桥梁伸缩缝用聚合物混凝土抗压/抗折及粘接性能测试研究

2023-03-09徐凯文徐利军

粘接 2023年2期

徐凯文，徐利军

(1.成都锦城学院，四川成都 611731；2.四川路桥集团，四川邛崃 657700)

受桥梁特殊结构的影响，在建筑桥梁的时候需要设计一些桥梁伸缩缝，以满足桥梁上部结构变形需求。但正因为如此，对桥梁接缝混凝土的要求也相对较高。传统桥梁接缝混凝土存在抗折强度低、早期强度低不利于较早开放交通和钢纤维分布不均，对混凝土抗折性能优化效果不大。对桥梁接缝混凝土进行改性是目前较为重要的研究课题。对此，部分学者也进行了很多研究，如研究了养护方式对桥梁接缝混凝土性能的影响，结果表明，适合的养护方式和在混凝土内添加一定防膨剂能有效的实现混凝土温升和温降过程的补偿收缩[1]。通过在接缝混凝土中掺加一定量的粗骨料，制备出了一种超高性能混凝土，并对其耐久性能进行研究，结果表明，制备的混凝土具备较好的耐久性能[2]。以环氧树脂为基础，对桥梁混凝土的耐湿热性能进行改性，结果表明，环氧树脂混凝土能有效改善桥梁混凝土的耐湿热性能[3]。基于此，本试验在文献[4]的研究基础上，以环氧树脂为主要材料，制备新型桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土，并对其性能进行探究。

1 材料与设备

1.1 材料与方法

主要材料：环氧树脂(市售)，能祥节能科技；水泥(P·O42.5)，华宇大地水泥制造；砂石(Ⅱ级)，永顺矿产品；固化剂(CP)，乾洲化工；增塑剂(CP)，旭光化工。

主要设备：NJ-160B水泥搅拌机，华锡试验仪器；YAW-300微机控制抗压抗折试验机，代新科试验仪器；ZW-015紫外老化试验箱，亿轩试验仪器；XC-HS-50恒温恒湿箱，贤臣环境试验设备。

1.2 试验方法

1.2.1配合比设计

桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的服役条件较为恶劣，需要承受车辆荷载与伸缩装置传导力的共同作用，因此对其性能的要求相对较高。根据国家水泥混凝土路面设计强度规定，特重交通等级水凝混凝土路面抗折强度应高于6 MPa，抗压强度应高于42 MPa[4]。同时，环氧树脂混凝土具备易凝结的特点，这是不利于施工的，因此要求桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的初凝时间超过30 min[5]。鉴于此，对桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的配合比进行设计，具体如表1所示。

表1 混凝土配合比设计Tab.1 Concrete mix proportion design

1.2.2桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的制备

(1)根据表1配比将砂石骨料和水泥倒入水泥搅拌机中，充分搅拌得到混合料；

(2)将环氧树脂、固化剂和增韧剂混合均匀，得到环氧树脂胶粘剂；

(3)将环氧树脂胶粘剂倒入水泥混合料中，充分搅拌得到桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土砂浆，倒入模具中养护；具体制备过程如图1所示。

图1 桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的制备过程Fig.1 Preparation process of epoxy resin concrete in bridge expansion joint transition zone

1.3 性能测试

1.3.1初凝时间测试

参照 GB/T 50080—2016和DL/T 5193—2004中的抹刀测试和维卡仪指针方法对桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土砂浆时间进行测试定[6-7]；初凝时间为抹刀测试和维卡仪指针测试时间之和。

1.3.2抗压强度测试

参照 GB/T 50081—2019中的方法对混凝土抗压强度进行测定[8]。具体过程为：制备尺寸为300 cm3的混凝土，置于YAW-300型微机控制抗压抗折试验机中心，以0.8 MPa/s的加载速度对混凝土施加压力至混凝土破坏。

抗压强度表达式：

(1)

