24h内已基本完成固化，尽管自研材料的抗剪强度低于同类型产品，但仍可以满足7MPa的相关规范要求（图4）。

图4 不同配方的24h和72h钢-钢抗剪强度

3.3 抗交通干扰性能

通过对缩尺模型进行干扰试验，可以更加直观地反映出铰缝加固胶的加固过程以及干扰对加固效果的影响。测试结果表明，配方④在不施加干扰的情况下，18h后即可达到三根小梁共同受力的状态，表现为三根小梁同时断裂，破坏荷载为单根小梁破坏荷载的2.04倍，24h后为2.43倍。而干扰后24h同样形成共同受力，且破坏荷载为单根梁的2.82倍（表4），甚至优于未受干扰时的情况，表明在施工过程中，交通荷载对自研材料不会产生显著影响。

表4 缩尺模型干扰试验方案及结果

3.4极端条件下施工

环氧树脂类铰缝加固树脂在低温下会出现粘度增加，固化反应变慢的现象，不利于铰缝注胶施工。针对此类施工环境，需对材料进行调整，增加促进剂掺量，加快反应速度，以满足低温施工需求。

配比④和⑤10℃条件下早期粘结能力与同类型产品相当，而24h后则更为优秀，且配比④的粘结性能最佳（图5）。而普通环氧树脂早期强度最差，12h和24h时均未固化，无抗拉和抗剪强度数据。

图5 不同配比在10℃条件下的

在缩尺模型试验中，配方⑤在10℃环境下固化3天后可以达到三根小梁同时断裂的效果；而同类型产品在同样条件下虽然也起到了传递荷载的作用，但是效果略差，在应变达到0.6mm时曲线出现拐点，三根小梁分为两次断裂（图6）。这表明自研材料在低温下能够改善桥梁单板受力的状况。

图6 10℃下固化72h后的缩尺模型干扰试验曲线

一般来说，环氧树脂与水不互溶，因此其对潮湿表面的润湿能力可能会小于干燥表面，从而影响到粘结效果。然而从不同材料各组分在混凝土表面接触角的测试结果来看（表4，图7），同类型产品A组分在干燥基面的接触角约为20°，在潮湿基面的接触角约为16°，自研材料A组分的接触角也由在干面约16°降至在湿面约13°。两种材料的B组分在混凝土表面的接触角则更小，其在干湿面上接触角的变化趋势也与A组分相似，同类型产品在干面的接触角约为8°，而在湿面上甚至低于仪器的检测限，B组分在干湿面上的接触角均因太小无法由仪器读出。接触角在潮湿基面上的降低表明少量的水不会影响环氧树脂及其固化剂在混凝土表面上的润湿能力，但是由于水的存在将环氧树脂与基面隔离开来，仍会对粘结强度产生影响，需要力学性能测试进一步验证。

表5 不同组分在混凝土基面上的接触角

图7 (a,b)同类型产品A组分、(c,d)同类型产品B组分、(e,f)自研材料A组分和(g,h)自研材料B组分分别在(a,c,e,g)干燥和(b,d,f,h)潮湿混凝土基面的接触角

两种材料在干燥的混凝土基面上均能够满足GB50728-2011中2.5MPa的粘接强度要求，而在潮湿基面上的粘结强度发生了不同程度地下降。其中自研材料配方④的粘结强度由干面的3.20MPa降至湿面的2.64MPa，同类型产品由3.42MPa降至2.42MPa。同类型产品在潮湿基面上粘结强度下降了29.2%；而自研材料的下降程度仅为17.5%。粘结强度和强度下降比例数据表明自研材料具有良好的潮湿基面粘结效果（图8）。

图8 不同基面对材料粘结能力的影响

4 工程应用

2016至2017 年，G6京藏高速和G312线部分位于甘肃省内的板式桥梁出现板梁间铰缝损坏，导致板梁出现单板受力状况，当地道路养护部门使用根据配方④生产的铰缝加固材料，采用不中断交通铰缝加固的方式对发生病害的桥梁进行了加固维修，且其中部分施工是在10℃左右的低温下完成。修复后的桥梁结构表现出良好的受力状况，并具备优秀的防水性能，取得了理想的加固维修效果。

图9 配方④在G6京藏高速上的应用

5 结 语

本文以粘度、固化时间、弹性模量和粘结强度为考察指标，测试了一系列环氧树脂配方，并确定了最佳配方作为不中断交通桥梁铰缝加固树脂。当ER-1与ER-2的比例1:3，促进剂用量为5%～7%时，材料粘度低于500mPa·s，3kg树脂固化时间大于30min，可以有效传递荷载，粘结强度达到相应规范要求，能够满足不中断交通加固桥梁铰缝的需求。而上述配方的缩尺模型在干扰后仍能形成共同受力，低温和湿面粘结效果均优于市售同类型产品，工程应用也表明该材料具有良好的加固效果。