節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

盧文良,楊 雷,鄭 強(qiáng)

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

近年來，中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，橋梁工程的建造速度及環(huán)保性逐漸得到重視。以先“化整為零”后“集零為整”的方式建造橋梁的快速施工法在近幾年得到迅速的發(fā)展[1]。節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土梁一般有3種接縫形式：干接縫、濕接縫和膠接縫。膠接縫的性能相對優(yōu)越，當(dāng)前大多數(shù)節(jié)段預(yù)制混凝土橋梁采用膠接縫[2]。我國鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中并未明確規(guī)定環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度，節(jié)段膠拼梁在設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮環(huán)氧樹脂膠的抗拉貢獻(xiàn)，僅作為抗裂性能的安全儲(chǔ)備[3]。

針對膠接縫力學(xué)性能，國內(nèi)外開展了相關(guān)研究。Mohsen A. Issa和Hiba A. Abdalla[4]針對單健齒節(jié)段環(huán)氧樹脂膠接縫的結(jié)構(gòu)性能展開了相關(guān)研究。王建超[5]進(jìn)行了節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土橋梁接縫抗剪性能試驗(yàn)研究。姜海波[6]進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制試驗(yàn)梁力學(xué)性能數(shù)值分析。袁愛民[7]進(jìn)行了節(jié)段預(yù)制橋梁膠接縫剪切性能試驗(yàn)研究。李學(xué)斌等[3]進(jìn)行了節(jié)段梁環(huán)氧樹脂膠接縫抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究。已有研究表明，環(huán)氧樹脂膠與混凝土粘結(jié)后，接縫具有一定的抗拉抗剪強(qiáng)度。節(jié)段膠拼梁設(shè)計(jì)時(shí)合理考慮膠接縫抗拉強(qiáng)度，將有效降低工程造價(jià)。節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁的工程實(shí)例已有多座，上海滬閔高架道路二期工程[8]、廣州市軌道交通四號線[9]、孫口黃河公路大橋[10]、南京長江第四大橋跨江大橋引橋[11]、桃花峪黃河大橋V標(biāo)[12]、黃韓侯鐵路芝水溝特大橋[13]、石首長江公路大橋北邊跨主梁[14]、鄭阜鐵路周淮特大橋[15]等橋梁工程建設(shè)均采用預(yù)制節(jié)段拼裝法，但與我國巨大的橋梁建造數(shù)量相比，仍然屬于極少數(shù)，尤其是北京地區(qū)的工程案例極少。膠接縫抗拉強(qiáng)度具有一定離散性，目前研究資料比較少。為研究膠接縫受拉破壞模式和抗拉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了4個(gè)軸心受拉膠拼構(gòu)件，進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，研究結(jié)果可為節(jié)段膠拼梁抗裂性設(shè)計(jì)提供參考。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)與制作

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)預(yù)制膠拼單鍵混凝土軸向拉伸構(gòu)件，編號為S1、S2、S3和S4。構(gòu)件由凹、凸兩節(jié)段膠拼而成，節(jié)段內(nèi)布置普通鋼筋網(wǎng)。在兩節(jié)段內(nèi)部預(yù)埋4根φ20 mm的傳力螺桿，以便后期進(jìn)行軸向拉伸加載。剪力鍵的構(gòu)造尺寸參考實(shí)際工程，鍵槽與鍵塊上、下側(cè)面傾斜角為45°，鍵高、鍵寬50 mm，鍵根部高150 mm。構(gòu)件尺寸如圖1所示。

圖1 軸拉構(gòu)件尺寸(單位：mm)

2.2 構(gòu)件制作

為保證軸拉構(gòu)件尺寸精度，軸拉構(gòu)件模具為機(jī)加工鋼模板。混凝土剪力鍵由鋼制機(jī)加工的折板成型，構(gòu)件澆筑時(shí)，鋼折板作為凹凸兩段的分隔板。構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級為C55，養(yǎng)護(hù)達(dá)到混凝土強(qiáng)度要求后，清理混凝土表面脫模劑，并對匹配面進(jìn)行粗糙處理。在預(yù)制節(jié)段接觸面上雙面涂抹雙組份環(huán)氧樹脂膠，其中A組分是由改性環(huán)氧樹脂、觸變劑、助劑及填料調(diào)制而成的白色膏體，B組分是由固化劑、觸變劑、助劑及填料調(diào)制而成的黑色膏體，A、B組分質(zhì)量比為2∶1。利用自制擠膠設(shè)備，在構(gòu)件兩端施加擠壓力，使膠接面產(chǎn)生0.3 MPa左右的均勻正應(yīng)力。兩節(jié)段拼接一周后拆除擠膠設(shè)備，10 d后膠體完全固化，進(jìn)行軸拉試驗(yàn)。