式中：f为抗压强度,MPa；F为混凝土破坏时荷载，N；A为混凝土承压面积，m2。

1.3.3弹性模量测试

通过对混凝土微变形进行测试，表征混凝土的弹性模量[9]。具体过程：用微机控制抗压抗折试验机以0.8 MPa/s的加载、卸载速率作用于混凝土，标距为150 mm。数据由高精度位移传感器数据采集系统采集，加载示意图如图2所示。

图2 弹性模量试验加载示意图 Fig.2 Loading diagram of elastic modulus test

弹性模量表达式：

(2)

式中：E为弹性模量，MPa；A为混凝土承压面积，cm2；F0为应力0.5 MPa时的荷载，N；εa、ε0为Fa、F0时试件2侧变形的平均值；L为测量标距，mm；Fa为应力在三分之一轴心抗压强度对应的荷载，N。

1.3.4抗折强度测试

抗折强度与抗压强度测试方式类似，本节不多叙述。

抗折强度表达式[10]：

(3)

式中：ff为抗折强度，MPa；Ff为试件破坏荷载，N；lf为支座间跨度，mm；bf为试件截面宽度，cm；hy为试件截面高度，cm。

1.3.5粘接强度测试

制备尺寸为150 mm3的普通混凝土试件并养护至14 d。将混凝土劈裂成6块，之后洗净，放入立方体试模一侧。制备桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土砂浆，在立方体试模的另一侧进行浇筑，振捣密实后标准养护至指定龄期，以粘接平整的侧面作为劈裂面，对桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的粘接强度进行测定。

粘接强度表达式[11-12]：

(4)

式中:ft为粘接强度，MPa；Ft为试件破坏荷载，N；At为试件劈裂面面积，cm2。

1.3.6耐老化试验

桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土因其特殊的工作需求，在使用的过程中，需要长时间经受太阳紫外线照射，受高温和雨水的侵蚀，因此对桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的耐紫外老化性和耐湿热老化性提出更高的要求。以北京地区的太阳辐射强度为模拟对象，则模拟桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土一年加速紫外老化所需的时间约为68.9 h[13]。部分学者研究发现，渡区混凝土的疲劳使用寿命约为8 年[14]。为了探究本试验制备的桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土在使用过程中的耐久性，选择模拟老化时间分别为4年(275.6 h)和8年(551.2 h)。

紫外老化试验：将待测样品置于ZW-015型紫外老化试验箱内，设置老化温度50 ℃模拟太阳紫外线老化过程，老化后，测定混凝土力学性能。

耐湿热老化试验：将待测样品放入XC-HS-50型恒温恒湿箱内进行耐湿热老化试验，设置箱内温度和湿度分别为80 ℃和90%，测定老化后混凝土力学性能变化[15]。

2 结果与讨论

2.1 初凝时间测试结果

以抹刀测试结果与维卡仪指针测试结果之和作为初凝时间测试结果，具体结果如表2所示。

表2 初凝时间测试结果Tab.2 Test results of initial setting time

由表2可知，3组桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土砂浆初凝时间皆超过30 min，说明满足设计要求。

2.2 力学性能分析

2.2.1抗压强度测试结果

图3为抗压强度试验结果。

图3 抗压强度测试结果Fig.3 Test results of compressive strength

从图3可以看出，随着养护龄期的增加，桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的抗压强度表现出缓慢上升的趋势，但是增幅并不明显。这说明本试验制备的桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土抗压强度在3 d龄期时，就基本趋于稳定，后续虽然有一定的增强，但是增强效果并不大。这种早强特性满足工期要求短，能快速达到通车强度的桥梁伸缩缝过渡区需求。值得一提的是，在养护时间为3 d时，桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的抗压强度就已经达到了88 MPa，已经远高于设计强度。这说明本试验制备的桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土在工作性能和抗压强度方面均满足设计要求。

2.2.2弹性模量测试结果

桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土除了需要承担一定的承重要求外，还需要起到一定的过渡作用，因此对弹性模量也有一定的要求，弹性模量的测试结果如图4所示。

