橋面伸縮縫水泥混凝土帶預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料的研發(fā)與應(yīng)用

王福浩

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

0 引言

在季凍區(qū)，橋面伸縮縫的混凝土帶由于受鹽腐蝕等原因影響，常出現(xiàn)脫皮、漏石、破損等病害，目前，橋面伸縮縫混凝土多通過(guò)配合比設(shè)計(jì)提高抗鹽腐蝕性能，但是從實(shí)際使用效果來(lái)看，伸縮縫的脫層、漏石等病害仍時(shí)有發(fā)生。典型病害情況如圖1所示。隨著病害情況的逐漸加重，伸縮縫處的行車舒適性將會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至?xí)?lái)安全隱患，因此，病害到一定程度，不得不進(jìn)行鑿除、重設(shè)[1]，維修過(guò)程必然會(huì)影響交通，并帶來(lái)巨大的人力與物力的消耗。

圖1 新魯高速民主公公分離式立交橋伸縮縫混凝土帶起皮、開裂

如果采用一定的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提前對(duì)伸縮縫混凝土帶進(jìn)行防護(hù)，避免鹽腐蝕病害的發(fā)生，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)效益。

從橋面伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕機(jī)理出發(fā)，以乳化瀝青、1.18mm以下機(jī)制砂為主材，采用丙烯酸樹脂等材料進(jìn)行增粘增韌改性，制備了一種稀漿混合料，開展了復(fù)合乳化改性瀝青的性能試驗(yàn)，并開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行了后期跟蹤觀測(cè)。研究成果可以為橋面伸縮縫混凝土帶抗鹽腐蝕的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供一定的借鑒。

1 橋面伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕機(jī)理

混凝土的鹽腐蝕主要有氯離子鹽腐蝕與硫酸鹽鹽腐蝕兩種形式[2-4]。氯離子能夠輕易滲透進(jìn)混凝土中，主要通過(guò)擴(kuò)散、毛孔吸收和滲透三種方式。氯離子在進(jìn)入到混凝土中后，首先是氯離子會(huì)和水泥中的硫鋁酸鈣水合物反應(yīng)生成十水合氯鋁酸鈣化合物；其次是混凝土中的部分材料吸附性較強(qiáng)，氯離子在滲入之后直接被其中的水化產(chǎn)物所吸附；最后是游離態(tài)的氯離子濃度不斷增加，直至某一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，混凝土材料中就會(huì)出現(xiàn)氯鹽腐蝕。氯離子及其反應(yīng)產(chǎn)物的存在，增大了混凝土材料的體積，從而造成混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，最終導(dǎo)致微細(xì)觀的崩解，宏觀則表現(xiàn)為脫層。而對(duì)于硫酸鹽腐蝕，目前，無(wú)論是沿海地區(qū)還是西部地區(qū)，往往混凝土腐蝕的另一個(gè)原因就是硫酸鹽腐蝕。硫酸鹽的來(lái)源非常廣泛，比如鹽漬地下含有大量的硫酸鹽，大部分施肥的土壤中及頻繁燃燒富含硫元素燃料導(dǎo)致空氣中彌漫的硫酸鹽，這些使得硫酸鹽可以輕易地滲透進(jìn)混凝土建筑物中。混凝土中的硫酸鹽腐蝕主要來(lái)源于硫酸鹽在混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)的產(chǎn)物。硫酸鹽會(huì)與混凝土材料中的一些成分發(fā)生中和反應(yīng)，生成部分鈣鹽，在反應(yīng)產(chǎn)物中會(huì)存在較多的結(jié)晶水，而且混凝土中含有氫氧化鈣，當(dāng)空氣中的二氧化碳進(jìn)入混凝土中時(shí)，會(huì)反應(yīng)生成碳酸鈣。由于碳酸鈣偏弱堿性，造成混凝土中的堿性不斷降低，因此，最終導(dǎo)致鈍化膜的腐蝕。物理反應(yīng)主要是因一些反應(yīng)產(chǎn)物存在較長(zhǎng)時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)體積增大的情況，從而使得混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力而破壞。目前硫酸鹽腐蝕的類別主要是鈣礬石型和碳硫硅酸鈣型，這種腐蝕物的損壞效果具有很大的區(qū)別，其中鈣礬石型會(huì)導(dǎo)致混凝土材料體積的增大，長(zhǎng)此以往造成整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張和開裂，使得建筑物往往出現(xiàn)較大裂縫；而碳硫硅酸鈣型的破壞效果不如前者那么明顯，常常很難用肉眼觀察出來(lái)，并且破壞周期較長(zhǎng)，但是一旦達(dá)到一定程度，很可能直接造成混凝土結(jié)構(gòu)的直接分解。

