一種橋梁裂縫修補(bǔ)改性材料粘接強(qiáng)度及受力影響分析

李振基 李建飛 李旭東

摘 要：為解決重載運(yùn)輸下橋梁裂縫修補(bǔ)問題，試驗(yàn)制備了一種苯丙乳液（SAE）改性超細(xì)混凝土修補(bǔ)材料。結(jié)果表明，SAE含量增加會(huì)使試件抗折強(qiáng)度先升后降，抗壓強(qiáng)度下降，界面粘接性能和抗疲勞性能提高；當(dāng)添加15%SAE時(shí)，材料極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別為2.34 MPa、2.25%，增幅分別為81.4%和562%，材料韌性提高；SAE含量12%最為適宜，此時(shí)，修補(bǔ)材料的極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別為1.78? MPa、2.02%，界面粘接強(qiáng)度為1.9 MPa，凝結(jié)時(shí)間短，抗疲勞性能良好。試驗(yàn)制備的SAE改性修補(bǔ)材料可以作為不中斷交通重載運(yùn)輸情況下的橋梁裂縫修補(bǔ)材料使用。

關(guān)鍵詞：苯丙乳液；混凝土；應(yīng)拉力；界面粘接強(qiáng)度；耐久性

中圖分類號：TQ317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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

混凝土橋梁是交通環(huán)線的重要組成部分，然而，隨著服役年限增加，很多橋梁會(huì)出現(xiàn)裂縫等缺陷，這不僅減少混凝土橋梁服役壽命，還存在安全隱患。因此，關(guān)于混凝土橋梁裂縫的修補(bǔ)材料的研究成為現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。對此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。如通過在混凝土中添加聚酰胺樹脂、環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，制備了一種橋梁裂縫混凝土修補(bǔ)膠，并對其性能進(jìn)行研究［1］。研究了纖維改性裂縫修補(bǔ)材料，通過改性木纖維、玄武巖纖維以及玻璃纖維對修補(bǔ)材料進(jìn)行改良［2］。為解決大壩裂縫修補(bǔ)，通過硅烷偶聯(lián)劑、納米SiO2以及異氰酸酯（B1、B2）等制備了修補(bǔ)材料，并研究其性能［3］。以上學(xué)者的研究都為混凝土裂縫修補(bǔ)提供了參考?？紤]到中斷交通進(jìn)行裂縫修補(bǔ)會(huì)影響出行，因此，試驗(yàn)制備了一種苯丙乳液（SAE），以該SAE制備改性混凝土橋梁裂縫修補(bǔ)材料，并研究修補(bǔ)材料性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：

超細(xì)硅酸鹽水泥（SPC），工業(yè)純，湖州捷謙宏建材；超細(xì)硫鋁酸鹽水泥（SSC），工業(yè)純，鄭州德仁耐火材料；微硅粉（粒徑20 nm），工業(yè)純，靈壽縣天晨礦產(chǎn)品；苯乙烯（ST），分析純，四川橋水科技；丙烯酸丁酯（BA），分析純，山東濟(jì)北新材料；甲基丙烯酸十八酯（SMA），分析純，河南銳越化工；十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，紹興以信化工；烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10），分析純，廣州燦聯(lián)化工；過硫酸銨（APS），分析純，鄭州仁銘化工。

主要設(shè)備：JJ-1BA型攪拌器（宜興春澤源環(huán)保設(shè)備）；MX-400型均質(zhì)機(jī)（南通密克瑟爾斯機(jī)械設(shè)備）；DYJG-9023型鼓風(fēng)烘箱（杭州億捷科技）；DZF-6210型真空干燥箱（蘇州科思洛工業(yè)設(shè)備）；JA203P型電子天平（上海根拓機(jī)電）；BSU-1型水浴鍋（吉林市奔騰儀器）；JJ-20H型水泥膠砂攪拌機(jī)（河北京測儀器設(shè)備）；YES-2 000型抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南新力特試驗(yàn)設(shè)備）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)（北京吉泰科儀檢測設(shè)備）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

為研究重載運(yùn)輸下橋梁裂縫的修補(bǔ)材料，試驗(yàn)設(shè)計(jì)含不同苯丙乳液摻量的配比方案，具體試驗(yàn)配比如表1所示。

1.2.2 苯丙乳液（SAE）的制備

（1）用電子天平稱取21 g的SDS和5.25 g的OP-10，一起倒入裝有750 mL水的燒杯中，通過均質(zhì)機(jī)以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速處理2 min;

（2）用電子天平稱取300 g的ST和450 g的BA，倒入步驟（1）中的燒杯中，然后設(shè)置均質(zhì)機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，攪拌混合10 min;

（3）在一個(gè)三口燒瓶內(nèi)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，用攪拌器以350 r/min的轉(zhuǎn)速分散處理5 min;

