黃修林 丁慶軍 胡曙光
(武漢理工大學(xué)材料學(xué)院 武漢市 430070)
摘要：針對當今鋼箱梁橋面鋪裝層普遍存在的不到設(shè)計使用年限就出現(xiàn)的推移、擁包等病害,提出環(huán)氧灌入式大空隙瀝青混凝土鋼箱梁橋面鋪裝方案。對環(huán)氧灌漿料初始粘度、初凝時間、收縮率、固化后的抗壓抗折強度進行綜合分析,確定了灌漿料的最優(yōu)配合比,測定了灌入后大空隙瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度和灌注密實度, 通過拉拔試驗評價了該方案鋪裝層材料的抗推移能力。
關(guān)鍵詞：鋼箱梁橋面鋪裝;環(huán)氧樹脂;灌漿;拉拔試驗
鋼橋是我國常見的橋型之一,主要有鋼箱梁、鋼桁架、鋼拱橋等幾種形式[1]。其中鋼箱梁橋具有自重輕、經(jīng)濟、架設(shè)方便、跨越能力大等優(yōu)點,在城市立 交橋、大型跨江海橋梁工程中應(yīng)用廣泛。隨著橋梁 向著大跨度方向發(fā)展,這種橋梁將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。橋面鋪裝層是橋梁行車體系的重要組成 部分,直接承受荷載和環(huán)境有害物質(zhì)的侵蝕。鋪裝材料的性能優(yōu)劣及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,對橋梁耐久性、安全性、舒適性及經(jīng)濟性意義重大,是鋼箱梁橋建設(shè)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前,鋼箱梁橋面鋪裝普遍采用瀝青混凝土。鋼屬于熱的良導(dǎo)體,夏季高溫時鋼板表面溫度通常高達70℃以上,而瀝青混凝土耐高溫性能較差,在行車荷載與高溫的耦合作用下, 瀝青混凝土鋪裝層遠未達到設(shè)計使用年限就產(chǎn)生推移、擁包等病害,幾乎年年需要進行維修,造成了交通堵塞和不良社會影響,給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失。隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展,國家干線公路網(wǎng)正在形成之中,大跨徑鋼箱梁橋建設(shè)步伐進一步加速。鋼箱梁橋面鋪裝材料和結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)雖取得較大進展,但到目前為止,既經(jīng)濟又能徹底解決問題的橋面鋪裝材料和結(jié)構(gòu),以及與之相配套的工藝,仍有待進一步研究和開發(fā)[2,3]。因此,探尋一種 既具有界面粘結(jié)性好,保證瀝青混凝土與鋼板不脫粘,在重荷載下不發(fā)生瀝青混凝土的推移,又能使得施工工藝簡便、經(jīng)濟性好的鋼箱梁橋面鋪裝方案意 義深遠。
2 高性能環(huán)氧樹脂灌漿料的配合比確定
2·1 原材料
環(huán)氧樹脂:HBW高性能環(huán)氧樹脂。 固化劑:自制固化劑M。
稀釋劑:糠醛-丙酮。
增韌劑:鄰苯二甲酸二丁酯。
2·2 各組分對環(huán)氧灌漿料性能的影響
采用自制固化劑M(當自制固化劑M與HBW環(huán)氧樹脂配合比為1∶1時,固化時間和固化效果為最優(yōu)),并利用糠醛-丙酮稀釋體系作稀釋劑、鄰苯二甲酸二丁酯作為增韌劑[4,5],進行幾組配合比的性能對比試驗,如表1所示。
(1)各組配合比的粘度~時間曲線見圖2。