2 材料設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的主要思路是，設(shè)計(jì)一種耐鹽腐蝕的稀漿類涂料，黏附于伸縮縫的混凝土帶，將“鹽”與混凝土隔絕，從而達(dá)到防鹽腐蝕的目的。由于伸縮縫混凝土帶是一種水硬性材料，因此不能完全粘附，必須采用一種流動(dòng)性強(qiáng)，能浸潤(rùn)到表面的材料，乳化瀝青的滲透性較強(qiáng)，但是其高溫穩(wěn)定性較差，高分子聚合物乳液也具有良好的滲透性、粘附性，但是其成本較高，且固化后硬度較高，在車輛荷載的作用下容易碎裂。因此，材料的設(shè)計(jì)思路是，通過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤旌希苽湟环N兼顧二者性能的材料，并且能夠耐氯鹽、硫酸鹽腐蝕，即可以形成耐鹽腐蝕的保護(hù)層，減緩或者防止伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕發(fā)生。總體方案是采用改性乳化瀝青乳液作為基液，加入0～1.18mm機(jī)制砂作為骨料，并加入增粘高分子聚合物材料，提高材料的耐磨耗性，最終形成粘附力強(qiáng)、耐環(huán)境荷載能力強(qiáng)、高低溫時(shí)均具有一定柔韌性同時(shí)耐磨耗性強(qiáng)的一種材料。

3 復(fù)合乳化改性瀝青的性能試驗(yàn)

3.1 瀝青選擇

選擇了三種瀝青對(duì)材料性能進(jìn)行了比較分析，分別是基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青A、線型SBS改性瀝青B。結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，改性瀝青B軟化點(diǎn)最高，高溫穩(wěn)定性最優(yōu)，改性瀝青A的低溫性能較好，但是高溫性能略顯不足。基于以往的乳化瀝青材料的耐久性不足考慮，從提高乳化瀝青材料的高溫穩(wěn)定性出發(fā)，選擇改性瀝青B作為乳化瀝青主材料。

對(duì)改性瀝青B進(jìn)行乳化，乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 改性乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好、高低溫性能良好。

3.2 乳化瀝青增粘材料選擇與性能試驗(yàn)

由于混凝土帶強(qiáng)度較高，僅僅使用乳化瀝青，粘附力差且高溫穩(wěn)定性難以滿足，必須進(jìn)行增粘改性。樹脂類材料屬于高分子材料，其優(yōu)點(diǎn)是溫度敏感性低，選擇樹脂類高分子作為增粘劑。現(xiàn)有的研究中，有使用兩組分環(huán)氧樹脂作為增粘材料的方案，這種方案是在乳化瀝青中加入環(huán)氧樹脂，施工前，加入特定類型的固化劑，兩組分反應(yīng)后，形成強(qiáng)度很大的膠結(jié)材料，借以提高乳化瀝青的耐磨耗性及穩(wěn)定性。兩組分樹脂雖然強(qiáng)度較高，但是固化劑加入后，兩組分隨即開始反應(yīng)，留給施工組織的時(shí)間較少，一旦發(fā)生意外不能施工，材料需要迅速處理掉，否則將會(huì)堵塞設(shè)備，并且難于清理，施工組織難度較大，靈活性不足[5]。因此，選擇了一種單組份丙烯酸樹脂作為增粘劑，型號(hào)為AC-261P[6]。調(diào)整不同摻配比例，重點(diǎn)進(jìn)行了60℃的拉拔試驗(yàn),拉拔試驗(yàn)時(shí)，粘附基材為玄武巖石板，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表 3 不同AC-261P比例的拉拔強(qiáng)度

圖2 增粘劑摻加比例與拉拔強(qiáng)度關(guān)系

從圖2中趨勢(shì)線來(lái)看，增粘劑比例小于18∶100時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，這是瀝青占據(jù)主體的原因，當(dāng)增粘劑比例大于18∶100時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率加快，這表明，隨著增粘劑比例的增加，增粘劑作用會(huì)越來(lái)越明顯。為防止高溫天氣下養(yǎng)護(hù)材料被車輪粘走，調(diào)整多個(gè)配比，進(jìn)一步進(jìn)行高溫粘輪性能驗(yàn)證，試驗(yàn)溫度為60℃[7]，結(jié)果如表4。