图4 弹性模量试验结果Fig.4 Test results of elastic modulus

从图4可以看出，随养护龄期的增加，混凝土弹性模量始终在13.7～14.8 GPa内波动，并不出现明显增加或回缩现象。由此可见，本试验制备的混凝土不仅具备早强高的特定，后期强度仍有小幅度增长，弹性模量稳定的维持在伸缩装置与沥青铺装层混凝土的弹性模量之间，不出现回缩现象，表现出良好的工作性能。

2.2.3抗折强度测试

图5为抗折强度测试结果。

图5 抗折强度测试结果Fig.5 Test results of flexural strength

从图5可以看出，养护时间为3 d的混凝土样品抗折强度达到了20.6 MPa，继续增加养护时间，抗折强度表现出缓慢上升的趋势，且与抗压强度变化规律类似。在养护早期，混凝土抗折强度就已经远高于国家水泥混凝土路面设计抗折强度要求，满足桥梁伸缩缝过渡区使用要求。

2.2.4粘接强度

除力学强度外，桥梁在承受超重压力时，过渡区域因材料与路面材料有一定的差异，因此容易出现脱粘的现象，缩短桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的使用寿命。在进行桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土设计时，需要对其粘接强度进行研究，结果如图6所示。

图6 粘接强度测试结果Fig.6 Adhesion strength test results

从图6可以看出，在养护龄期为3 d时，混凝土的粘接强度就已经达到了2.73 MPa，高于C50水泥混凝土粘接强度标准值。这说明了本试验制备的混凝土具备较好的粘接性能，继续增加养护时间，混凝土的粘接强度有小幅度提升，但并不出现较大的差别。也就是桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土在养护早期就已经达到了较高的粘接强度，表现出良好的粘接性能。

2.3 耐老化性能测试

2.3.1耐紫外老化试验结果

桥梁伸缩缝过渡区混凝土使用时，需要长时间接受紫外线的影响，因此需要对桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的耐紫外线老化性能进行测试，表面混凝土因紫外老化造成性能缺失，影响工作性能；紫外老化后混凝土力学性能变化如表3所示。

表3 紫外老化结果Tab.3 UV aging results

由表3可知，经过紫外老化后，桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土的力学性能皆有所下降，其中弹性模量减少量最大，粘接强度减少量最少。经过紫外老化275.6 h(模拟太阳光4年照射时间)后，弹性模量减少了1 GPa，抗压、抗折、粘接强度分别减少了5.6、1.4和0.2 MPa。经过紫外老化551.2 h(模拟太阳光8年照射时间)后，弹性模量减少了0.5 GPa，抗压、抗折和粘接强度分别减少了9、2.6和0.32 MPa。通过以上数据变化可以看的出来，经过紫外老化处理后，混凝土的力学性能虽有所下降，但仍旧高于国家对路面强度规定的设计值。也就是说，本试验制备的桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土表现处理较好的耐老化性能。

2.3.2耐湿热老化试验结果

在桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土使用过程中，除了需要受到太阳紫外光老化的影响外，还需要受湿热老化的影响；表4为混凝土耐湿热老化性能试验结果。

表4 湿热老化结果Tab.4 Damp heat aging results

由表4可知，湿热老化的影响与紫外老化的影响类似，经过湿热老化处理后，混凝土力学性能皆有所下降，且仍为弹性模量减少量最大，粘接强度减少最小。经过湿热老化275.6 h后，弹性模量减少了1.2 GPa，抗压、抗折和粘接强度分别减少了17.9、1.90和0.27 MPa。经过湿热老化处理551.2 h后，弹性模量减少了0.9 GPa，抗压、抗折和粘接强度分别减少了11.7、3.10和0.42 MPa。以上试验结果表明，经过湿热处理后，虽混凝土力学强度有所下降，但是力学性能强度仍旧高于设计值，这就说明本试验制备的桥梁伸缩缝过渡区环氧树脂混凝土性能表现良好。

而紫外老化和湿热老化过程中，粘接强度皆明显下降的原因在于，混凝土间存在较为明显的孔隙，因此老化因子可通过孔隙进入试件的内部，进而对试件粘接性能产生影响。虽然经老化处理后，混凝土粘接强度略有降低，但仍旧满足粘接强度标准值，表现出良好的粘接性能。