環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的黏結(jié)性能研究

張 影

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，美國半數(shù)以上功能失效的橋梁涉及伸縮縫病害，日本公路管理費(fèi)超過15%用于城市高速公路伸縮縫維修，法國和葡萄牙橋梁養(yǎng)護(hù)成本的7%～22%用于伸縮縫養(yǎng)護(hù)，國內(nèi)伸縮縫病害占橋梁病害總數(shù)的10%以上[1-3]。

作為伸縮縫過渡區(qū)混凝土，需要與橋梁面板混凝土和瀝青混合料鋪裝層具有良好的黏結(jié)性能，避免產(chǎn)生縫隙，否則極易脫黏、開裂[4-5]。而伸縮縫破壞過程一般為：過渡區(qū)混凝土脫黏、開裂，過渡區(qū)混凝土破損，鋼梁斷裂[6]。過渡區(qū)混凝土脫黏、開裂破壞是整個(gè)伸縮縫破壞的開端，它將導(dǎo)致伸縮縫錨固體系的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)伸縮縫裝置的破壞與失效[7-9]。

過渡區(qū)混凝土與橋梁面板和瀝青鋪裝層脫黏、開裂機(jī)理如下：過渡區(qū)混凝土承受來自車輛輪壓的動荷載，當(dāng)過渡區(qū)混凝土與橋梁面板兩端受荷載作用時(shí)，黏結(jié)區(qū)域兩側(cè)受壓，引起黏結(jié)區(qū)域受拉，造成開裂；當(dāng)車輛駛?cè)搿Ⅰ偝鲞^渡區(qū)時(shí)，車輪擠壓過渡區(qū)混凝土與瀝青混合料黏結(jié)界面接縫處，使兩側(cè)的材料向兩側(cè)劈拉，造成開裂[10-11]。運(yùn)動車輛的動力作用存在放大系數(shù)，當(dāng)車速為80 km/h 時(shí)，動力放大系數(shù)為1.5 倍，即上述作用都會被加強(qiáng)[12-14]。

本研究以彈性改性環(huán)氧樹脂作為膠結(jié)材料、廢舊橡膠顆粒為彈性集料制備了橋梁伸縮縫過渡區(qū)混凝土修復(fù)材料，依據(jù)過渡區(qū)混凝土脫黏機(jī)理，考察了該材料與水泥混凝土的黏結(jié)抗折強(qiáng)度和與瀝青混凝土的黏結(jié)劈裂強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 快速修復(fù)材料的制備

快速修復(fù)材料的各組分配比如表1 所示。橡膠顆粒選取3%、6%和9%三個(gè)含量。制備材料時(shí)，分別將A 組分、B 組分、C 組分各材料分別混合，并攪拌均勻；將混合均勻的A 組分和B 組分混合，并攪拌均勻，制備成環(huán)氧樹脂膠黏劑；將上述環(huán)氧樹脂膠黏劑與C 組分混合，攪拌均勻，制備成快速修復(fù)材料；將快速修復(fù)材料填入模具，室溫養(yǎng)護(hù)4 h 即可。

表1 快速修復(fù)材料配比 g

1.2 測試與表征

1.2.1 黏結(jié)抗折強(qiáng)度測試方法

a）測試依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTE G30—2005）。制備（150×150×550）mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d 后，將混凝土試件切割成（150×150×275）mm 兩部分。

b）分別采用3 種方式進(jìn)行界面處理：原界面采用高壓空氣吹掃除塵后不做處理；用鋼絲對混凝土界面刷毛，后采用高壓空氣吹掃界面去除浮沉；用鋼絲對混凝土界面刷毛，高壓空氣吹掃除塵，其后在界面處涂抹硅烷偶聯(lián)劑，涂抹厚度0.5～1.0 mm。

c）將半塊舊混凝土試件放入原模具內(nèi)一端，剩余部分填入修補(bǔ)材料，室溫養(yǎng)護(hù)4 h 后脫模。

d）測試其彎拉強(qiáng)度，黏結(jié)抗折強(qiáng)度按式（1）計(jì)算。

式中：ff為黏結(jié)抗折強(qiáng)度，MPa；P 為破壞荷載，N；L為支座間距，mm；b 為試件的截面寬度，mm；h 為試件的截面高度，mm。

e）測試方法如圖1 所示，強(qiáng)度測試過程中，記錄黏結(jié)抗折強(qiáng)度與試件變形量的關(guān)系，即可得到黏結(jié)抗折應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。

