橋梁伸縮縫過渡區混凝土的應用現狀與研究動向

舒興旺

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

為了保證橋梁結構物在氣溫變化和荷載作用下能自由變形，避免變形受阻產生應力而造成對橋梁結構物的破壞，橋梁伸縮縫已廣泛應用于各種橋梁結構中，成為橋梁結構的重要構件之一，一般設置在橋梁的相鄰兩橋跨之間以及梁端與橋臺背墻之間。

隨著我國高速公路建設的蓬勃發展，車輛荷載等級的大幅度提高和交通流量的急劇增加，使橋梁伸縮縫面臨了巨大的挑戰。橋梁伸縮縫直接承受車輪載荷的沖擊且長期暴露在大氣中，極易損壞且維修成本高。橋梁伸縮縫遭受破壞后，一方面影響行車舒適性，使行車者缺乏安全感，另一方面導致車輛對橋梁上部結構的沖擊，影響橋梁主體結構的受力，降低橋梁使用壽命。

統計數據表明伸縮縫是橋梁結構中最薄弱的部分，其使用壽命遠低于橋梁的設計壽命。頻繁維修或更換伸縮縫不僅嚴重影響交通的通暢與安全，并且也帶來了資源的浪費與環境問題，提高了橋梁的維護成本。法國和葡萄牙調查結果表明伸縮縫的養護成本約占整個橋梁養護成本的7%～22%[1]。

目前國內外主要應用的橋梁伸縮縫有以下5種類型：梳齒板式、模數式、橡膠板式、嵌填式和無縫式。除無縫式伸縮縫是將伸縮體直接與路面鋪裝層黏結，實現橋梁結構無縫化外，其余類型伸縮縫都需在伸縮體與路面鋪裝層之間設置過渡層混凝土，以實現伸縮縫與主梁結構的一體化。

根據有關部門對橋梁伸縮縫的破壞狀況調查與統計分析發現：常見的伸縮縫問題中幾乎所有破壞嚴重的伸縮縫都與填縫料和混凝土有關，主要有填縫發生孔隙、硬化、開裂、松弛或撕裂，以及混凝土剝塊或開裂[2]。這些問題的成因包括交通載重、鏟雪破壞、天氣、劣質裝設、次等材料及伸縮縫種類選用失當，其中伸縮縫過渡區混凝土質量差是最直接的原因，也是橋梁伸縮縫最先表現出的病害。伸縮縫過渡區混凝土出現病害將導致整個橋梁伸縮縫錨固體系的破壞，進而導致整個伸縮縫裝置的破壞與失效。

1 橋梁伸縮縫過渡區混凝土的作用和功能

圖1 橋梁伸縮縫結構簡化示意圖

圖1為含有過渡區混凝土的橋梁伸縮縫結構簡化示意圖，從整個裝置的結構和功能來看，過渡區混凝土的功能主要體現在兩方面：a）將梁端伸縮縫裝置與主梁板通過過渡區混凝土有效錨固在一起，使伸縮裝置、過渡區混凝土和主梁板三者黏結成為一個復合整體，共同受力，有限傳遞荷載；b）將梁端伸縮縫裝置與橋梁鋪裝層黏結在一起，保證橋面的平整度和一體化，共同承受輪胎載荷對伸縮縫裝置的沖擊作用，有效傳遞和吸收沖擊能量。

橋梁伸縮縫過渡區混凝土的有益效果有三點:a）將梁端的伸縮縫裝置受到的荷載，通過過渡區混凝土傳遞給主梁結構，從而改變伸縮縫裝置的應力分布，減少其所受應力；b）將梁端的伸縮縫裝置受到的沖擊能量通過過渡區混凝土傳遞給主梁結構和橋面鋪裝層，減少伸縮縫裝置所受沖擊，能減輕或避免其發生沖擊破壞；c）伸縮縫裝置的型鋼彈性模量較高，瀝青混凝土鋪裝層彈性模量較低，過渡區混凝土將兩者模量差異較大的材料黏結成一體，保證路面的一體化，實現材料模量的均勻過渡，保證路面的平整度、行車的平穩性和舒適性。

2 橋梁伸縮縫過渡區混凝土的質量標準

我國對橋梁伸縮縫的研究基本都集中在伸縮裝置的結構設計上，而對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的研究很少。在與橋梁伸縮縫相關的各類標準中，對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的質量標準也沒有明確的規定：在交通行業標準JT/T327—2004《公路橋梁伸縮裝置》中，對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的要求是：C40環氧樹脂混凝土或C50鋼纖維混凝土，還可用C50以上強度等級的混凝土[3]；在交通行業標準JT/T502—2004《公路橋梁波形伸縮裝置》中，對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的要求是：采用高強度高韌性的鋼纖維混凝土或其他高性能混凝土[4]。這兩個標準對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的要求很籠統，很模糊，除了對抗壓強度有要求外，對其他方面的性能沒有提出明確的質量技術要求。

從橋梁伸縮縫過渡區混凝土的作用與功能的角度來看，橋梁伸縮縫過渡區混凝土的質量至關重要，它作為橋梁伸縮縫的重要組成部分，往往是最容易破壞，維修率也是最高的，它直接影響橋梁伸縮縫的運行狀態和使用壽命，故在橋梁伸縮縫相關標準中應對其做全面的具體的質量技術要求，顯然目前我國對橋梁伸縮縫過渡區混凝土的質量重視不夠，研究不足，標準不完善。