3 加載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

軸拉試驗(yàn)的裝卡方式，可分為內(nèi)埋式、外夾式、粘接式等。內(nèi)埋式構(gòu)件試驗(yàn)中受拉作用點(diǎn)不可修正，預(yù)埋拉桿應(yīng)確保位置精準(zhǔn)，保證初始狀態(tài)的物理對中。外夾式構(gòu)造簡單，但對試驗(yàn)設(shè)備要求較高，夾持部分易產(chǎn)生應(yīng)力集中。粘接式對膠粘劑強(qiáng)度要求較高，可能在夾頭和粘接鋼板處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且需要預(yù)先對粘接表面進(jìn)行處理，效率較低。

本試驗(yàn)采用外夾式方法，并對傳統(tǒng)軸拉試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提高構(gòu)件軸心受拉加載的準(zhǔn)確性。為了便于傳力，在凹、凸節(jié)段混凝土內(nèi)預(yù)埋4根φ20 mm的螺桿，預(yù)埋螺桿與普通鋼筋骨架采用焊接方式連接，螺桿外露部分與5cm厚鋼板栓接。構(gòu)件與試驗(yàn)機(jī)之間的連接件為球鉸夾頭，如圖2所示。該夾頭與試驗(yàn)機(jī)相連一端設(shè)絲扣，與構(gòu)件相連一端為機(jī)加工鋼球。鋼球與厚鋼板的曲面接觸，可以適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，類似于鉸的功能，便于調(diào)整構(gòu)件與試驗(yàn)機(jī)相對位置，保證了構(gòu)件只受拉力。把傳統(tǒng)拉環(huán)改成用傳力螺桿連接內(nèi)設(shè)曲面的厚鋼板，使構(gòu)件的軸向受力更均勻。

圖2 球鉸夾頭示意

3.2 加載機(jī)制

采用WAW-300微控電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。構(gòu)件就位后，首先在構(gòu)件彈性范圍內(nèi)進(jìn)行兩次預(yù)加載，用來消除構(gòu)件與夾頭接觸部位的空隙，預(yù)拉荷載約取破壞荷載的15%。預(yù)加載結(jié)束后進(jìn)行正式加載。試驗(yàn)加載圖示如圖3所示。

圖3 軸拉試驗(yàn)加載示意

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

4個(gè)膠拼構(gòu)件軸拉加載試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。各構(gòu)件軸拉破壞荷載結(jié)果見表1。加載至破壞荷載的30%時(shí)，軸拉混凝土構(gòu)件中發(fā)出清晰的內(nèi)部損傷聲音。加載至破壞荷載的80%時(shí)，在膠接縫附近出現(xiàn)表觀細(xì)微裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致構(gòu)件有效面積減小，構(gòu)件破壞進(jìn)程加快。軸向拉力達(dá)到破壞荷載時(shí)，構(gòu)件發(fā)出“嘣”的一聲巨響，受拉裂縫穿過鍵齒根部。破壞過程比較急促，無明顯征兆，斷裂破壞時(shí)聲音響亮，從出現(xiàn)裂縫到構(gòu)件破壞歷時(shí)較短，屬于典型的脆性破壞。斷裂面基本穿過鍵齒根部，在鍵齒周圍區(qū)域有分叉裂縫和少量碎片。斷裂位置基本位于接縫附近的混凝土處，斷口處幾乎無膠體，屬于混凝土內(nèi)聚破壞，破壞形態(tài)如圖4所示。

表1 膠接縫軸拉試驗(yàn)結(jié)果

圖4 膠接縫軸拉構(gòu)件破壞形態(tài)

裂縫最先出現(xiàn)在距膠縫10 mm左右處的混凝土，主要原因是節(jié)段端面附近以水泥砂漿為主，混凝土骨料較少。因此，膠接縫的抗拉強(qiáng)度取決于接縫附近混凝土的抗拉強(qiáng)度。由于接縫處普通鋼筋不連續(xù)，裂縫一旦出現(xiàn)便迅速延伸貫通，構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

4個(gè)構(gòu)件的極限抗拉強(qiáng)度最大值與最小值比值為1.12，具有一定的離散性。實(shí)測抗拉強(qiáng)度均值與理論計(jì)算值比值為0.96，其中理論計(jì)算值根據(jù)TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》C55混凝土抗拉強(qiáng)度極限值和構(gòu)件橫截面積計(jì)算。抗拉強(qiáng)度平均值為3.17 MPa，接近鐵路規(guī)范C55混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值3.3 MPa，說明膠縫處環(huán)氧樹脂膠與混凝土之間具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度。