從圖2可以看出如下規(guī)律。①4組配方的粘度都隨著時間的推移而增大,初始粘度或灌漿粘度 ≤1 Pa·s,滿足對于母體25%空隙率的灌注要求。 ②配方B和配方C在1·5 h后的粘度顯著增大,而 配方A和配方D的粘度增長卻趨于平緩,這是由于 灌漿料在該時間段固化反應(yīng)速度加劇,導(dǎo)致粘度呈現(xiàn)陡增的趨勢;而配方A因為摻入的稀釋劑摻量較大配方D因為摻入的增韌劑摻量較大,延緩了這一過程 的發(fā)生,直到3 h以后粘度曲線才會陡增,這說明外摻的稀釋劑和增韌劑組分,對灌漿料的固化速率加速 過程有一定的延緩作用。③配方D的粘度在各個時間段均小于配方B和C,主要是因為摻入的稀釋劑和增韌劑總比例大于配方B和C,這說明摻入的增韌劑對灌漿料也起到了一定的稀釋作用。
(2)在灌漿料凝固后,對其進行抗壓強度的測試,做抗壓強度~齡期曲線如圖3所示。
根據(jù)圖3可以看出:①4組配方的抗壓強度都 隨著時間推移而增長,在5~8 d內(nèi)抗壓強度的增長比較快,這是由于漿料在迅速固化,其抗壓強度不斷 增長;②8 d以后的強度增長趨于平緩,在30 d以后 抗壓強度基本上不再增長,這說明此時漿料已基本 固化完全;③比較4組配方,抗壓強度差別不大。配 方B和配方C的抗壓強度在各個時間段均大于配 方A和配方D,這是因為配方A、配方D的增韌劑摻量較配方B、配方C大,說明增韌劑的摻加會降低固化后的抗壓強度。
2·3 環(huán)氧灌漿料配合比的確定
灌漿料的初始粘度、初凝時間、固化時間、收縮率、固化后抗壓抗折強度的測試值見表2。
通過比較表2中各組配方的數(shù)據(jù),可知如下規(guī)律。(1)配方A和配方D的初凝時間大約是配方B和配方C的2倍,這是因為增韌劑與稀釋劑的加入降低了凝固速度。初凝時間的長短直接關(guān)系到施工進度,因此初凝時間不宜太長,應(yīng)盡量保持在4 h以 下。(2)灌漿料的收縮率隨著稀釋劑摻量的增加而增大。因此,為了保證灌入后鋪裝層材料的密實度,需盡量減小稀釋劑的加入量。由表2可得配方D收縮 率最小。(3)灌漿料抗壓強度隨著增韌劑摻量的增加而有一定的減小,而抗折強度卻隨著增韌劑摻量的提高而增大,所以增韌劑的摻量有一個最佳值。為了 兼顧抗壓強度與抗折強度,選擇配方D比較合適。
3 鋪裝層材料與組合結(jié)構(gòu)的性能研究
3·1 環(huán)氧灌入式瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度
4組配方的馬歇爾穩(wěn)定度以及動穩(wěn)定度隨著時間的變化如圖4、圖5所示。
由圖4、圖5可以看出如下規(guī)律。(1)配方D的 馬歇爾穩(wěn)定度15 d以后最高,配方A次之,而在初 期時配方B、C的馬歇爾穩(wěn)定度比配方A和配方D 高。(2)配方A、D的馬歇爾穩(wěn)定度在3~7 d的齡期 內(nèi)增長幅度較小,7~15 d的馬歇爾穩(wěn)定度增長幅度 較大,表明配方A、D固化反應(yīng)加速期在7~15 d。 采用該兩組配方進行施工,瀝青混凝土需養(yǎng)護至半 個月以上才能通車。而配方B、C的馬歇爾穩(wěn)定度 在3~7 d的齡期內(nèi)增長幅度較大,7~15 d的馬歇 爾穩(wěn)定度增長幅度較小,表明配方B、C固化反應(yīng)在 3~7 d完成了加速期。采用該兩組配方進行施工,瀝 青混凝土的養(yǎng)護期可相應(yīng)縮短。(3)動穩(wěn)定度趨勢和 馬歇爾穩(wěn)定度變化趨勢基本相同,均有一個急劇增長的階段。過了這一固化加速期,馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn) 定度值趨于平緩,此時灌漿料完全固化。(4)配方D 在15 d以后的高溫穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于其他組的配方, 雖然固化加速期發(fā)生在7~15 d時間段,但橋面養(yǎng)護 7 d以后,其路用性能完全能滿足通車要求。
