黄修林 丁庆军 胡曙光
(武汉理工大学材料学院 武汉市 430070)
摘要：针对当今钢箱梁桥面铺装层普遍存在的不到设计使用年限就出现的推移、拥包等病害,提出环氧灌入式大空隙沥青混凝土钢箱梁桥面铺装方案。对环氧灌浆料初始粘度、初凝时间、收缩率、固化后的抗压抗折强度进行综合分析,确定了灌浆料的最优配合比,测定了灌入后大空隙沥青混凝土的马歇尔稳定度、动稳定度和灌注密实度, 通过拉拔试验评价了该方案铺装层材料的抗推移能力。
关键词：钢箱梁桥面铺装;环氧树脂;灌浆;拉拔试验
钢桥是我国常见的桥型之一,主要有钢箱梁、钢桁架、钢拱桥等几种形式[1]。其中钢箱梁桥具有自重轻、经济、架设方便、跨越能力大等优点,在城市立 交桥、大型跨江海桥梁工程中应用广泛。随着桥梁 向着大跨度方向发展,这种桥梁将具有更加广阔的应用前景。桥面铺装层是桥梁行车体系的重要组成 部分,直接承受荷载和环境有害物质的侵蚀。铺装材料的性能优劣及结构设计的合理性,对桥梁耐久性、安全性、舒适性及经济性意义重大,是钢箱梁桥建设中的一项关键技术。目前,钢箱梁桥面铺装普遍采用沥青混凝土。钢属于热的良导体,夏季高温时钢板表面温度通常高达70℃以上,而沥青混凝土耐高温性能较差,在行车荷载与高温的耦合作用下, 沥青混凝土铺装层远未达到设计使用年限就产生推移、拥包等病害,几乎年年需要进行维修,造成了交通堵塞和不良社会影响,给国家带来巨大的经济损失。随着我国公路建设的快速发展,国家干线公路网正在形成之中,大跨径钢箱梁桥建设步伐进一步加速。钢箱梁桥面铺装材料和结构的研究与开发虽取得较大进展,但到目前为止,既经济又能彻底解决问题的桥面铺装材料和结构,以及与之相配套的工艺,仍有待进一步研究和开发[2,3]。因此,探寻一种 既具有界面粘结性好,保证沥青混凝土与钢板不脱粘,在重荷载下不发生沥青混凝土的推移,又能使得施工工艺简便、经济性好的钢箱梁桥面铺装方案意 义深远。
2 高性能环氧树脂灌浆料的配合比确定
2·1 原材料
环氧树脂:HBW高性能环氧树脂。 固化剂:自制固化剂M。
稀释剂:糠醛-丙酮。
增韧剂:邻苯二甲酸二丁酯。
2·2 各组分对环氧灌浆料性能的影响
采用自制固化剂M(当自制固化剂M与HBW环氧树脂配合比为1∶1时,固化时间和固化效果为最优),并利用糠醛-丙酮稀释体系作稀释剂、邻苯二甲酸二丁酯作为增韧剂[4,5],进行几组配合比的性能对比试验,如表1所示。
(1)各组配合比的粘度~时间曲线见图2。
从图2可以看出如下规律。①4组配方的粘度都随着时间的推移而增大,初始粘度或灌浆粘度 ≤1 Pa·s,满足对于母体25%空隙率的灌注要求。 ②配方B和配方C在1·5 h后的粘度显著增大,而 配方A和配方D的粘度增长却趋于平缓,这是由于 灌浆料在该时间段固化反应速度加剧,导致粘度呈现陡增的趋势;而配方A因为掺入的稀释剂掺量较大配方D因为掺入的增韧剂掺量较大,延缓了这一过程 的发生,直到3 h以后粘度曲线才会陡增,这说明外掺的稀释剂和增韧剂组分,对灌浆料的固化速率加速 过程有一定的延缓作用。③配方D的粘度在各个时间段均小于配方B和C,主要是因为掺入的稀释剂和增韧剂总比例大于配方B和C,这说明掺入的增韧剂对灌浆料也起到了一定的稀释作用。
(2)在灌浆料凝固后,对其进行抗压强度的测试,做抗压强度~龄期曲线如图3所示。
根据图3可以看出:①4组配方的抗压强度都 随着时间推移而增长,在5~8 d内抗压强度的增长比较快,这是由于浆料在迅速固化,其抗压强度不断 增长;②8 d以后的强度增长趋于平缓,在30 d以后 抗压强度基本上不再增长,这说明此时浆料已基本 固化完全;③比较4组配方,抗压强度差别不大。配 方B和配方C的抗压强度在各个时间段均大于配 方A和配方D,这是因为配方A、配方D的增韧剂掺量较配方B、配方C大,说明增韧剂的掺加会降低固化后的抗压强度。
2·3 环氧灌浆料配合比的确定
灌浆料的初始粘度、初凝时间、固化时间、收缩率、固化后抗压抗折强度的测试值见表2。
通过比较表2中各组配方的数据,可知如下规律。(1)配方A和配方D的初凝时间大约是配方B和配方C的2倍,这是因为增韧剂与稀释剂的加入降低了凝固速度。初凝时间的长短直接关系到施工进度,因此初凝时间不宜太长,应尽量保持在4 h以 下。(2)灌浆料的收缩率随着稀释剂掺量的增加而增大。因此,为了保证灌入后铺装层材料的密实度,需尽量减小稀释剂的加入量。由表2可得配方D收缩 率最小。(3)灌浆料抗压强度随着增韧剂掺量的增加而有一定的减小,而抗折强度却随着增韧剂掺量的提高而增大,所以增韧剂的掺量有一个最佳值。为了 兼顾抗压强度与抗折强度,选择配方D比较合适。
