不中斷交通橋梁鉸縫加固環氧樹脂的研究

楊小森 王 暉 張軍林 魏 強 吳來帝

（1甘肅省交通規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，空心板橋梁占據了很大比例。這些橋梁的鉸縫連接處較為薄弱，主要病害表現為滲水嚴重，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]。當前針對空心板梁橋橫向整體性與剛度的加固維修方法有粘貼鋼板加固法、橫向體外預應力加固法、橋面補強層加固法和灌漿加固法等[3-7]。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點，消耗的人力物力少，具有最佳的經濟性[8]。

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，加固效果優異[9,10]，是不中斷交通橋梁鉸縫加固的理想材料。

當前這類材料存在的主要問題是難以在提供足夠可操作時間的前提下快速固化，在施工時容易受到時間、配比和環境溫度等因素的影響，對加固效果產生影響[11,12]，表現為早期強度不高，易受到交通荷載及其他因素的干擾。

本文針對不中斷交通橋梁鉸縫加固施工的特點，以降低交通荷載及周圍環境對加固效果的影響為目標，研發出適用于此類施工的環氧樹脂類灌縫膠。

1 實驗原料及儀器

環氧樹脂ER-1及ER-2：弈成新材料科技（上海）有限公司；固化劑：自制；促進劑：陶氏化學；同類型產品：市場在售某橋梁加固用改性環氧樹脂。

2 試驗部分

2.1 力學性能測試

根據《樹脂澆鑄體性能試驗方法》GBT2567-2008中規定測定材料在拉伸過程中的拉伸應力與彈性模量。

根據《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法》GB/T7124-2008測定涂層與底材間附著破壞時所需的剪切應力指標。

根據《膠粘劑對接接頭拉伸強度測定方法》GB/T6329-1996測定涂層與底材間的正拉粘結強度。

根據《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》GB/T 50728-2011測定加固材料與基材發生內聚、粘附或者混合破壞的正拉粘接強度。

低溫力學性能測試時，將試件在10℃下養生，達到規定時間后在10℃環境中按照上述要求進行相應力學性能的測試。

2.2 縮尺模型干擾試驗

使用聚合物快硬混凝土制成500mm×100mm×30mm的模型小梁，其抗壓強度約為45MPa，抗折強度為2.5～3.0MPa。如圖1所示，將三根模型小梁用鉸縫加固膠樹脂粘結在一起，在樹脂固化過程中，于中間位置小梁上施加擾動，使該小梁相對兩邊小梁發生1～2mm位移，頻率為1～2分鐘1次。干擾持續12小時后停止，繼續養生至規定時間后在中間小梁上施加荷載，直至小梁破壞。

圖1 縮尺模型干擾試驗方案

2.3 接觸角測試

制備尺寸為70mm×70mm×40mm混凝土試塊，作打毛處理，保證打毛面的平整。將打毛面朝上，在接觸角儀上測定相應膠液在該面的接觸角。潮濕基面測試時預先將試塊于水中浸泡24h，取出用濕毛巾擦去表面明水，然后立即進行接觸角的測試。

3 結果與討論

3.1 施工性能

如表1所示，為不同成分對材料各方面性能的影響，“+”代表該成分有利于材料相應的力學性能或施工性能，“-”反之。

早期強度的調整主要通過加快材料固化反應速度以及增加剛性組分來實現。促進劑的使用可以加快反應速度，但是其摻量的增加會對粘結性能和膠體性能產生影響，需要在適宜的范圍內進行調整；在材料的A組分中增加環氧樹脂ER-2的含量，不但有助于提升其早期強度，還能進一步改善樹脂傳遞荷載的能力，然而由于ER-2的粘度較大，因此其用量應保證使材料粘度不高于500mPa·s[3]，以滿足壓力注膠的需求。

表1 材料中不同組分的作用

當A組分中ER-1與ER-2的比例調整為ER-1:ER-2=1:5時，體系粘度達到480mPa·s，此時達到ER-2的最大允許量。在ER-2的適用范圍內，再進行促進劑的用量調整，不同促進劑摻量的環氧樹脂固化時間（150g）如表2所示。

需要指出的是，樹脂的固化速度會隨著溫度的升高而加快，而環氧樹脂的固化是一個放熱的化學反應，會導致混合后的樹脂體系溫度升高。此外，隨著體系質量的增加，放熱越升溫越顯著。因此，單次混合的樹脂越多，其固化時間越短。在壓力注膠施工中，需提供30min左右的可操作時間[4]，故模擬實際施工情況，在上述配方中挑選具有適宜反應速度和較低粘度的配比，比較其用量為3kg時的固化時間。由結果（表3）可知，當所混合的A、B組分質量增加時，固化時間減少，其中配方①、③和④的固化時間分別為31min、34min和29min，仍可提供足夠的操作時間，能夠進行注膠施工。

表2 不同配比的固化時間（150g）

表3 不同配比的固化時間（3kg）

圖2 不同配比的72h彈性模量

圖3 不同配比的72h拉伸曲線

3.2 力學性能

考慮到不中斷交通橋梁鉸縫加固的最終目的是改善空心板梁單板受力的狀況，因此以材料的彈性模量作為指標，考察鉸縫加固樹脂傳遞荷載的能力。上述五種配比在23℃下固化72h后，彈性模量均大于同等條件下養護的同類型產品，表明改進后的材料可以有效傳遞荷載，使橋梁加固后形成各空心板共同受力的狀態（圖2、圖3）。