表4 60℃高溫穩(wěn)定情況

從表4中試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)丙烯酸樹脂乳液的比例大于18%時(shí)，即可獲得良好的不粘輪效果。為確保現(xiàn)場(chǎng)使用效果，選擇比例為50%。為檢驗(yàn)其抗凍融及鹽腐蝕性能，進(jìn)一步開展鹽水凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在15℃條件下涂布，指干時(shí)間為20min，干燥時(shí)間為40min，凍融次數(shù)為50次，鹽水濃度為0.9%，采用食用精鹽配制，基材為水泥混凝土。試驗(yàn)后的情況如圖3所示，觀測(cè)結(jié)果表明，以稀漿材料進(jìn)行防護(hù)的部分未出現(xiàn)任何脫離破損情況，表明設(shè)計(jì)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)稀漿材料耐鹽水凍融性能良好，耐鹽腐蝕效果良好。

圖3 凍融50次之后的情況

4 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝與試驗(yàn)工程效果跟蹤

4.1 施工工藝

(1)用吹風(fēng)機(jī)或者硬笤帚將混凝土帶表面清潔，無(wú)雜物、浮塵。并用小錘輕輕敲擊，如果脫皮，則應(yīng)將不牢固表皮清除。

(2)用滾刷在混凝土帶上涂一薄層防護(hù)材料的乳化瀝青基膠結(jié)料。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料拌和均勻，然后使用抹子在混凝土帶上抹一薄層，厚度在1.5mm以內(nèi)。

(4)養(yǎng)生時(shí)間：氣溫低于15℃時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間不少于4 h；氣溫高于15℃時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間不少于3 h。

(5)開放交通。開放交通前，再次檢查養(yǎng)護(hù)材料是否干燥硬化完畢。

4.2 工程使用效果觀測(cè)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)高性能防護(hù)材料的應(yīng)用效果，先后在沈彰高速、丹錫高速、長(zhǎng)深高速、沈大高速等共進(jìn)行不同工藝、不同配方的四次試驗(yàn)。具體工程如表5所示。其中丹錫高速試驗(yàn)工程實(shí)施時(shí)間已經(jīng)超過(guò)1年，經(jīng)歷了高溫及低溫的考驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，使用1年以后，養(yǎng)護(hù)材料無(wú)破損，如圖4所示。

表5 四個(gè)試驗(yàn)工程的實(shí)施工藝與效果

圖4 丹錫高速1年后

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，添加機(jī)制砂的材料耐久性較好，而不添加機(jī)制砂的耐久性較差。這主要是因?yàn)樘砑訖C(jī)制砂后，不但增加了防護(hù)材料的厚度，而且車輪荷載主要由機(jī)制砂承擔(dān)，大幅降低了車輪荷載對(duì)丙烯酸乳液改性乳化瀝青的沖擊磨耗。而乳液的拌和工藝對(duì)材料的耐久性影響不大，這主要是因?yàn)槿橐哼M(jìn)行了一次拌和，在與機(jī)制砂拌和時(shí)相當(dāng)于又進(jìn)行了一次拌和，因此人工拌和的工藝對(duì)性能影響不大。有條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇機(jī)械拌和方式，以進(jìn)一步提高乳液的均勻程度。

5 結(jié)語(yǔ)

基于橋面伸縮縫混凝土帶鹽腐蝕機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程，得到一些初步結(jié)論。

(1)以丙烯酸樹脂改性乳化瀝青及0～1.18mm機(jī)制砂制備的稀漿材料具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐磨耗性，施工工藝簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面伸縮縫混凝土帶的有效防護(hù)。

(2)機(jī)制砂對(duì)稀漿料的耐磨耗性具有至關(guān)重要的影響，而丙烯酸改性乳化瀝青的拌和工藝對(duì)稀漿料的性能影響不大。

(3)丙烯酸樹脂摻加比例對(duì)乳化瀝青性能影響較為關(guān)鍵，隨著比例提高，高溫粘結(jié)力逐漸提高，達(dá)到18%以上時(shí)，乳化瀝青的高溫粘結(jié)力快速提高，并且防粘輪效果明顯，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)交通荷載水平確定適宜比例。