公路橋梁裂縫修復(fù)用改性新材料性能測試及效果研究

摘 要：針對傳統(tǒng)混凝土橋梁裂縫修復(fù)困難的問題，提出通過改性石蠟、碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板對混凝土橋梁裂縫進(jìn)行協(xié)同修復(fù)。試驗對工業(yè)石蠟的改性條件進(jìn)行優(yōu)化，研究了改性石蠟、碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板對混凝土橋梁裂縫的修復(fù)效果。試驗結(jié)果表明，工業(yè)石蠟∶石墨粉∶乳化劑∶環(huán)氧樹脂=100∶1.5∶12∶12時，對工業(yè)石蠟的改性效果最好，在改性石蠟厚度為9 mm，側(cè)面單面鋪設(shè)2層碳纖維布，底面鋪設(shè)一層內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板的條件下，橋梁混凝土開裂載荷提升至15.8 kN，破壞載荷提升至16.9 kN，裂縫的最終修復(fù)率約為32.1%，表現(xiàn)出良好的增韌效果和修復(fù)效果。

關(guān)鍵詞：橋梁修復(fù)；混凝土裂縫修復(fù)；加固材料；改性石蠟

中圖分類號：

TQ178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0110-04

Performance test and effect study of modified new materials for repairing cracks in highway bridges

MOU Shouguo1，XIE Tuanjie2

（1.Dongying Municipal Engineering Co.，Lid.，Dongying 257091，Shandong China；

2.Dongying River Dim Service Center，Dongying 257091，Shandong China）

Abstract：To solve the problem of difficult crack repair for traditional concrete bridges，a collaborative repair method using modified paraffin，carbon fiber cloth and embedded steel wire mesh cement mortar board for concrete bridge cracks was proposed.The experiment optimized the modification conditions of industrial paraffin，and then studied the repair effect of modified paraffin，carbon fiber cloth，and embedded steel wire mesh cement mortar board on concrete bridge cracks.The experimental results showed that the modification effect of industrial paraffin was the best when the ratio of industrial paraffin∶graphite powder∶emulsifier∶epoxy resin was 100∶1.5∶12∶12.Under the condition of modified paraffin with a thickness of 9 mm，two layers of carbon fiber cloth on one side and one layer of embedded steel wire mesh cement mortar board on the bottom，the cracking load of bridge concrete increased to 15.8 kN，and the failure load increased to 16.9 kN，and the final repair rate of cracks was about 32.1%，showing good toughening and repair effects.

Key words：bridge repair;repair of concrete cracks;reinforcement materials;modified paraffin

混凝土橋梁開裂問題已經(jīng)成為了現(xiàn)代橋梁最值得關(guān)注的問題之一，若不及時進(jìn)行處理，則會造成巨大的安全隱患。尋找一種適合的橋梁裂縫修復(fù)加固方式對橋梁的使用有重要意義。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如制備了一種新型無機(jī)的海泡石基混凝土裂縫自修復(fù)劑，并對其混凝土修復(fù)效果進(jìn)行研究［1］。制備了一種超高性能混凝土用于橋梁的加固［2］。制備了一種新型高性能環(huán)氧樹脂（PA-EP）混凝土裂縫修復(fù)膠，并對其基礎(chǔ)性能進(jìn)行了研究［3］。提出一種新的橋梁裂縫化學(xué)材料灌漿修復(fù)技術(shù)，并展開實例應(yīng)用分析［4］。以上學(xué)者的研究為混凝土橋梁裂縫的修復(fù)提供了一些參考，但是在修復(fù)效果方面還有進(jìn)一步增強(qiáng)的空間，基于此，試驗以林慧東［5］論文中的方法，提出通過改性石蠟、碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板對混凝土橋梁裂縫進(jìn)行協(xié)同修復(fù)，并對其修復(fù)效果進(jìn)行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：工業(yè)石蠟（CP），銘鋒生物科技；環(huán)氧樹脂（CP），榮威防腐材料；乳化劑（CP），金晟新材料）；石墨粉（CP），貴通石墨；水泥（P·O42.5），康輝耐材；碎石（Ⅱ級），永順礦產(chǎn)品；砂（Ⅱ級），澤創(chuàng)礦產(chǎn)品 ；碳纖維布（Ⅱ級），果宛新材料。

主要設(shè)備：HH-1型恒溫水浴鍋（金壇良友儀器）； JS1000型混凝土攪拌機(jī)（鯤之躍建筑工程機(jī)械）；NDJ-1C型旋轉(zhuǎn)黏度計（英檢達(dá)儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 石蠟的改性

