一种桥梁裂缝修补改性材料粘接强度及受力影响分析

2024-05-07李振基李建飞李旭东

粘接 2024年3期

李振基李建飞李旭东

摘要：为解决重载运输下桥梁裂缝修补问题，试验制备了一种苯丙乳液（SAE）改性超细混凝土修补材料。结果表明，SAE含量增加会使试件抗折强度先升后降，抗压强度下降，界面粘接性能和抗疲劳性能提高；当添加15%SAE时，材料极限拉应力、拉应变分别为2.34 MPa、2.25%，增幅分别为81.4%和562%，材料韧性提高；SAE含量12%最为适宜，此时，修补材料的极限拉应力、拉应变分别为1.78 MPa、2.02%，界面粘接强度为1.9 MPa，凝结时间短，抗疲劳性能良好。试验制备的SAE改性修补材料可以作为不中断交通重载运输情况下的桥梁裂缝修补材料使用。

关键词：苯丙乳液；混凝土；应拉力；界面粘接强度；耐久性

中图分类号：TQ317

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0015-04

Analysis of adhesive strength and stress influence of a modified material for bridge crack repair

LI Zhenji1，LI Jianfei2，LI Xudong3

（1.Guoneng Shuo Huang Railway Suning branch，Cangzhou 062350，Hebei China;

2.Citic Construction Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；

3.China Railway 15th Bureau Group Co.，Ltd.，Cangzhou 062350，Hebei China）

Abstract：In order to solve the problem of bridge crack repair under heavy load transportation，a styrene acrylic lotion （SAE） modified ultra-fine concrete repair material was prepared in this experiment.The test results showed that increase of SAE content first increased and then decreased the flexural strength of the specimen，decreased the compressive strength，and improved the interface bonding performance and fatigue resistance.When 15% SAE was added，the ultimate tensile stress and tensile strain of the material were 2.34 MPa and 2.25%，with an increase of 81.4% and 562%，respectively，and the toughness of the material was improved.The SAE content of 12% was the most suitable.At this time，the ultimate tensile stress and tensile strain of the repair material were 1.78 MPa and 2.02%，respectively，and the interfacial bonding strength was 1.9 MPa，with short coagulation time and good fatigue resistance.The SAE modified repair material prepared by the test can be used as a bridge crack repair material without interrupting traffic and heavy load transportation.

Key words：styrene acrylic lotion;concrete;tensile stress;interface bonding strength;durability

混凝土桥梁是交通环线的重要组成部分，然而，随着服役年限增加，很多桥梁会出现裂缝等缺陷，这不仅减少混凝土桥梁服役寿命，还存在安全隐患。因此，关于混凝土桥梁裂缝的修补材料的研究成为现在科学发展的一个重点。对此，许多学者进行了研究。如通过在混凝土中添加聚酰胺树脂、环氧树脂进行改性，制备了一种桥梁裂缝混凝土修补胶，并对其性能进行研究［1］。研究了纤维改性裂缝修补材料，通过改性木纤维、玄武岩纤维以及玻璃纤维对修补材料进行改良［2］。为解决大坝裂缝修补，通过硅烷偶联剂、纳米SiO2以及异氰酸酯（B1、B2）等制备了修补材料，并研究其性能［3］。以上学者的研究都为混凝土裂缝修补提供了参考。考虑到中断交通进行裂缝修补会影响出行，因此，试验制备了一种苯丙乳液（SAE），以该SAE制备改性混凝土桥梁裂缝修补材料，并研究修补材料性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：

超细硅酸盐水泥（SPC），工业纯，湖州捷谦宏建材；超细硫铝酸盐水泥（SSC），工业纯，郑州德仁耐火材料；微硅粉（粒径20 nm），工业纯，灵寿县天晨矿产品；苯乙烯（ST），分析纯，四川桥水科技；丙烯酸丁酯（BA），分析纯，山东济北新材料；甲基丙烯酸十八酯（SMA），分析纯，河南锐越化工；十二烷基硫酸钠（SDS），分析纯，绍兴以信化工；烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10），分析純，广州灿联化工；过硫酸铵（APS），分析纯，郑州仁铭化工。

主要设备：JJ-1BA型搅拌器（宜兴春泽源环保设备）；MX-400型均质机（南通密克瑟尔斯机械设备）；DYJG-9023型鼓风烘箱（杭州亿捷科技）；DZF-6210型真空干燥箱（苏州科思洛工业设备）；JA203P型电子天平（上海根拓机电）；BSU-1型水浴锅（吉林市奔腾仪器）；JJ-20H型水泥胶砂搅拌机（河北京测仪器设备）；YES-2 000型抗折抗压试验机（济南新力特试验设备）；JITAI-S10KN型电子多功能试验机（北京吉泰科仪检测设备）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验配比设计