3·2 灌注后瀝青混凝土空隙率比較分析
灌注后瀝青混凝土各齡期的空隙率見表3。
從表3可以看出如下規(guī)律。(1)采用配方D的環(huán)氧樹脂灌漿材料灌注后瀝青混凝土的空隙率最小,即該配方的灌注密實度最高。配方A的灌注密 實度次之,配方B和C的灌注密實度最小。(2)隨著初始粘度的增大,灌注后瀝青混凝土的空隙率逐 漸增大,表明粘度越小可灌性越好。(3)配方A和 配方D在7~15d內(nèi)空隙率有一個相對較大的增長率,在15~30 d內(nèi)則不再增長。而配方B和C的空隙率在各個時間段增長雖然均不明顯,但也能得出相似的結(jié)論。分析原因,主要是因為:環(huán)氧樹脂固化 反應(yīng)為放熱反應(yīng),在固化加速期產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致一部分稀釋成分和增韌成分揮發(fā),配方A和D的這些組分較配方B和C多,因此會出現(xiàn)一個空隙率增長較大的過程,這與前面得出的各配方加速期的結(jié)論是相符的。(4)各配方灌注后的瀝青混凝土空隙率在30d后基本上保持不變,說明該環(huán)氧樹脂灌漿料在30d后基本不會收縮,這對其與鋼橋面板的粘結(jié)強度和抗剪性能是有利的。
3·3 鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗
3·3·1 拉拔試驗試件的制備
(1)選擇一塊方形鋼板(16 Mn合金鋼),首先對 鋼板的兩個底面進行噴砂除銹處理,使其達到設(shè)計要求。
(2)在該鋼板上成型“鋼板-鋪裝下層-鋪裝上層”的組合試件,如圖6所示。
(3)在成型試件的上下底面涂布相同用量的高強粘結(jié)劑,然后將拉拔頭粘上。室溫下靜置48h后,即可進行拉拔試驗。
3·3·2 拉拔試驗測試與分析
待試件完全固化后,將其放于拉力試驗儀中,以100~200 N/s的速度對拉拔頭施加作用力,直至試樣發(fā)生破壞。試驗結(jié)果見表4。
由表4可以看出:(1)在70℃高溫條件下,采用環(huán) 氧灌入式瀝青混凝土作為鋪裝下層,其拉拔強度較澆 注式瀝青混凝土提高了4倍,較高粘度改性瀝青混凝 土提高了20多倍;(2)拉拔試驗的破壞部位說明,采 用環(huán)氧灌入式瀝青混凝土作為鋪裝下層,其粘結(jié)強度 大幅度提高,對于防止鋼箱梁橋面鋪裝發(fā)生早期推移病害具有顯著的效用。而采用澆注式瀝青混凝土和 高粘度改性瀝青SMA-10作為鋪裝下面層,則需要 對鋼板界面進行粘結(jié)或粗糙化處理才能進行鋪裝。
4 結(jié)語
(1)提出了一種新型環(huán)氧灌入式大空隙瀝青混凝 土鋼箱梁橋面鋪裝技術(shù)方案,制備出了適宜于25% 空隙率瀝青混凝土的環(huán)氧灌漿料,且灌入后瀝青混凝 土的力學(xué)性能優(yōu)異,馬歇爾穩(wěn)定度達到30·1 kN;高 溫穩(wěn)定性好,動穩(wěn)定度達到20 400次/mm。
(2)采用拉拔試驗評價了鋪裝層抗推移能力,結(jié) 果表明:該鋪裝方案拉拔強度較其他鋪裝方案有了 顯著的提高,可以為有效解決鋼橋面鋪裝早期推移、 擁包的難題提供新的思路。
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