節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件軸拉試驗(yàn)的荷載-位移曲線如圖5所示。荷載和位移是根據(jù)萬能試驗(yàn)機(jī)自帶傳感器測試數(shù)據(jù)繪制。由圖5可以看出，試驗(yàn)初期夾頭與試驗(yàn)機(jī)夾持裝置之間有輕微滑移現(xiàn)象，忽略加載初期的滑移，大部分加載過程中軸拉力與位移基本呈線性關(guān)系。

圖5 膠拼軸拉構(gòu)件荷載-位移關(guān)系曲線

4.2 接縫抗拉強(qiáng)度分析

節(jié)段預(yù)制混凝土橋梁一般按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。由于未充分考慮膠接縫的抗拉強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力度比較高以保證接縫處有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，在一定程度上增加了造橋成本。

目前國內(nèi)缺乏針對節(jié)段預(yù)制結(jié)構(gòu)拼接膠的相關(guān)規(guī)范，在工程實(shí)踐中一般參考相近的規(guī)范。GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對于A級膠，其鋼對混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于2.5 MPa，且為混凝土內(nèi)聚破壞。GB50278—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料應(yīng)用安全性鑒定規(guī)范》規(guī)定，鋼對干態(tài)混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于2.5 MPa，鋼對濕態(tài)混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于1.5 MPa，且為混凝土內(nèi)聚破壞。本次軸拉構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)軸拉構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度全部超過2.5 MPa，且全部為混凝土內(nèi)聚破壞。試驗(yàn)說明膠拼軸拉構(gòu)件膠接縫具有良好的粘結(jié)性能。根據(jù)本試驗(yàn)的研究成果，建議節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁抗裂性設(shè)計(jì)中，可以適當(dāng)考慮膠縫提供的抗拉強(qiáng)度。

4.3 粘結(jié)強(qiáng)度影響因素

(1)基底對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

表面清潔程度以及表面的物理、化學(xué)和灰塵等污染將對粘接的質(zhì)量產(chǎn)生影響。對待粘接構(gòu)件表面進(jìn)行適當(dāng)清潔處理，可以提高接縫力學(xué)性能。

(2)環(huán)境溫度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

結(jié)構(gòu)膠的主要成分是熱固型樹脂，這類樹脂作為高分子材料，其性能受溫度的影響十分顯著。溫度對膠接縫的影響是多方面的。粘結(jié)施工時(shí)的溫度影響膠的固化時(shí)間及固化強(qiáng)度。運(yùn)營階段溫度較高時(shí)會(huì)加速膠接縫的老化，降低接縫強(qiáng)度，還會(huì)引起破壞模式的轉(zhuǎn)變。

(3)環(huán)境濕度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

水滲入結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部會(huì)改變分子間的作用力。這種變化通常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度下降，粘結(jié)強(qiáng)度隨之降低。另外，界面吸附機(jī)理也認(rèn)為大量水分子通過親水性強(qiáng)的基底表面滲透到整個(gè)膠粘界面后，水分子會(huì)取代結(jié)構(gòu)膠分子在基底表面上已經(jīng)存在的物理吸附，從而引起粘結(jié)強(qiáng)度的下降。

除以上影響因素外，拼裝時(shí)的接縫壓應(yīng)力將導(dǎo)致膠體發(fā)生蠕變；動(dòng)態(tài)荷載作用下可能導(dǎo)致膠接縫出現(xiàn)疲勞損傷；應(yīng)力對膠接縫的影響通常與濕熱環(huán)境耦合。這些因素會(huì)不同程度的引起粘結(jié)強(qiáng)度的降低。

5 結(jié)論

通過對節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件軸向拉伸試驗(yàn)的研究，得到如下結(jié)論。

(1)膠接縫抗拉強(qiáng)度在2.94～3.24 MPa，平均值為3.17 MPa，膠接縫具有一定的抗拉性能。

(2)構(gòu)件軸拉破壞位置發(fā)生在膠接縫附近的混凝土處，斷裂穿過鍵齒根部混凝土，斷口無結(jié)構(gòu)膠外露，屬于混凝土內(nèi)聚破壞。

(3)預(yù)制節(jié)段膠拼橋梁的抗裂性設(shè)計(jì)中，在充分考慮膠接材料濕熱老化的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)考慮膠接縫的抗拉強(qiáng)度，減少預(yù)應(yīng)力鋼筋用量，提高設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。