环氧灌入式钢箱梁桥面铺装材料试验研究

1、公路2009年3月第3期HIGHWAYMar12009No13文章编号:0451-0712(2009)03-0058-04中图分类号:U443133文献标识码:A环氧灌入式钢箱梁桥面铺装材料试验研究黄修林,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、,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

2、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,主要有钢箱梁桁架、钢拱桥等几种形式1重轻、经济、架设方便、交桥、。随着桥梁应用前景。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

3、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。基金项目:国家“十一五”科技支撑计划,项目编号2006BAF02A0012大空隙沥青混凝土组合体系桥面铺装方案,具体铺装步骤如下。(1)采用环氧富锌漆对钢板进行喷

4、砂除锈处理。(2)在钢桥面的钢板上摊铺采用高粘度改性沥青制备的大空隙(25%)沥青混凝土,以此作为灌入式沥青混合料的母体。(3)调配出常温下粘度小、渗透性强、流动度大且具有一定韧性的环氧树脂灌填料,往大空隙沥青混凝土内灌注配制好的热固性环氧树脂灌浆料。灌浆料渗透进入大空隙沥青混凝土后直接与桥面钢板接触,由于环氧树脂良好的粘结性,其与钢板紧密粘结形成一个整体。同时,固化后的环氧树脂灌浆料在沥青混凝土中形成互穿网络结构,主体部分在铺装层内形成类似无数“剪力钉”结构,从而使得钢板与沥青混凝土铺装层形成坚韧的整体结构。(4)在环氧树脂灌入式大空隙沥青混凝土铺装层上再摊铺一层高粘度改性沥青制备的SMA沥

5、青混凝土,提高桥面的行车舒适性。铺装方案示意如图1。图1环氧灌入式沥青混凝土桥面铺装方案收稿日期:2008-08-202009年第3期黄修林等:环氧灌入式钢箱梁桥面铺装材料试验研究592高性能环氧树脂灌浆料的配合比确定211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2丙酮。增韧剂:邻苯二甲酸二丁酯。212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11时,固化时间和固化效果为最优),并利用糠醛2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。表1环氧灌浆料配合比灌浆料环氧树脂

6、固化剂M丙酮糠醛邻苯二甲酸二丁酯A10010012155B10010022C1008123D100100726%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。3:4组配方的抗压强度都,在58d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;8d以后的强度增长趋于平缓,在30d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;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

7、C大,说明增韧剂的掺加会降低固化后的抗压强度。213环氧灌浆料配合比的确定(1)各组配合比的粘度时间曲线见图2。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。表2各组配合比环氧灌浆料的性能各组配方A01423132145112718B01621161195213710C01741191155418716D01493181115014813图2粘度时间关系曲线初始粘度/(Pas)初凝时间/h收缩率/(×10-4)抗压强度/MPa抗折强度/MPa从图2可以看出如下规律。4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1Pas,满足对于母体25%空

8、隙率的灌注要求。配方B和配方C在115h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3h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。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

9、,因此初凝时间不宜太长,应尽量保持在4h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60公路2009年第3期率最小。(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311环氧灌入式沥青混凝土马歇尔稳定度和动稳的阶段。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15d以后的高温稳定性能明显优于其他组的配

10、方,虽然固化加速期发生在715d时间段,但桥面养护7d以后,其路用性能完全能满足通车要求。312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。表3灌入式沥青混凝土不同龄期的空隙率各组配方3dA113411571252B614862736C7136716771757176D0198111411961197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。空隙率/%7d15dd。(1)采用配方D的小,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

11、好。(3)配方A和配方D在715d内空隙率有一个相对较大的增长率,在1530d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。313钢桥面铺装组合结构拉拔试验31311拉拔试验试件的制备(1

12、)选择一块方形钢板(16Mn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2铺装下层2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。31312拉拔试验测试与分析图4图5动稳定度时间曲线由图4、图5可以看出如下规律。(1)配方D的马歇尔稳定度15d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37d的龄期内增长幅度较小,715d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715d。

13、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37d的龄期内增长幅度较大,715d的马歇尔稳定度增长幅度较小,表明配方B、C固化反应在37d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2009年第3期黄修林等:环氧灌入式钢箱梁桥面铺装材料试验研究61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图6组合结构拉拔试验示意待试件

14、完全固化后,将其放于拉力试验仪中,以100200N/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。表4组合结构在70下的拉拔试验结果铺装下层类型拉拔强度/MPa破坏部位环氧灌入式沥青混凝土1412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3011kN;高温稳定性好,动稳定度达到20400次/mm。(2),结果表明:,、:1关永胜,等1大跨径钢桥桥面铺装早期病害分析及对浇注式改性1-0165策J1中外公路,2005,(6)12黄继成,叶奋1钢桥面沥青铺装出现的问题及其防治M1上海:同济大学,200

15、713PhillipsBI1SurfacingofOrthotropicSteelDeckBridg2esR1CountryRoads1BooardofVictoriaAustralia,197314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)15祝烨然,卢安琪.新型灌浆材料的研制与应用J.新型上面层下层界面钢板与铺装下层界面由表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

16、强度大幅度提高,对于防止钢箱梁桥面铺装发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