橋梁鉸縫加固用環(huán)氧樹脂力學性能的影響因素分析

張富奎 王 暉 張軍林 魏 強 吳來帝

(1甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203)

我國早期建設的橋梁中，空心板橋梁占據(jù)了很大比重，這些橋梁最主要的病害是鉸縫連接處較為薄弱，滲水嚴重，并造成梁板混凝土侵蝕嚴重，最終形成單板受力，危害橋梁安全[1,2]。目前針對橋梁鉸縫病害，主要有粘貼鋼板加固、橫向體外預應力加固、橋面補強層加固和灌漿加固等幾種處治方法[3-5]。其中灌漿加固法具有施工過程方便，施工周期短，對交通和橋梁原有結構無影響的優(yōu)點，消耗的人力物力少，具有最佳的經(jīng)濟性[6]。

當前處治橋梁鉸縫病害常用的灌漿材料有水泥漿及化學膠結材料。采用化學膠結材料進行灌漿加固，常用的化學材料有環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯等，這些化學材料粘結強度高、粘度低、收縮小，加固效果優(yōu)異[7,8]。然而這類材料在施工時容易受到時間、配比和環(huán)境溫度等因素的影響[9,10]，在材料粘度、固化反應速度和固化放熱上發(fā)生變化，從而對加固效果產(chǎn)生影響。

本文基于《工程結構加固材料安全性鑒定技術規(guī)范》GB50728-2011[11]中所述指標，通過研究橋梁鉸縫加固用環(huán)氧樹脂在不同時間、溫度和配比下的固化情況，旨在探究上述條件對環(huán)氧樹脂各力學指標的影響，以對其在橋梁鉸縫加固施工中的應用提出理論指導。

1 試驗部分

本文中所用材料為自主研發(fā)的橋梁鉸縫加固用環(huán)氧樹脂，性能測試方法均參考表1中所述規(guī)范[12-14]，且為了表征材料在不同溫度下固化的性能指標發(fā)展趨勢，其養(yǎng)生溫度并未按照所參考規(guī)范設定為23±2℃，而是分別設定為20℃、30℃和40℃。此外，為了保證測試條件的統(tǒng)一，測試溫度均設定為23±2℃。

表1 性能指標及參考試驗標準

2 結果與討論

圖1 不同養(yǎng)生溫度下樹脂的

如圖1所示，環(huán)氧樹脂的拉伸強度與樹脂的固化程度緊密相關。隨著養(yǎng)生溫度的升高，樹脂自身強度增加，彈性模量增大，斷裂伸長率降低，樹脂發(fā)生脆斷所需拉伸力減小。

圖2 不同養(yǎng)生溫度下樹脂的

如圖2所示，養(yǎng)生溫度越高，樹脂固化時間越短，環(huán)氧樹脂抗彎、抗壓和劈裂強度越高。當固化溫度較低時，無法在短時間內完成固化并達到通車所需強度，因此不建議在低溫下使用環(huán)氧樹脂進行施工。

圖3 不同養(yǎng)生時間下樹脂的

圖4 不同養(yǎng)生時間下樹脂的

如圖3所示，20℃時，隨著養(yǎng)生時間的增長，拉伸強度持續(xù)增大，7天斷裂伸長率大于7%，40℃時拉伸強度隨時間增長降低，同時12小時后斷裂伸長率小于7%，隨時間減小，說明升溫升高，固化速度加快，但是會對最終強度產(chǎn)生影響；適宜溫度下，樹脂的固化時間越長，固化越完全。此外，拉伸強度不能衡量樹脂本身的強度，彈性模量更能反映樹脂的固化過程的強度變化。如圖4所示，不同溫度養(yǎng)生條件，抗彎、抗壓和劈裂強度隨養(yǎng)生時間的增長，基本呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 不同養(yǎng)生溫度下樹脂的

圖5為不同養(yǎng)生溫度環(huán)氧樹脂粘結強度變化，12小時以內抗剪強度隨著溫度的上升而增大，1天以后抗剪強度隨著溫度的升高反而有下降趨勢，環(huán)氧樹脂的固化實質上是環(huán)氧基團與胺類固化劑的化學反應，其反應速率與體系溫度成正比，因此溫度的升高會加快樹脂的固化速度，表現(xiàn)為強度的快速增長但是后期強度由于養(yǎng)生溫度高，樹脂可能存在老化，粘結性能反而下降，鋼-鋼抗拉與抗剪強度的發(fā)展趨勢相同。

如6所示，為不同養(yǎng)生時間環(huán)氧樹脂粘結強度變化，20℃時，抗剪和抗拉強度都是隨著時間的增大而增強，40℃時，粘結強度隨著時間的增長反而下降。

圖6 不同養(yǎng)生時間下樹脂的

如圖7、圖8所示，固化劑的含量增加，環(huán)氧樹脂的固化時間縮短，但是對前期環(huán)氧樹脂的粘結強度影響不大，3天以后的后期粘結強度隨著固化劑含量的增加，粘結強度增加。

圖7 不同配比樹脂在a)20℃、b)30℃和c)40℃下固化的鋼-鋼抗剪強度

圖8 不同配比樹脂在a)20℃、b)30℃和c)40℃下固化的鋼-鋼抗拉強度

綜上所述，粘結強度隨著養(yǎng)生時間和溫度增長的變化趨勢基本是先增大后減小，可能與環(huán)氧樹脂的抗疲勞和耐久性相關。增加固化劑對前期環(huán)氧樹脂的粘結強度影響不大，3天以后的后期粘結強度隨著固化劑含量的增加，粘結強度增加。

3 結 語

本文按照《工程結構加固材料安全性鑒定技術規(guī)范》GB50728-2011的要求，研究了不同條件下橋梁鉸縫加固用環(huán)氧樹脂的固化情況，試驗結果表明時間、配比和溫度均會對環(huán)氧樹脂的固化產(chǎn)生顯著影響。從膠體性能上看，隨著固化溫度的升高，樹脂自身強度增加，彈性模量增大，斷裂伸長率降低，膠體發(fā)生脆斷所需拉伸力減小；溫度越高，膠體固化時間越短，加固膠抗彎、抗壓和劈裂強度越高；不同溫度下，抗彎、抗壓和劈裂抗拉強度隨時間的增長，基本呈現(xiàn)上升趨勢；膠體強度隨著養(yǎng)生時間和養(yǎng)生溫度的增大而增加。對于樹脂的粘結能力，升高溫度使加固膠的上強速度加快，但是后期強度由于養(yǎng)生溫度高，樹脂可能存在老化，粘結性能反而下降，鋼-鋼抗拉與抗剪強度的發(fā)展趨勢相同；固化劑的含量增加，加固膠的固化時間縮短，但是對粘結強度影響不大。