環(huán)氧樹脂膠在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫的應(yīng)用

徐曉晨

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450045）

0 引言

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁具有施工效率高、質(zhì)量耐久可靠、有利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，橋型選用節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁可最大程度上縮短施工期，減少施工現(xiàn)場(chǎng)工人用工量，極大地降低了城市項(xiàng)目建設(shè)對(duì)交通和民眾生活造成的干擾，減少對(duì)大氣環(huán)境和道路交通的影響，有效解決了揚(yáng)塵治理的難題。現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)間比現(xiàn)澆混凝土施工明顯縮短，施工對(duì)地面道路交通的影響明顯減少。即便是在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)拼裝過(guò)程中，經(jīng)過(guò)合理的組織，橋梁投影面內(nèi)的一定區(qū)域仍然可以保證限時(shí)或全天開放交通。拼裝施工中基本不使用現(xiàn)澆混凝土，不會(huì)產(chǎn)生大量污水和灰塵，對(duì)城市環(huán)境造成的影響較小。值得注意的是我國(guó)近年來(lái)的人工費(fèi)用呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)，這些因素均對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在城市橋梁建設(shè)中的推廣應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。

1 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁發(fā)展歷程

節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁最早開始應(yīng)用在歐洲地區(qū)，國(guó)內(nèi)對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究相比于歐美等西方國(guó)家起步較晚，在我國(guó)最早將節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用于20世紀(jì)60年代的成昆鐵路建設(shè)中，當(dāng)時(shí)由于工期緊迫，首次在國(guó)內(nèi)的鐵路建設(shè)上采用了箱形截面和懸臂掛籃、節(jié)段預(yù)制膠拼施工等一系列節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，在成昆鐵路上分別建了兩座預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂梁橋：即舊莊河一號(hào)橋和孫水河五號(hào)橋。舊莊河一號(hào)橋采用的是預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝施工法；孫水河五號(hào)橋采用的是預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工法[1]。由于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)和施工機(jī)具的相對(duì)落后，致使此項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)沒有得到大力的推廣和應(yīng)用。隨著節(jié)段預(yù)制技術(shù)的發(fā)展，它在國(guó)內(nèi)逐漸成熟，越來(lái)越多的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁工程采用環(huán)氧樹脂膠。例如廈門集美大橋、鄭阜鐵路周淮特大橋、上海5號(hào)線南段延伸工程高架橋、蕪湖長(zhǎng)江公路二橋引橋、黃韓侯鐵路芝水河特大橋、上海滬閔高架道路二期工程、虎門二橋、廣州市軌道交通四號(hào)線橋梁、鄭州四環(huán)快速路等橋梁工程均采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)施工。節(jié)段預(yù)制箱梁通常在預(yù)制梁廠制作和儲(chǔ)存一段時(shí)間。施工前，將其運(yùn)至項(xiàng)目橋址，由架橋機(jī)吊裝施工。節(jié)段之間的接縫需要涂上環(huán)氧樹脂膠，以粘結(jié)節(jié)段箱梁。這種先“化整為零”再“化零為整”，最后施加預(yù)應(yīng)力使之成為整體橋梁結(jié)構(gòu)的新型施工技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視，特別是選址在城市既有道路上的項(xiàng)目，采用此施工技術(shù)可以大大減少對(duì)既有道路交通的影響，現(xiàn)已成為當(dāng)前城市橋梁設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的重要發(fā)展方向，我國(guó)橋梁建設(shè)正向著標(biāo)準(zhǔn)化、快速化的方向發(fā)展。綜上所述，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

1.1 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫現(xiàn)狀分析

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁無(wú)論在施工階段還是在運(yùn)營(yíng)階段，接縫的特性直接關(guān)系到預(yù)制裝配橋的總體力學(xué)特性。接縫形式的差異對(duì)節(jié)段的總體力學(xué)和受力有很大的影響。上部結(jié)構(gòu)的橋面接縫一般可分成干接縫、濕接縫和膠接縫三種形式。干接縫是指在節(jié)段之間沒有使用任何黏合物質(zhì)而將其連接起來(lái)的接縫處；濕接縫是在梁橋閉合或裝配過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的糾正部位，使用的是現(xiàn)澆混凝土；而膠接縫則是將膠粘劑在節(jié)段接縫處涂上環(huán)氧膠后進(jìn)行黏合，采用的是環(huán)氧膠黏合劑?！兑?guī)范》中指出，在體外設(shè)置有預(yù)應(yīng)力鋼筋的橋面時(shí)，應(yīng)該使用膠接縫，而在體外沒有加預(yù)應(yīng)力鋼筋的，則可以考慮使用干接縫法設(shè)計(jì)和施工。