選擇固化時間最長的配比③進行粘結性能評價，基于橋梁鉸縫的受力情況[2]，評價采用24h、72h鋼—鋼剪切試驗和樹脂澆注體拉伸試驗，并與同類型產品比較。

與固化24h相比，固化72h后材料抗剪強度略有增加，但相差不大，表明材料在24h內已基本完成固化，盡管自研材料的抗剪強度低于同類型產品，但仍可以滿足7MPa的相關規范要求（圖4）。

圖4 不同配方的24h和72h鋼-鋼抗剪強度

3.3 抗交通干擾性能

通過對縮尺模型進行干擾試驗，可以更加直觀地反映出鉸縫加固膠的加固過程以及干擾對加固效果的影響。測試結果表明，配方④在不施加干擾的情況下，18h后即可達到三根小梁共同受力的狀態，表現為三根小梁同時斷裂，破壞荷載為單根小梁破壞荷載的2.04倍，24h后為2.43倍。而干擾后24h同樣形成共同受力，且破壞荷載為單根梁的2.82倍（表4），甚至優于未受干擾時的情況，表明在施工過程中，交通荷載對自研材料不會產生顯著影響。

表4 縮尺模型干擾試驗方案及結果

3.4極端條件下施工

環氧樹脂類鉸縫加固樹脂在低溫下會出現粘度增加，固化反應變慢的現象，不利于鉸縫注膠施工。針對此類施工環境，需對材料進行調整，增加促進劑摻量，加快反應速度，以滿足低溫施工需求。

配比④和⑤10℃條件下早期粘結能力與同類型產品相當，而24h后則更為優秀，且配比④的粘結性能最佳（圖5）。而普通環氧樹脂早期強度最差，12h和24h時均未固化，無抗拉和抗剪強度數據。

圖5 不同配比在10℃條件下的

在縮尺模型試驗中，配方⑤在10℃環境下固化3天后可以達到三根小梁同時斷裂的效果；而同類型產品在同樣條件下雖然也起到了傳遞荷載的作用，但是效果略差，在應變達到0.6mm時曲線出現拐點，三根小梁分為兩次斷裂（圖6）。這表明自研材料在低溫下能夠改善橋梁單板受力的狀況。

圖6 10℃下固化72h后的縮尺模型干擾試驗曲線

一般來說，環氧樹脂與水不互溶，因此其對潮濕表面的潤濕能力可能會小于干燥表面，從而影響到粘結效果。然而從不同材料各組分在混凝土表面接觸角的測試結果來看（表4，圖7），同類型產品A組分在干燥基面的接觸角約為20°，在潮濕基面的接觸角約為16°，自研材料A組分的接觸角也由在干面約16°降至在濕面約13°。兩種材料的B組分在混凝土表面的接觸角則更小，其在干濕面上接觸角的變化趨勢也與A組分相似，同類型產品在干面的接觸角約為8°，而在濕面上甚至低于儀器的檢測限，B組分在干濕面上的接觸角均因太小無法由儀器讀出。接觸角在潮濕基面上的降低表明少量的水不會影響環氧樹脂及其固化劑在混凝土表面上的潤濕能力，但是由于水的存在將環氧樹脂與基面隔離開來，仍會對粘結強度產生影響，需要力學性能測試進一步驗證。

表5 不同組分在混凝土基面上的接觸角

圖7 (a,b)同類型產品A組分、(c,d)同類型產品B組分、(e,f)自研材料A組分和(g,h)自研材料B組分分別在(a,c,e,g)干燥和(b,d,f,h)潮濕混凝土基面的接觸角

兩種材料在干燥的混凝土基面上均能夠滿足GB50728-2011中2.5MPa的粘接強度要求，而在潮濕基面上的粘結強度發生了不同程度地下降。其中自研材料配方④的粘結強度由干面的3.20MPa降至濕面的2.64MPa，同類型產品由3.42MPa降至2.42MPa。同類型產品在潮濕基面上粘結強度下降了29.2%；而自研材料的下降程度僅為17.5%。粘結強度和強度下降比例數據表明自研材料具有良好的潮濕基面粘結效果（圖8）。

圖8 不同基面對材料粘結能力的影響

4 工程應用

2016至2017 年，G6京藏高速和G312線部分位于甘肅省內的板式橋梁出現板梁間鉸縫損壞，導致板梁出現單板受力狀況，當地道路養護部門使用根據配方④生產的鉸縫加固材料，采用不中斷交通鉸縫加固的方式對發生病害的橋梁進行了加固維修，且其中部分施工是在10℃左右的低溫下完成。修復后的橋梁結構表現出良好的受力狀況，并具備優秀的防水性能，取得了理想的加固維修效果。

圖9 配方④在G6京藏高速上的應用

5 結 語

本文以粘度、固化時間、彈性模量和粘結強度為考察指標，測試了一系列環氧樹脂配方，并確定了最佳配方作為不中斷交通橋梁鉸縫加固樹脂。當ER-1與ER-2的比例1:3，促進劑用量為5%～7%時，材料粘度低于500mPa·s，3kg樹脂固化時間大于30min，可以有效傳遞荷載，粘結強度達到相應規范要求，能夠滿足不中斷交通加固橋梁鉸縫的需求。而上述配方的縮尺模型在干擾后仍能形成共同受力，低溫和濕面粘結效果均優于市售同類型產品，工程應用也表明該材料具有良好的加固效果。