（4）在另一個(gè)燒杯中加入10 mL水和0.8 g的APS，混合均勻，獲得引發(fā)劑溶液，然后在恒溫80 ℃條件下，往三口燒瓶中倒入引發(fā)劑溶液，反應(yīng)30～40 min;

（5）等待步驟（4）中的乳液變稠并呈現(xiàn)出淡藍(lán)色后，將引發(fā)劑再次滴入乳液中，并在3 h內(nèi)，通過蠕動(dòng)泵將步驟（2）中獲得的預(yù)乳化溶液慢慢滴入乳液中;

（6）溶液滴加完成后，等待反應(yīng)時(shí)間1 h，然后自然冷卻至室溫，將三口燒瓶中的乳液過濾后，滴入適量的氨水，使乳液呈現(xiàn)偏堿性，獲得試驗(yàn)需要的苯丙乳液，最后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 材料試樣制備

根據(jù)表1的配比方案，用電子天平稱取適量的超細(xì)硅酸鹽水泥、超細(xì)硫鋁酸鹽水泥、微硅粉水，加入攪拌機(jī)中，在慢速條件下混合3 min;然后在慢速攪拌的情況下，分3次慢慢倒入適量的苯丙乳液，之后先慢速攪拌2 min，后快速攪拌2 min；加入適量的水、減水劑和消泡劑，繼續(xù)攪拌2 min混合均勻，獲得水泥砂漿；將水泥砂漿倒入準(zhǔn)備好的模具中，并用抹灰刀使試件表面平整，然后放置在振實(shí)臺上處理2 min，振實(shí)并排出水泥砂漿內(nèi)部的氣泡；試件成型后脫模，根據(jù)試驗(yàn)需要養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，最后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 性能測試

拉伸性能：

通過萬能試驗(yàn)機(jī)對材料進(jìn)行測試，分析其應(yīng)力應(yīng)變情況。

界面粘接強(qiáng)度：

將養(yǎng)護(hù)28 d的試件用電鋸分割成兩段，然后用試驗(yàn)制備的修復(fù)材料水泥砂漿填補(bǔ)斷裂處，粘接兩段試件，養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，采用彎曲拉應(yīng)力法，通過試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行粘接抗折試驗(yàn)，分析材料界面粘接性能［4-5］。

抗疲勞性能：

將養(yǎng)護(hù)28 d的試件用電鋸分割成兩段，然后用修復(fù)材料水泥砂漿粘接，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d后，通過試驗(yàn)機(jī)對試件施加周期荷載，測試材料的彎拉強(qiáng)度，分析其抗疲勞性能［6-7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能分析

試驗(yàn)對養(yǎng)護(hù)28 d的修補(bǔ)材料試件進(jìn)行拉伸性能測試，圖1為測試結(jié)果。

由圖1可知，在材料中添加SAE后，材料的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變均大于未添加SAE的試件，同時(shí)，可以觀察到，隨著SAE含量的增多，極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變基本上出現(xiàn)增加的變化。當(dāng)未添加SAE時(shí)，材料極限拉應(yīng)力為1.29 MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.34%；當(dāng)試件中SAE含量為12%時(shí)，材料極限拉應(yīng)力為1.78 MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.02%，對比空白試件分別提高了38.0%和494%。當(dāng)試件中SAE含量為15%時(shí)，材料極限拉應(yīng)力為2.34 MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.25%，對比空白試件分別提高了81.4%和562%。對于未添加SAE的試件，當(dāng)應(yīng)力作用增大時(shí)，應(yīng)變也隨之線性增大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要呈現(xiàn)一個(gè)線性增長階段，直至極限拉應(yīng)變，試件斷裂；而當(dāng)試件中添加SAE時(shí)，各試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要呈現(xiàn)2個(gè)階段，先是隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變不斷增加，呈線性增長階段，然后是應(yīng)變增加逐漸緩慢，曲線斜率降低，直至極限拉應(yīng)變，試件斷裂。因此，隨著修補(bǔ)材料中SAE含量增加，材料抗變形能力增強(qiáng)，韌性提高。

