市政橋梁伸縮裝置過渡區快速修復材料研究

王德剛

河南五建混凝土有限公司（450100）

0 前言

橋梁伸縮裝置是貫通橋梁與道路、橋梁與橋梁之間的重要工程部位，其作用是保證橋梁構筑物在氣溫變化和荷載作用下能自由變形，避免對橋梁主體結構造成破壞[1]。伸縮裝置過渡區填充料和伸縮裝置中填充料不僅對橋梁伸縮裝置結構服役性能有著重要影響，而且對車輛行駛安全和車輛荷載傳遞有著直接影響[2-3]。

現階段我國市政建設處于加速擴張時期，一二線城市均建設了大量的高架橋梁，這些橋梁結構也均設置較多伸縮裝置，但近幾年伸縮裝置發生破損情況較多。經修復后的橋梁伸縮裝置，因施工、養護、營運等原因，二次損壞現象也較為普遍。伸縮裝置處因橋頭沉降、水泥混凝土不平整等往往是全線平整度最差的位置，影響行車的舒適性和安全性。

在橋梁伸縮裝置維修更換時，因考慮市政橋對于城市交通的影響因素，以及營運和安全的需要，伸縮裝置維修處混凝土養護時間短、開通早，導致水泥混凝土實際強度不足，混凝土產生開裂現象很普遍。橋梁伸縮裝置處平整度不佳，導致車輛荷載沖擊變大,也易造成伸縮裝置損壞。

目前伸縮裝置過渡區材料主要有普通混凝土、鋼纖維混凝土、環氧樹脂混凝土和超高韌性混凝土等[2]。然而，國內外近年橋梁伸縮裝置過渡區、伸縮裝置填料等修復材料及安裝技術仍然不能有效提高伸縮裝置的使用壽命。統計調查，伸縮裝置過渡區材料損壞的形式和原因：新舊混凝土黏結處損壞，在震動和變形作用下新舊界面易分離，水進入地基或橋面瀝青混凝土鋪裝層，在荷載和環境作用下加速了伸縮裝置的損壞；震動集中處破壞，伸縮裝置處預留一定的變形裝置，伸縮裝置處有輕微的不平整性，車輛在經過伸縮裝置時易產生震動，伸縮裝置在車輛碾壓和震動作用下，極易遭到破壞；伸縮裝置過渡區混凝土斷裂和剝落，主要原因一是混凝土自身結構性能不能滿足服役環境，二是橋臺地基不均勻沉降。

新混凝土與舊混凝土黏結不佳主要原因：一是在新混凝土澆筑振搗時容易使粗集料接觸舊混凝土，而界面缺少膠結材；二是新舊界面混凝土會產生干縮和溫縮變形。

橋梁伸縮裝置填充料不僅可以防止水進入過渡區混凝土和橋面鋪裝層，還可以傳遞動荷載。目前橋梁伸縮裝置填充料主要是橡膠條，但是橡膠在交通荷載和自然環境等因素的影響下宜老化、破損，影響橋梁伸縮裝置整體服役壽命[4-5]。因此，文章介紹了過渡區高流態、超早強、高韌性混凝土，新舊結合部有機無機復合黏結材料及高彈性伸縮裝置灌封材料，研究高韌性混凝土的力學性能、黏結材料的黏結性能及高彈性遇水膨脹聚氨酯的耐久性能，闡述橋梁伸縮裝置一體化快速修復材料和技術。

1 試驗部分

1.1 過渡區快速修復材料

傳統的過渡區快速修復材料主要有環氧樹脂混凝土、聚合物混凝土、鋼纖維混凝土等，多屬于脆性材料。實踐應用表明，過渡區脆性混凝土會大大降低伸縮裝置的使用壽命[6-7]。本試驗采用普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和石膏作基材，同時加入鈦酸酯偶聯劑、可再分散膠粉和剛-聚丙烯混雜纖維和活性礦物摻和料提高修復材料的力學性能。高韌性混凝土配合比設計見表1。