3 铺装层材料与组合结构的性能研究
3·1 环氧灌入式沥青混凝土马歇尔稳定度和动稳定度
4组配方的马歇尔稳定度以及动稳定度随着时间的变化如图4、图5所示。
由图4、图5可以看出如下规律。(1)配方D的 马歇尔稳定度15 d以后最高,配方A次之,而在初 期时配方B、C的马歇尔稳定度比配方A和配方D 高。(2)配方A、D的马歇尔稳定度在3~7 d的龄期 内增长幅度较小,7~15 d的马歇尔稳定度增长幅度 较大,表明配方A、D固化反应加速期在7~15 d。 采用该两组配方进行施工,沥青混凝土需养护至半 个月以上才能通车。而配方B、C的马歇尔稳定度 在3~7 d的龄期内增长幅度较大,7~15 d的马歇 尔稳定度增长幅度较小,表明配方B、C固化反应在 3~7 d完成了加速期。采用该两组配方进行施工,沥 青混凝土的养护期可相应缩短。(3)动稳定度趋势和 马歇尔稳定度变化趋势基本相同,均有一个急剧增长的阶段。过了这一固化加速期,马歇尔稳定度、动稳 定度值趋于平缓,此时灌浆料完全固化。(4)配方D 在15 d以后的高温稳定性能明显优于其他组的配方, 虽然固化加速期发生在7~15 d时间段,但桥面养护 7 d以后,其路用性能完全能满足通车要求。
3·2 灌注后沥青混凝土空隙率比较分析
灌注后沥青混凝土各龄期的空隙率见表3。
从表3可以看出如下规律。(1)采用配方D的环氧树脂灌浆材料灌注后沥青混凝土的空隙率最小,即该配方的灌注密实度最高。配方A的灌注密 实度次之,配方B和C的灌注密实度最小。(2)随着初始粘度的增大,灌注后沥青混凝土的空隙率逐 渐增大,表明粘度越小可灌性越好。(3)配方A和 配方D在7~15d内空隙率有一个相对较大的增长率,在15~30 d内则不再增长。而配方B和C的空隙率在各个时间段增长虽然均不明显,但也能得出相似的结论。分析原因,主要是因为:环氧树脂固化 反应为放热反应,在固化加速期产生的热量导致一部分稀释成分和增韧成分挥发,配方A和D的这些组分较配方B和C多,因此会出现一个空隙率增长较大的过程,这与前面得出的各配方加速期的结论是相符的。(4)各配方灌注后的沥青混凝土空隙率在30d后基本上保持不变,说明该环氧树脂灌浆料在30d后基本不会收缩,这对其与钢桥面板的粘结强度和抗剪性能是有利的。
3·3 钢桥面铺装组合结构拉拔试验
3·3·1 拉拔试验试件的制备
(1)选择一块方形钢板(16 Mn合金钢),首先对 钢板的两个底面进行喷砂除锈处理,使其达到设计要求。
(2)在该钢板上成型“钢板-铺装下层-铺装上层”的组合试件,如图6所示。
(3)在成型试件的上下底面涂布相同用量的高强粘结剂,然后将拉拔头粘上。室温下静置48h后,即可进行拉拔试验。
3·3·2 拉拔试验测试与分析
待试件完全固化后,将其放于拉力试验仪中,以100~200 N/s的速度对拉拔头施加作用力,直至试样发生破坏。试验结果见表4。
由表4可以看出:(1)在70℃高温条件下,采用环 氧灌入式沥青混凝土作为铺装下层,其拉拔强度较浇 注式沥青混凝土提高了4倍,较高粘度改性沥青混凝 土提高了20多倍;(2)拉拔试验的破坏部位说明,采 用环氧灌入式沥青混凝土作为铺装下层,其粘结强度 大幅度提高,对于防止钢箱梁桥面铺装发生早期推移病害具有显著的效用。而采用浇注式沥青混凝土和 高粘度改性沥青SMA-10作为铺装下面层,则需要 对钢板界面进行粘结或粗糙化处理才能进行铺装。
4 结语
(1)提出了一种新型环氧灌入式大空隙沥青混凝 土钢箱梁桥面铺装技术方案,制备出了适宜于25% 空隙率沥青混凝土的环氧灌浆料,且灌入后沥青混凝 土的力学性能优异,马歇尔稳定度达到30·1 kN;高 温稳定性好,动稳定度达到20 400次/mm。
(2)采用拉拔试验评价了铺装层抗推移能力,结 果表明:该铺装方案拉拔强度较其他铺装方案有了 显著的提高,可以为有效解决钢桥面铺装早期推移、 拥包的难题提供新的思路。
参考文献:
[1] 关永胜,等·大跨径钢桥桥面铺装早期病害分析及对 策[J]·中外公路,2005,(6)·
[2] 黄继成,叶奋·钢桥面沥青铺装出现的问题及其防治 [M]·上海:同济大学,2007·
[3] Phillips B I·Surfacing of Orthotropic Steel Deck Bridg-es[R]·Country
Roads·Booard of Victoria Australia, 1973·
[4] 段华军,王钧,杨小利.低粘度环氧树脂固化体系研究 [J].玻璃钢/复合材料,2003,(1)·
[5] 祝烨然,卢安琪.新型灌浆材料的研制与应用[J].新型 建筑材料,2006,(6)·