分別選擇石墨、環(huán)氧樹脂和乳化劑對工業(yè)石蠟進(jìn)行改性，提升石蠟的性能。以改性后石蠟作為公路橋梁的修復(fù)材料。

（1）石墨改性石蠟。

按照100∶2、100∶1.5、100∶1的比例分別稱取工業(yè)石蠟和石墨粉。先將工業(yè)石蠟放入燒杯中，在45 ℃條件下水浴熔融，然后按照比例分別添加石墨粉，恒溫攪拌冷卻，得到石墨石蠟，攪拌時間為1 h；

（2）乳化劑改性石蠟。

按照100∶5、100∶8、100∶12、100∶17的比例稱取石蠟和乳化劑。在36 ℃水浴條件下將石蠟熔融后，加入乳化劑，恒溫攪拌60 min后倒入模具中冷卻，得到乳化石蠟；

（3）環(huán)氧樹脂改性石蠟。

按照100∶4、100∶8、100∶12、100∶16的比例稱取石蠟和環(huán)氧樹脂。在36 ℃水浴條件下將石蠟熔融后加入環(huán)氧樹脂和固化劑，固化劑添加量為環(huán)氧樹脂的1/10，恒溫攪拌60 min后倒入模具中冷卻，得到環(huán)氧石蠟。

1.2.2 混凝土試件的制備

參照GB 50204—1992［6-7］中對于C50混凝土的要求，對基礎(chǔ)混凝土的配比進(jìn)行設(shè)計，具體見表1。

（1）按照表1配合比將砂石和水泥放入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)，打開攪拌機(jī)干拌90 s后，加入所需用水的一半，繼續(xù)攪拌60 s后，倒入剩余用水，繼續(xù)攪拌1.5 min，得到混凝土拌合物;

（2）將混凝土拌合物倒入提前刷油的模具中，然后用刮刀將模具上多余的砂漿刮去，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下養(yǎng)護(hù)2 d后脫模。

1.2.3 主動修復(fù)試驗

（1）將工業(yè)石蠟、石墨粉、乳化劑和環(huán)氧樹脂按比例進(jìn)行混合，得到改性石蠟。分別以改性石蠟和普通石蠟作為修復(fù)材料進(jìn)行主動修復(fù)試驗;

（2）將混凝土打磨清洗后將熔融狀態(tài)的修復(fù)材料覆涂在混凝試件底部，修復(fù)材料厚度分別為3、6、9和12 mm，分別對應(yīng)編號為A1-A4，B1-B4，A表示改性石蠟作為修復(fù)材料，B表示以普通石蠟作為修復(fù)材料;

（3）將涂覆有修復(fù)材料的混凝土置于陰涼干燥的環(huán)境養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.2.4 修復(fù)效果增強(qiáng)試驗

確定改性主動修復(fù)試驗的最佳條件后，通過碳纖維布和內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板對混凝土裂縫修復(fù)效果進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)，構(gòu)件設(shè)計見表2。

1.3 性能測試

1.3.1 熔點及熱傳導(dǎo)性測試

熔點：將待測石蠟放入恒溫水浴鍋中，根據(jù)溫度變化導(dǎo)致的石蠟狀態(tài)的變化確定石蠟熔點。

熱傳導(dǎo)性：固定溫度為石蠟的熔點溫度，根據(jù)石蠟熔化的時間確定其熱傳導(dǎo)性。

1.3.2 膨脹率測試

通過膨脹后體積變化計算膨脹率。

1.3.3黏性測試

通過旋轉(zhuǎn)黏度計測試。

1.3.4 修復(fù)率測試

根據(jù)GB/T 50081—2002進(jìn)行抗折試驗，在裂縫產(chǎn)生后，通過讀數(shù)顯微鏡來觀察裂縫寬度的變化，并計算修復(fù)率［8-9］。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性石蠟配比優(yōu)化

2.1.1 石墨粉用量優(yōu)化

表3為改性石蠟配比優(yōu)化結(jié)果。

由表3可知，添加了石墨粉的石蠟材料融化速率明顯快于純石蠟材料。石蠟與石墨粉比例為100∶2與100∶1.5時，改性石蠟的熔點和熱傳導(dǎo)性基本保持一致，這說明了石墨粉對石蠟的熔點和熱傳導(dǎo)性均有改善作用。當(dāng)石蠟與石墨粉比例為100∶1.5時，已經(jīng)達(dá)到了最好的改善效果。因此，在后續(xù)試驗中，選擇適合的石蠟與石墨粉比例為100∶1.5。