2.2 界面粘接性能分析

試驗(yàn)對養(yǎng)護(hù)28 d的修補(bǔ)材料試件進(jìn)行界面粘接性能分析，圖2為測試結(jié)果。

由圖2可知，當(dāng)修補(bǔ)材料中的SAE含量增加時(shí)，界面粘接強(qiáng)度提高；對于未添加SAE的試件，其界面粘接強(qiáng)度為1.3 MPa；當(dāng)修補(bǔ)材料中SAE含量從3%增加到12%時(shí)，界面粘接強(qiáng)度增加較緩慢；而當(dāng)SAE含量為12%時(shí)，界面粘接強(qiáng)度提升到1.9 MPa，對比空白試件增幅為46.2%；當(dāng)修補(bǔ)材料中的SAE含量增加到15%時(shí)，界面粘接強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度提升，為2.3 MPa，對比空白試件增幅為76.9%，對比12%SAE含量時(shí)增幅為21.1%。同時(shí)，苯丙乳液可以加強(qiáng)修補(bǔ)材料的流動(dòng)性能，使修補(bǔ)材料更容易進(jìn)入舊界面的孔隙中，材料新舊界面間的貼合更加緊密，修補(bǔ)材料成型后，新舊界面間呈現(xiàn)機(jī)械錨固結(jié)構(gòu)，可以增加機(jī)械咬合力，材料界面粘接強(qiáng)度出現(xiàn)上升的現(xiàn)象［13-15］。因此，苯丙乳液可以增加修補(bǔ)材料的界面粘接強(qiáng)度，在重載運(yùn)輸情況下，試驗(yàn)制備的修補(bǔ)材料凝結(jié)時(shí)間短，界面粘接性能較好，不會(huì)從舊混凝土界面脫落，從而保證修補(bǔ)材料的強(qiáng)度以及耐久性。

2.3 抗疲勞性能分析

試驗(yàn)對養(yǎng)護(hù)28 d的修補(bǔ)材料試件進(jìn)行界面粘接疲勞壽命分析，圖3為測試結(jié)果。

由圖3可知，當(dāng)應(yīng)力水平從0.6 MPa增加到0.9 MPa時(shí)，不同SAE含量的試件疲勞壽命均大幅度下降；可以觀察到，應(yīng)力水平0.6 MPa為一個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力水平增加到0.7 MPa時(shí)，0%SAE、9%SAE和15%SAE試件的疲勞壽命降幅分別為62%、58%和67%；此后，隨著應(yīng)力水平繼續(xù)增大，各試件疲勞壽命的下降幅度較?。涣硗?，對于不同SAE含量的試件，當(dāng)應(yīng)力水平為0.6 MPa時(shí)，15%SAE試件的疲勞壽命明顯高于其他試件。這表明，增加苯丙乳液在修補(bǔ)材料中的含量，可以提高修補(bǔ)材料的界面粘接疲勞壽命。

2.4 材料應(yīng)用效果

2.4.1 有限元模型

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)采用12%SAE含量的修補(bǔ)材料。為驗(yàn)證該修復(fù)材料實(shí)際應(yīng)用可行性，試驗(yàn)采用ABAQUS軟件建立了重載運(yùn)輸下橋梁裂縫有限元模型，模擬裂縫尖端的應(yīng)力情況。試驗(yàn)建立的橋梁模型中，箱梁以C50混凝土為材料，跨徑25 m，以HRB400鋼筋為橋梁箍筋和受拉鋼筋，以鋼絞線為預(yù)應(yīng)力鋼材，試驗(yàn)的有限元模型具體參數(shù)如表2所示［19-20］。

2.4.2 受力分析

圖4為重載運(yùn)輸下，橋梁的縱向裂縫承受同側(cè)荷載時(shí)的受力分析結(jié)果，其中，σmax為不同車速行駛到不同位置時(shí)，裂縫尖端最大拉應(yīng)力的最大值。

由圖4可知，當(dāng)行駛距離在10 m內(nèi)時(shí)，隨著荷載位置的增加，車速20、30 m/s的σmax基本上呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在行駛距離2.5～10 m，峰值應(yīng)力分別為0.37、0.41 MPa，均在修復(fù)材料應(yīng)力承受范圍內(nèi)。當(dāng)行駛距離大于10 m時(shí)，各σmax均開始大幅度下降，但當(dāng)行駛距離大于15 m后，各σmax出現(xiàn)不同程度波動(dòng)增長的情況，但各拉應(yīng)力波動(dòng)峰值依然在修復(fù)材料拉應(yīng)力承受范圍內(nèi)。因此，試驗(yàn)制備的苯丙乳液改性超細(xì)混凝土修補(bǔ)材料，可以用于重載運(yùn)輸情況下的橋梁裂縫修補(bǔ)。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)添加15%SAE時(shí)，材料極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別為2.34 MPa、2.25%，增幅分別為81.4%和562%;

（2）在修補(bǔ)材料中添加SAE，可以加強(qiáng)材料抗變形能力、界面粘接性能以及抗疲勞性能;

（3）SAE含量12%最為適宜，此時(shí)，修補(bǔ)材料的極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變分別為1.78 MPa、2.02%，界面粘接強(qiáng)度為1.9 MPa，材料凝結(jié)時(shí)間短，抗疲勞性能良好，耐久性好，可以作為重載運(yùn)輸下橋梁修補(bǔ)材料使用。

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收稿日期：2023-10-11；修回日期：2024-01-10

作者簡介：李振基（1980-），男，碩士，高級工程師，主要從事鐵路工程、施工、維修及安全管理研究;E-mail：276287968@qq.com。

引文格式：李振基，李建飛，李旭東.一種橋梁裂縫修補(bǔ)改性材料粘接強(qiáng)度及受力影響分析［J］.粘接，2024，51（3）：15-18.