表1 高韌性混凝土配合比設計（kg/m3）

由表2 可見，高韌性混凝土具有高流態、超早強的特點，可以滿足市政道路快速施工的要求，而且具有優異的耐水性和抗氯離子侵蝕性能。28 d 抗折、抗壓強度分別達到23.6 MPa、123.5 MPa。高韌性混凝土設計原理:利用普通硅酸鹽水泥、硫酸鹽水泥和石膏保證早期超高強度；微硅粉在膠凝體系中不僅起到微集料效應、火山灰效應，而且大大提高膠凝材料與纖維的握裹力[8]；剛-聚丙烯混雜纖維提高了抗折強度和斷裂韌性；硅烷乳液水解后生成≡Si-OH 與水泥顆粒表面≡Si-OH 發生縮合反應，改變了凝膠孔與水的接觸角，阻礙了液態水的進入，降低了吸水率；鈦酸酯偶聯劑水解也會生成≡Si-OH，可優先吸附在硅酸鹽水泥顆粒表面，而可再分散膠粉分子中羧酸根與Ca2+形成化學鍵，從而易與鋁酸鹽物相形成界面層；可再分散膠粉既可以和鈦酸酯偶聯劑通過氫鍵和色散力產生吸附又可以和鋁酸鹽水泥形成化學鍵，而鈦酸酯偶聯劑既可以和可再分散膠粉反應，又可以和硅酸鹽羥基發生縮合反應。鈦酸酯偶聯劑、烷氧基硅烷和可再分散膠粉與水泥水化產物相互交織，把硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝膠連接一起，使漿體結構更密實，改善了膠凝體系的力學性能[9-10]。

表2 超高韌性混凝土性能

1.2 新舊混凝土黏結材料

新舊混凝土界面處的黏結力關系到混凝土的服役壽命。新舊界面處黏結材料首先不能自身收縮，必須對兩個界面都有較好的黏結性能，而且要有防水抗滲的功能。目前使用的界面劑主要有環氧樹脂砂漿和水泥凈漿[11-12]、聚合物改性水泥砂漿、膨漿[13]、粉煤灰改性水泥砂漿[14]等。文章采用有機無機復合材料即γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散膠粉、辛基三乙氧基硅烷、硅酸鈉和氫氧化鈣改性水泥凈漿作為界面黏結劑。黏結劑配合比設計見表3，黏結劑性能見表4。

表3 黏結劑配合比設計/%

表4 黏結劑物理性能

γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）是兩性界面劑，既親油又親水，很適合做水泥混凝土和瀝青混凝土的界面劑。硅酸鈉和氫氧化鈣既可以促進水泥凈漿的快速反應，又可以自身生成C-S-H 凝膠。γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散膠粉、辛基三乙氧基硅烷與凝膠互穿網絡形成防水抗滲增韌的界面層，大大提高界面的耐沖擊力和耐久性能。

1.3 伸縮裝置填充物

目前伸縮裝置填充物多為橡膠條，由于其耐久性能差，2～3 年就需要更換，橡膠條一旦損壞既影響到伸縮裝置的服役壽命，也影響到沖擊力的傳力，極有可能破壞橋梁鋪裝層，而且影響行車舒適性和安全。因此，文章選擇遇水膨脹聚氨酯作為伸縮裝置填充物，填充物材料性能見表5。

表5 遇水膨脹聚氨酯性能

2 修復技術

清理基面后，將舊瀝青混凝土或舊水泥混凝土界面人工鑿毛或者機械鑿毛，涂刷界面劑，在界面劑終凝之前，澆筑過渡區混凝土，然后在伸縮裝置兩邊鋼結構表面涂刷環氧底涂，然后安裝遇水膨脹聚氨酯（凹面）。結構修復圖如圖1 所示，伸縮裝置高彈性遇水膨脹聚氨酯施工細節示意圖如圖2 所示。

圖1 結構修復圖

圖2 伸縮裝置填充物

3 結語

采用普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和石膏配置出的高流態、超早強、高韌性過渡區修復材料2 h抗折、抗壓強度可以達到6.5 MPa 和36.3 MPa，28 d抗折、抗壓強度可以達到22.4 MPa 和123.5 MPa。

采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散膠粉和辛基三乙氧基硅烷以及硅酸鈉和氫氧化鈣等有機無機復合材料改性水泥凈漿作為界面黏結劑，制備出高黏結強度、防水、抗滲界面黏結材料，剪切強度和劈拉強度分別為4.31 MPa 和3.24 MPa。

利用高韌性過渡區混凝土、高黏結強度新舊混凝土界面劑和遇水膨脹聚氨酯伸縮裝置填料等三種材料建立了一體化設計和施工快速修復技術。