为研究重载运输下桥梁裂缝的修补材料，试验设计含不同苯丙乳液掺量的配比方案，具体试验配比如表1所示。

1.2.2 苯丙乳液（SAE）的制备

（1）用电子天平称取21 g的SDS和5.25 g的OP-10，一起倒入装有750 mL水的烧杯中，通过均质机以10 000 r/min的转速处理2 min;

（2）用电子天平称取300 g的ST和450 g的BA，倒入步骤（1）中的烧杯中，然后设置均质机转速为10 000 r/min，搅拌混合10 min;

（3）在一个三口烧瓶内加入100 mL水、2.8 g的SDS以及0.7 g的OP-10，再倒入40 g的ST和60 g的BA，用搅拌器以350 r/min的转速分散处理5 min;

（4）在另一个烧杯中加入10 mL水和0.8 g的APS，混合均匀，获得引发剂溶液，然后在恒温80 ℃条件下，往三口烧瓶中倒入引发剂溶液，反应30～40 min;

（5）等待步骤（4）中的乳液变稠并呈现出淡蓝色后，将引发剂再次滴入乳液中，并在3 h内，通过蠕动泵将步骤（2）中获得的预乳化溶液慢慢滴入乳液中;

（6）溶液滴加完成后，等待反应时间1 h，然后自然冷却至室温，将三口烧瓶中的乳液过滤后，滴入适量的氨水，使乳液呈现偏碱性，获得试验需要的苯丙乳液，最后贮存备用。

1.2.3 材料试样制备

根据表1的配比方案，用电子天平称取适量的超细硅酸盐水泥、超细硫铝酸盐水泥、微硅粉水，加入搅拌机中，在慢速条件下混合3 min;然后在慢速搅拌的情况下，分3次慢慢倒入适量的苯丙乳液，之后先慢速搅拌2 min，后快速搅拌2 min；加入适量的水、减水剂和消泡剂，继续搅拌2 min混合均匀，获得水泥砂浆；将水泥砂浆倒入准备好的模具中，并用抹灰刀使试件表面平整，然后放置在振实台上处理2 min，振实并排出水泥砂浆内部的气泡；试件成型后脱模，根据试验需要养护一定时间，最后贮存备用。

1.3 性能测试

拉伸性能：

通过万能试验机对材料进行测试，分析其应力应变情况。

界面粘接强度：

将养护28 d的试件用电锯分割成两段，然后用试验制备的修复材料水泥砂浆填补断裂处，粘接两段试件，养护一定时间后，采用弯曲拉应力法，通过试验机对试件进行粘接抗折试验，分析材料界面粘接性能［4-5］。

抗疲劳性能：

将养护28 d的试件用电锯分割成两段，然后用修复材料水泥砂浆粘接，继续养护28 d后，通过试验机对试件施加周期荷载，测试材料的弯拉强度，分析其抗疲劳性能［6-7］。

2 结果与分析

2.1 拉伸性能分析

试验对养护28 d的修补材料试件进行拉伸性能测试，图1为测试结果。

由图1可知，在材料中添加SAE后，材料的极限拉应力和极限拉应变均大于未添加SAE的试件，同時，可以观察到，随着SAE含量的增多，极限拉应力和极限拉应变基本上出现增加的变化。当未添加SAE时，材料极限拉应力为1.29 MPa，极限拉应变为0.34%；当试件中SAE含量为12%时，材料极限拉应力为1.78 MPa，极限拉应变为2.02%，对比空白试件分别提高了38.0%和494%。当试件中SAE含量为15%时，材料极限拉应力为2.34 MPa，极限拉应变为2.25%，对比空白试件分别提高了81.4%和562%。对于未添加SAE的试件，当应力作用增大时，应变也随之线性增大，其应力-应变曲线主要呈现一个线性增长阶段，直至极限拉应变，试件断裂；而当试件中添加SAE时，各试件应力-应变曲线主要呈现2个阶段，先是随着应力的增加，应变不断增加，呈线性增长阶段，然后是应变增加逐渐缓慢，曲线斜率降低，直至极限拉应变，试件断裂。因此，随着修补材料中SAE含量增加，材料抗变形能力增强，韧性提高。

