黃修林 丁慶軍 胡曙光
(武漢理工大學材料學院 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計使用年限就出現的推移、擁包等病害,提出環氧灌入式大空隙瀝青混凝土鋼箱梁橋面鋪裝方案。對環氧灌漿料初始粘度、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配合比,測定了灌入后大空隙瀝青混凝土的馬歇爾穩定度、動穩定度和灌注密實度, 通過拉拔試驗評價了該方案鋪裝層材料的抗推移能力。
關鍵詞：鋼箱梁橋面鋪裝;環氧樹脂;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、經濟、架設方便、跨越能力大等優點,在城市立 交橋、大型跨江海橋梁工程中應用廣泛。隨著橋梁 向著大跨度方向發展,這種橋梁將具有更加廣闊的應用前景。橋面鋪裝層是橋梁行車體系的重要組成 部分,直接承受荷載和環境有害物質的侵蝕。鋪裝材料的性能優劣及結構設計的合理性,對橋梁耐久性、安全性、舒適性及經濟性意義重大,是鋼箱梁橋建設中的一項關鍵技術。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計使用年限就產生推移、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,給國家帶來巨大的經濟損失。隨著我國公路建設的快速發展,國家干線公路網正在形成之中,大跨徑鋼箱梁橋建設步伐進一步加速。鋼箱梁橋面鋪裝材料和結構的研究與開發雖取得較大進展,但到目前為止,既經濟又能徹底解決問題的橋面鋪裝材料和結構,以及與之相配套的工藝,仍有待進一步研究和開發[2,3]。因此,探尋一種 既具有界面粘結性好,保證瀝青混凝土與鋼板不脫粘,在重荷載下不發生瀝青混凝土的推移,又能使得施工工藝簡便、經濟性好的鋼箱梁橋面鋪裝方案意 義深遠。
2 高性能環氧樹脂灌漿料的配合比確定
2·1 原材料
環氧樹脂:HBW高性能環氧樹脂。 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環氧樹脂配合比為1∶1時,固化時間和固化效果為最優),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速度加劇,導致粘度呈現陡增的趨勢;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中各組配方的數據,可知如下規律。(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系到施工進度,因此初凝時間不宜太長,應盡量保持在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構的性能研究
3·1 環氧灌入式瀝青混凝土馬歇爾穩定度和動穩定度
4組配方的馬歇爾穩定度以及動穩定度隨著時間的變化如圖4、圖5所示。
由圖4、圖5可以看出如下規律。(1)配方D的 馬歇爾穩定度15 d以后最高,配方A次之,而在初 期時配方B、C的馬歇爾穩定度比配方A和配方D 高。(2)配方A、D的馬歇爾穩定度在3~7 d的齡期 內增長幅度較小,7~15 d的馬歇爾穩定度增長幅度 較大,表明配方A、D固化反應加速期在7~15 d。 采用該兩組配方進行施工,瀝青混凝土需養護至半 個月以上才能通車。而配方B、C的馬歇爾穩定度 在3~7 d的齡期內增長幅度較大,7~15 d的馬歇 爾穩定度增長幅度較小,表明配方B、C固化反應在 3~7 d完成了加速期。采用該兩組配方進行施工,瀝 青混凝土的養護期可相應縮短。(3)動穩定度趨勢和 馬歇爾穩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,馬歇爾穩定度、動穩 定度值趨于平緩,此時灌漿料完全固化。(4)配方D 在15 d以后的高溫穩定性能明顯優于其他組的配方, 雖然固化加速期發生在7~15 d時間段,但橋面養護 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可以看出如下規律。(1)采用配方D的環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內空隙率有一個相對較大的增長率,在15~30 d內則不再增長。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論。分析原因,主要是因為:環氧樹脂固化 反應為放熱反應,在固化加速期產生的熱量導致一部分稀釋成分和增韌成分揮發,配方A和D的這些組分較配方B和C多,因此會出現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強度和抗剪性能是有利的。
3·3 鋼橋面鋪裝組合結構拉拔試驗
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,直至試樣發生破壞。試驗結果見表4。
由表4可以看出:(1)在70℃高溫條件下,采用環 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 用環氧灌入式瀝青混凝土作為鋪裝下層,其粘結強度 大幅度提高,對于防止鋼箱梁橋面鋪裝發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或粗糙化處理才能進行鋪裝。
4 結語
(1)提出了一種新型環氧灌入式大空隙瀝青混凝 土鋼箱梁橋面鋪裝技術方案,制備出了適宜于25% 空隙率瀝青混凝土的環氧灌漿料,且灌入后瀝青混凝 土的力學性能優異,馬歇爾穩定度達到30·1 kN;高 溫穩定性好,動穩定度達到20 400次/mm。
(2)采用拉拔試驗評價了鋪裝層抗推移能力,結 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。
參考文獻:
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