2.1.2 乳化劑用量優(yōu)化

石蠟與乳化劑混合后，可同時吸收親水基團(tuán)和油性基團(tuán)，使這些基團(tuán)無法腐蝕混合物，進(jìn)而增強(qiáng)混合物的機(jī)械強(qiáng)度。表4為乳化劑對改性石蠟的影響。

由表4可知，當(dāng)石蠟與乳化劑比例為100∶12時，其膨脹率達(dá)到了最高，約為19.57%。因此，在后續(xù)試驗中，選擇該比例繼續(xù)進(jìn)行試驗。

2.1.3 環(huán)氧樹脂用量優(yōu)化

通過環(huán)氧樹脂對工業(yè)石蠟的粘接性能進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表5。

由表5可觀察到，石蠟的粘性隨環(huán)氧樹脂用量的增加而增加。當(dāng)工業(yè)石蠟與環(huán)氧樹脂比例為100∶12時，其黏度已經(jīng)達(dá)到了200 MPa·s，繼續(xù)增加環(huán)氧樹脂用量，其黏度達(dá)到250 MPa·s，這會對后續(xù)的試驗產(chǎn)生不良影響。因此，選擇適合的工業(yè)石蠟與環(huán)氧樹脂比例為100∶12。

2.2 自修復(fù)試驗結(jié)果

圖1為自修復(fù)試驗結(jié)果。

由圖1可知，在同樣的加熱時間內(nèi)，改性石蠟對于混凝土裂縫的修復(fù)效果明顯優(yōu)于普通石蠟。其平均修復(fù)率較普通石蠟提升了約5%，最終修復(fù)率較普通石蠟提升了約10%。這是因為石蠟經(jīng)過石墨粉、乳化劑和環(huán)氧樹脂改性后，其導(dǎo)熱性能、流動性能和粘聚力均明顯優(yōu)于普通石蠟，在加熱量與環(huán)境散熱量相同的條件下，改性石蠟熔融速度更快，可更好的對混凝土裂縫進(jìn)行彌合［12-13］。從圖1還可以觀察到，隨自修復(fù)材料的增加，其修復(fù)效果先增強(qiáng)后減弱。當(dāng)修復(fù)厚度達(dá)到9 mm時，對混凝土裂縫的修復(fù)效果最好，其修復(fù)率較普通石蠟提升了約15%。但改性石蠟厚度存在最佳值，當(dāng)其厚度超過最佳值后，對熱量的傳遞效果產(chǎn)生影響，進(jìn)而對混凝土裂縫的修復(fù)效果產(chǎn)生影響［15-16］。

2.3 強(qiáng)化修復(fù)優(yōu)化結(jié)果

通過抗折試驗和自修復(fù)試驗對碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板增強(qiáng)混凝土自修復(fù)效果進(jìn)行研究，結(jié)果見表6、表7。

由表6可知，在碳纖維布和內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板協(xié)同作用下，混凝土的韌性得到明顯提升。因此，其抗折強(qiáng)度明顯增加［19-20］。

裂縫修復(fù)情況結(jié)果如表7所示。

由表7可知，碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板協(xié)同作用對裂縫的修復(fù)情況最好，其最終修復(fù)率可以達(dá)到32.1%，進(jìn)而增強(qiáng)了混凝土自修復(fù)效果。

3 結(jié)語

（1）石墨粉對石蠟的熔點和融化速率均有改善作用，可有效提升工業(yè)石蠟的熱傳導(dǎo)性，提升其修復(fù)混凝土橋梁裂縫的能力;

（2）乳化劑可以有效提升石蠟的吸水能力，在修復(fù)過程中，可以吸收水分，避免水分對混凝土內(nèi)部的構(gòu)建產(chǎn)生腐蝕， 進(jìn)而增強(qiáng)了混凝土的機(jī)械強(qiáng)度;

（3）環(huán)氧樹脂可有效增強(qiáng)工業(yè)石蠟的粘聚力，提升石蠟對混凝土的自修復(fù)性能;

（4）改性石蠟對混凝土裂縫的修復(fù)效果明顯優(yōu)于普通石蠟，當(dāng)改性石蠟鋪設(shè)厚度為9 mm時，對混凝土裂縫的修復(fù)率較普通石蠟提升了約15%;

（5）在碳纖維布與內(nèi)置鋼絲網(wǎng)水泥砂漿板協(xié)同作用下，混凝土的韌性得到有效提升，最終修復(fù)率達(dá)到32.1%，可對混凝土裂縫進(jìn)行有效修復(fù)。

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