2.2 界面粘接性能分析

试验对养护28 d的修补材料试件进行界面粘接性能分析，图2为测试结果。

由图2可知，当修补材料中的SAE含量增加时，界面粘接强度提高；对于未添加SAE的试件，其界面粘接强度为1.3 MPa；当修补材料中SAE含量从3%增加到12%时，界面粘接强度增加较缓慢；而当SAE含量为12%时，界面粘接强度提升到1.9 MPa，对比空白试件增幅为46.2%；当修补材料中的SAE含量增加到15%时，界面粘接强度出现大幅度提升，为2.3 MPa，对比空白试件增幅为76.9%，对比12%SAE含量时增幅为21.1%。同时，苯丙乳液可以加强修补材料的流动性能，使修补材料更容易进入旧界面的孔隙中，材料新旧界面间的贴合更加紧密，修补材料成型后，新旧界面间呈现机械锚固结构，可以增加机械咬合力，材料界面粘接强度出现上升的现象［13-15］。因此，苯丙乳液可以增加修补材料的界面粘接强度，在重载运输情况下，试验制备的修补材料凝结时间短，界面粘接性能较好，不会从旧混凝土界面脱落，从而保证修补材料的强度以及耐久性。

2.3 抗疲劳性能分析

试验对养护28 d的修补材料试件进行界面粘接疲劳寿命分析，图3为测试结果。

由图3可知，当应力水平从0.6 MPa增加到0.9 MPa时，不同SAE含量的试件疲劳寿命均大幅度下降；可以观察到，应力水平0.6 MPa为一个分界点，当应力水平增加到0.7 MPa时，0%SAE、9%SAE和15%SAE试件的疲劳寿命降幅分别为62%、58%和67%；此后，随着应力水平继续增大，各试件疲劳寿命的下降幅度较小；另外，对于不同SAE含量的试件，当应力水平为0.6 MPa时，15%SAE试件的疲劳寿命明显高于其他试件。这表明，增加苯丙乳液在修补材料中的含量，可以提高修补材料的界面粘接疲劳寿命。

2.4 材料应用效果

2.4.1 有限元模型

根据上述试验结果，试验采用12%SAE含量的修补材料。为验证该修复材料实际应用可行性，试验采用ABAQUS软件建立了重载运输下桥梁裂缝有限元模型，模拟裂缝尖端的应力情况。试验建立的桥梁模型中，箱梁以C50混凝土为材料，跨径25 m，以HRB400钢筋为桥梁箍筋和受拉钢筋，以钢绞线为预应力钢材，试验的有限元模型具体参数如表2所示［19-20］。

2.4.2 受力分析

图4为重载运输下，桥梁的纵向裂缝承受同侧荷载时的受力分析结果，其中，σmax为不同车速行驶到不同位置时，裂缝尖端最大拉应力的最大值。

由图4可知，当行驶距离在10 m内时，随着荷载位置的增加，车速20、30 m/s的σmax基本上呈现增加的现象，峰值应力出现在行驶距离2.5～10 m，峰值应力分别为0.37、0.41 MPa，均在修复材料应力承受范围内。当行驶距离大于10 m时，各σmax均开始大幅度下降，但当行驶距离大于15 m后，各σmax出现不同程度波动增长的情况，但各拉应力波动峰值依然在修复材料拉应力承受范围内。因此，试验制备的苯丙乳液改性超细混凝土修补材料，可以用于重载运输情况下的桥梁裂缝修补。

3 结语

（1）当添加15%SAE时，材料极限拉应力、拉应变分别为2.34 MPa、2.25%，增幅分别为81.4%和562%;

（2）在修补材料中添加SAE，可以加强材料抗变形能力、界面粘接性能以及抗疲劳性能;

（3）SAE含量12%最为适宜，此时，修补材料的极限拉应力、拉应变分别为1.78 MPa、2.02%，界面粘接强度为1.9 MPa，材料凝结时间短，抗疲劳性能良好，耐久性好，可以作为重载运输下桥梁修补材料使用。

【参考文献】

［1］刘文刚.新型AP-EP聚合材料在高架桥桥梁混凝土裂缝修复中的应用［J］.工程机械与维修，2022（5）：99-101.

［2］张齐成.纤维对水工混凝土裂缝修补材料性能影响试验研究［J］.水利科技与经济，2022，28（4）：132-135.

［3］刘若华.基于混凝土大坝裂缝修补材料的试验研究［J］.黑龙江水利科技，2022，50（7）：1-3，73.

［4］赵琳，王家贺，刘华新.玄武岩纤维增强复合筋与再生混凝土粘接性能试验研究［J］.砖瓦，2022（12）：37-41.

［5］夏冬桃，李欣怡，吴昊.混杂纤维混凝土与既有混凝土的粘接斜剪性能试验研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2022，38（4）：645-654.

［6］姜浩，李棒棒.疲劳荷载下BFRP-混凝土界面粘接失效及损伤的分析［J］.吉林建筑大学学报，2020，37（4）：7-12.

［7］林红威，赵羽习，郭彩霞，等.锈胀开裂钢筋混凝土粘接疲劳性能试验研究［J］.工程力学，2020，37（1）：98-107.