環(huán)氧灌入式鋼箱梁橋面鋪裝材料試驗研究

1、公路2009年3月第3期HIGHWAYMar12009No13文章編號:0451-0712(2009)03-0058-04中圖分類號:U443133文獻標識碼:A環(huán)氧灌入式鋼箱梁橋面鋪裝材料試驗研究黃修林,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、,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

2、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,主要有鋼箱梁桁架、鋼拱橋等幾種形式1重輕、經(jīng)濟、架設(shè)方便、交橋、。隨著橋梁應(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

3、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?；痦椖?國家“十一五”科技支撐計劃,項目編號2006BAF02A0012大空隙瀝青混凝土組合體系橋面鋪裝方案,具體鋪裝步驟如下。(1)采用環(huán)氧富鋅漆對鋼板進行噴

4、砂除銹處理。(2)在鋼橋面的鋼板上攤鋪采用高粘度改性瀝青制備的大空隙(25%)瀝青混凝土,以此作為灌入式瀝青混合料的母體。(3)調(diào)配出常溫下粘度小、滲透性強、流動度大且具有一定韌性的環(huán)氧樹脂灌填料,往大空隙瀝青混凝土內(nèi)灌注配制好的熱固性環(huán)氧樹脂灌漿料。灌漿料滲透進入大空隙瀝青混凝土后直接與橋面鋼板接觸,由于環(huán)氧樹脂良好的粘結(jié)性,其與鋼板緊密粘結(jié)形成一個整體。同時,固化后的環(huán)氧樹脂灌漿料在瀝青混凝土中形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),主體部分在鋪裝層內(nèi)形成類似無數(shù)“剪力釘”結(jié)構(gòu),從而使得鋼板與瀝青混凝土鋪裝層形成堅韌的整體結(jié)構(gòu)。(4)在環(huán)氧樹脂灌入式大空隙瀝青混凝土鋪裝層上再攤鋪一層高粘度改性瀝青制備的SMA瀝

5、青混凝土,提高橋面的行車舒適性。鋪裝方案示意如圖1。圖1環(huán)氧灌入式瀝青混凝土橋面鋪裝方案收稿日期:2008-08-202009年第3期黃修林等:環(huán)氧灌入式鋼箱梁橋面鋪裝材料試驗研究592高性能環(huán)氧樹脂灌漿料的配合比確定211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2丙酮。增韌劑:鄰苯二甲酸二丁酯。212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11時,固化時間和固化效果為最優(yōu)),并利用糠醛2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。表1環(huán)氧灌漿料配合比灌漿料環(huán)氧樹脂

6、固化劑M丙酮糠醛鄰苯二甲酸二丁酯A10010012155B10010022C1008123D100100726%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。3:4組配方的抗壓強度都,在58d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;8d以后的強度增長趨于平緩,在30d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;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

7、C大,說明增韌劑的摻加會降低固化后的抗壓強度。213環(huán)氧灌漿料配合比的確定(1)各組配合比的粘度時間曲線見圖2。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。表2各組配合比環(huán)氧灌漿料的性能各組配方A01423132145112718B01621161195213710C01741191155418716D01493181115014813圖2粘度時間關(guān)系曲線初始粘度/(Pas)初凝時間/h收縮率/(×10-4)抗壓強度/MPa抗折強度/MPa從圖2可以看出如下規(guī)律。4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1Pas,滿足對于母體25%空

8、隙率的灌注要求。配方B和配方C在115h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3h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。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

9、,因此初凝時間不宜太長,應(yīng)盡量保持在4h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60公路2009年第3期率最小。(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311環(huán)氧灌入式瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)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15d以后的高溫穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于其他組的配

10、方,雖然固化加速期發(fā)生在715d時間段,但橋面養(yǎng)護7d以后,其路用性能完全能滿足通車要求。312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。表3灌入式瀝青混凝土不同齡期的空隙率各組配方3dA113411571252B614862736C7136716771757176D0198111411961197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?？障堵?%7d15dd。(1)采用配方D的小,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

11、好。(3)配方A和配方D在715d內(nèi)空隙率有一個相對較大的增長率,在1530d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。313鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗31311拉拔試驗試件的制備(1

12、)選擇一塊方形鋼板(16Mn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2鋪裝下層2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。31312拉拔試驗測試與分析圖4圖5動穩(wěn)定度時間曲線由圖4、圖5可以看出如下規(guī)律。(1)配方D的馬歇爾穩(wěn)定度15d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37d的齡期內(nèi)增長幅度較小,715d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715d。

13、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37d的齡期內(nèi)增長幅度較大,715d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37d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2009年第3期黃修林等:環(huán)氧灌入式鋼箱梁橋面鋪裝材料試驗研究61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圖6組合結(jié)構(gòu)拉拔試驗示意待試件

14、完全固化后,將其放于拉力試驗儀中,以100200N/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。表4組合結(jié)構(gòu)在70下的拉拔試驗結(jié)果鋪裝下層類型拉拔強度/MPa破壞部位環(huán)氧灌入式瀝青混凝土1412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3011kN;高溫穩(wěn)定性好,動穩(wěn)定度達到20400次/mm。(2),結(jié)果表明:,、:1關(guān)永勝,等1大跨徑鋼橋橋面鋪裝早期病害分析及對澆注式改性1-0165策J1中外公路,2005,(6)12黃繼成,葉奮1鋼橋面瀝青鋪裝出現(xiàn)的問題及其防治M1上海:同濟大學(xué),200

15、713PhillipsBI1SurfacingofOrthotropicSteelDeckBridg2esR1CountryRoads1BooardofVictoriaAustralia,197314段華軍,王鈞,楊小利.低粘度環(huán)氧樹脂固化體系研究J.玻璃鋼/復(fù)合材料,2003,(1)15祝燁然,盧安琪.新型灌漿材料的研制與應(yīng)用J.新型上面層下層界面鋼板與鋪裝下層界面由表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)

16、強度大幅度提高,對于防止鋼箱梁橋面鋪裝發(fā)生早期推移建筑材料,2006,(6)1TestandStudyonEpoxyResinGroutingMaterialsUsedinSteelBoxGirderBridgeDeckPavementHUANGXiu2lin,DINGQing2jun,HUShu2guang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering;WuhanUniversityofTechnology;Wuhan430070,China)Abstract:Accordingtothephenomenonthatthepavementhasnotreach

17、edthedesignedservicelifebutappearsthediseasessuchasprocessorapophysisexistinthesteelboxgirderbridgedeckpavementef2fectively,anewtypeschemethatanti2slippingpavementmaterialsisprovidedbygroutingepoxyresinintheOGFC1Theviscositywiththetimechanging,initialsettingtime,shrinkage,andthecompressiveandflexuralstrengthaftersolidificationoftheepoxyresingroutingmaterialsareanalyzedcomprehensively,theoptimizationmixproportionofepoxygroutingmaterialsisdetermined,t