圖1 黏結(jié)抗折強(qiáng)度測試方法

1.2.2 黏結(jié)劈裂強(qiáng)度測試方法

a）參考《混凝土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)》（NFP18—408），將瀝青混凝土試件切割成（100×100×50）mm 的立方體試件，并將試件表面清洗干凈，晾干。

b）同樣分別采用3 種表面處理方式處理試件黏結(jié)面，具體步驟與黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)相同。

c）將瀝青混凝土試件放入（100×100×100）mm的模具中，然后填入修復(fù)材料，室溫養(yǎng)護(hù)4 h 后脫模。

d）測試其劈裂強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度按式（2）計(jì)算。

式中：ft為黏結(jié)劈裂強(qiáng)度，MPa；P 為破壞荷載，N；A為試件劈拉面積，mm2。

e）測試方法如圖2 所示，強(qiáng)度測試過程中，記錄黏結(jié)劈裂強(qiáng)度與試件變形量的關(guān)系，即可得到黏結(jié)抗折應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。

圖2 黏結(jié)劈裂強(qiáng)度測試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 黏結(jié)抗折性能

如圖3 所示，隨著橡膠顆粒含量由3%增加至9%，黏結(jié)抗折強(qiáng)度降低。采用不同的界面處理方式對修復(fù)材料的黏結(jié)抗折強(qiáng)度影響顯著，黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果為：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑。吹掃除塵可以去除原混凝土界面上的浮沉和部分松散顆粒；鋼刷刷毛可以更加徹底地去除原混凝土表面松散結(jié)構(gòu)；鋼刷刷毛后涂敷偶聯(lián)劑，可以顯著增強(qiáng)原混凝土無機(jī)界面與環(huán)氧樹脂膠黏劑有機(jī)界面的黏結(jié)性能，進(jìn)而提高黏結(jié)抗折強(qiáng)度，由圖3 可見，采用鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑的界面處理方式，黏結(jié)抗折強(qiáng)度可達(dá)到原混凝土抗折強(qiáng)度的90%以上，采用鋼刷刷毛界面處理方式可使黏結(jié)抗折強(qiáng)度達(dá)到原始混凝土抗折強(qiáng)度的80%以上。而水泥基修復(fù)材料采用鋼刷刷毛界面處理方式后，黏結(jié)抗折強(qiáng)度一般能達(dá)到原混凝土抗折強(qiáng)度的60%左右[4]。

圖3 界面處理方式對黏結(jié)抗折強(qiáng)度的影響

鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑界面處理方式時(shí)，黏結(jié)抗折應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖4 所示，可見隨著橡膠顆粒含量的增加，峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變增大，曲線斜率即試件的彈性模量降低。橡膠顆粒的加入，從力學(xué)強(qiáng)度方面看，對黏結(jié)抗折強(qiáng)度有不利影響，但隨著橡膠含量的增加，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線逐漸出現(xiàn)應(yīng)力下降段，說明試件斷裂方式由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，即橡膠顆粒通過自身變形增加了黏結(jié)界面的完整性，在工程應(yīng)用中表現(xiàn)為界面不易脫黏。

圖4 鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑界面處理方式時(shí)黏結(jié)抗折應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 黏結(jié)劈裂性能

圖5 表明，隨著橡膠顆粒含量由3%增加至9%，黏結(jié)劈裂強(qiáng)度降低。采用不同的方式處理界面對修復(fù)材料的黏結(jié)劈裂強(qiáng)度有顯著影響，試驗(yàn)的結(jié)果為：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑。

圖5 界面處理方式對黏結(jié)劈裂強(qiáng)度的影響

圖6 鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑界面處理方式時(shí)黏結(jié)劈裂應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑界面處理方式時(shí)，黏結(jié)劈裂應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖6 所示，可見隨著橡膠顆粒含量的增加，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線變化趨勢與黏結(jié)抗折一致，峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變增大，曲線斜率降低，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線逐漸出現(xiàn)應(yīng)力下降段, 其變化原因與黏結(jié)抗折一致。

3 結(jié)論

本文通過黏結(jié)抗折試驗(yàn)和黏結(jié)劈裂試驗(yàn)，模擬了橋梁伸縮縫過渡區(qū)混凝土修復(fù)材料在使用過程中的受力情況，研究了界面處理方式和橡膠顆粒摻量對環(huán)氧樹脂/橡膠混凝土的黏結(jié)性能的影響，得到以下結(jié)論：

a）黏結(jié)強(qiáng)度：吹掃除塵＜鋼刷刷毛＜鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑。采用鋼刷刷毛配合偶聯(lián)劑的界面處理方式，黏結(jié)抗折強(qiáng)度可達(dá)到原混凝土抗折強(qiáng)度的90%以上，黏結(jié)劈裂強(qiáng)度可達(dá)到4.09 MPa 以上。

b）橡膠顆粒的加入使快速修復(fù)材料黏結(jié)強(qiáng)度降低，但其有利于保證黏結(jié)界面完整性，使界面不易脫黏。