3 橋梁伸縮縫過渡區混凝土的應用現狀

目前我國工程中普遍應用的橋梁伸縮縫過渡區混凝土類型主要有普通混凝土 （如C50及以上強度等級）、鋼纖維混凝土和環氧樹脂混凝土三類。

普通混凝土是以水泥和水作為主要膠凝材料，將砂、石子、外加劑和礦物摻合料按適當比例均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的復合材料，屬脆性材料，抗壓強度高，但抗折、抗沖擊能力差，因橋梁伸縮縫過渡區混凝土的工作環境是直接承受車輪載荷的反復沖擊作用，對材料的抗折和抗沖擊性能要求較高，普通混凝土難以承受這種工作環境，故其破損率和維修率很高。

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型復合材料。亂向分布的鋼纖維能夠有效抑制混凝土微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著提升混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土抗拉強度提高40%～80%，抗彎強度提高60%～120%，抗剪強度提高50%～100%。鋼纖維混凝土因其優越的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能已成為目前橋梁伸縮縫過渡區混凝土的主流選擇，應用范圍最廣，應用比例最大。

環氧樹脂混凝土是以環氧樹脂、固化劑、助劑及填料作為膠黏劑，以砂、石子作為骨料，經混合成型、固化而成的一種復合材料，它具有強度高、韌性好、抗沖擊強度大、耐化學腐蝕、耐磨、耐水和抗凍性能良好，與金屬和非金屬材料黏結強度高、彌補了水泥混凝土抗拉強度低、抗拉應變小、抗裂性小、脆性大等缺點。固化后的環氧樹脂混凝土對大氣、潮濕、化學介質、細菌等都有很強的抵抗力。作為橋梁伸縮縫過渡區混凝土，環氧樹脂混凝土性能優勢很明顯，但由于技術較復雜、造價較昂貴，環氧樹脂混凝土應用數量和范圍還相當有限。

4 橋梁伸縮縫過渡區混凝土的研究動向

鋼纖維混凝土和普通混凝土因施工方便，成本低，已成為目前我國最主要的橋梁伸縮縫過渡區混凝土材料，但從其使用情況和維修情況來看，均未能達到設計和實際使用年限的要求，有些甚至隔1～2年就需要重修[5]，究其原因有以下幾點：a）鋪裝厚度不夠。國標中對過渡區混凝土鋪裝厚度沒有要求，在國內絕大多數伸縮縫選型、設計為C型、F型縫，混凝土鋪裝厚度小于15 cm難以承受重載交通碾壓，出現板塊早期開裂、剝離現象。b）混凝土澆筑時間把關不嚴。混凝土運距過遠，導致混凝土進入初凝期仍在使用。c）施工質量差。施工時振搗不密實或槽口處理不干凈。d）鋼纖維混凝土和普通混凝土均屬脆性材料，抗壓強度雖高，但抗折和抗沖擊能力較差，不太適應橋梁伸縮縫頻繁受沖擊的工作環境。e）混凝土自身黏結強度低、界面黏結性能差。鋼纖維混凝土和普通混凝土自身的黏結強度低，與瀝青混凝土鋪裝層、水泥混凝土梁板、預埋筋及型鋼間的界面黏結力差容易形成滲水縫隙。在承受應力作用時，黏結界面容易出現裂縫，一旦開裂，功能就基本喪失，最終導致錨固區混凝土出現大面積的破壞。

環氧樹脂混凝土與鋼纖維混凝土和普通混凝土相比，雖然具有較好的抗折和抗沖擊性能，但環氧樹脂膠黏劑本身脆性較大，必須對其進行增韌改性，才能提高其抗沖擊性能。環氧樹脂混凝土因技術難度較大，成本較昂貴，目前在橋梁伸縮縫過渡區混凝土中推廣難度較大，應用較少。

為了提高橋梁伸縮縫過渡區混凝土使用壽命，降低橋梁伸縮縫的維修或更換頻率，國內外科研工作者都在采用各種途徑改進橋梁伸縮縫過渡區混凝土的綜合性能，研究方向集中在以下幾個方面：a）開發聚合物改性鋼纖維混凝土或普通混凝土技術，以提高混凝土的抗折性能、抗沖擊性能和界面黏結力。聚合物種類有丙烯酸酯、聚氨酯、環氧樹脂、橡膠和瀝青等。b）開發高性能混凝土界面黏結劑，以提高鋼纖維混凝土或普通混凝土與各黏結界面的黏結力。c）開展快速維修用混凝土技術，以提高混凝土修復效率，縮短開發交通時間，保證公路通暢，提高其經濟社會效益。d）開展環氧樹脂混凝土配方研究，以降低其成本，提高其經濟性，便于其推廣應用。e）提高環氧樹脂混凝土增韌改性技術的實用性，如采用聚氨酯、聚酯、端羧基丁腈橡膠等可直接參與固化反應的液體聚合物改性材料作為增韌劑，或采用橡膠顆粒和橡膠粉作為填充料直接增韌改性，簡化改性工藝，提高改性技術的可控性。

5 結語

伸縮縫作為橋梁結構的重要組成部分，提高其質量，延長其壽命，做好使用期間的維修保養和更換工作，保持其結構的整體完好性，對保障橋梁結構穩固和行車安全都具有重要意義。而橋梁伸縮縫過渡區混凝土作為伸縮縫最先破壞和最容易破壞的部位，提高其質量，保證其作用和功能，延長其壽命，對保證伸縮縫結構的整體完好性起著至關重要的作用，應當且必將引起橋梁科研工作者的高度重視，成為今后研究的熱點之一。