干接縫施工無(wú)須額外的接縫處理，是最為簡(jiǎn)單的接縫處理方法。李國(guó)平[3]在做了大量相關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了干接縫在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工方面的特點(diǎn)：綜合來(lái)看，這種方法既省去了環(huán)氧黏合劑涂抹工作，又節(jié)省了環(huán)氧樹脂膠的固化周期，減少了預(yù)埋件組裝的耗時(shí)。同時(shí)，由于采用干節(jié)節(jié)段的結(jié)構(gòu)形式，不需要在箱梁體中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，可以大大地改善結(jié)構(gòu)的工作效果。從另一個(gè)角度來(lái)看，采用全體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行更換、檢測(cè)和調(diào)節(jié)，使預(yù)應(yīng)力鋼筋從施工開始到全部受控，其工作性能和使用壽命得到最大限度的改善。

濕接縫一般是在節(jié)段之間留下75～100 mm的間隙，然后在現(xiàn)場(chǎng)上用水泥或混凝土填充。在我國(guó)，對(duì)于濕接縫拼裝施工簡(jiǎn)支箱梁技術(shù)的研究工作起步較早，單線、雙線、多線等大跨度預(yù)制濕接縫拼裝施工簡(jiǎn)支箱梁已廣泛應(yīng)用于眾多客運(yùn)鐵路橋梁中，對(duì)于采用濕接縫的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，采用節(jié)段箱梁作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式已逐漸被采用，并形成了大量的結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐。由于采用濕接縫連接，在高處采用鋼筋混凝土加固梁，施工過(guò)程復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備的使用率不高、對(duì)環(huán)境不利，而且工程建設(shè)工期較長(zhǎng)，工程質(zhì)量不穩(wěn)定，工程的外觀品質(zhì)較差。另外，在不同的施工工藝條件下，現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土的不同齡期會(huì)有很大的差別，而且很難對(duì)其進(jìn)行線型的調(diào)控。

膠接縫是在節(jié)段之間涂上一種非常薄的環(huán)氧樹脂膠，一般為3 mm，將鄰近的部件連接起來(lái)，再對(duì)其進(jìn)行張拉，從而保障節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)的整體性。環(huán)氧樹脂膠粘劑可使在接縫過(guò)程中的兩個(gè)節(jié)段間的接觸面緊密結(jié)合。楊雷[4]采用力學(xué)性能試驗(yàn)和有限元分析的方法，對(duì)膠接接頭的抗?jié)瘛崂匣匦赃M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)膠接接頭的耐高溫性能很低，而且由于接縫部位還有一個(gè)界面，所以其壽命要遠(yuǎn)高于普通的環(huán)氧樹脂；而與膠體相比，接縫截面的改變更加復(fù)雜，所以難以獲取科學(xué)、準(zhǔn)確和有說(shuō)服力的信息。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接縫部位的環(huán)氧樹脂膠粘劑的失效形式可以從內(nèi)部聚合轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑媸?。盧文良[5]從膠拼彎折破壞的試驗(yàn)中得出了彎曲斷裂的過(guò)程發(fā)展速度很快，是一種脆性斷裂。與其他類型的接縫形式相比，膠接縫具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的受力模式更為優(yōu)化，各預(yù)制節(jié)段間的剪力由剪力鍵齒的咬合力、預(yù)應(yīng)力鋼束的拉力以及節(jié)段間的摩擦力共同作用；在黏結(jié)截面之間的縫隙可以起到很好的防護(hù)作用，提高其抗腐蝕性能；因膠結(jié)拼接工程工期短，對(duì)周邊建筑環(huán)境的影響不大。此外，采用濕接縫施工的混凝土澆筑過(guò)程會(huì)對(duì)周邊產(chǎn)生噪聲的影響，采用涂抹環(huán)氧樹脂膠工藝可以很好地防止這種情況發(fā)生；而與此相區(qū)別的是，預(yù)制節(jié)段是在廠房?jī)?nèi)預(yù)制好后儲(chǔ)存在梁廠，具有足夠的養(yǎng)護(hù)周期，可以有效地減少因混凝土的收縮和徐變問題而帶來(lái)的影響；在建造過(guò)程中無(wú)須擔(dān)心水化熱量，而且涂抹環(huán)氧樹脂黏合劑對(duì)節(jié)段位置的定位更為有利，而且更易于掌握橋面的線形。

2 環(huán)氧樹脂膠的組成

環(huán)氧樹脂膠主要由環(huán)氧樹脂基料和固化劑兩部分組成，具有良好的黏結(jié)物理性能，在實(shí)際施工過(guò)程中操作較為簡(jiǎn)便。

2.1 環(huán)氧樹脂基料

環(huán)氧樹脂也按其化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，一般大體上可分為六類：脂肪族環(huán)氧樹脂類、新型的環(huán)氧樹脂類、縮水甘油酯類、環(huán)氧化烯烴類、縮水甘油醚類和縮水甘油胺類。環(huán)氧樹脂基料如果不添加固化劑，加熱也不會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)。由于加入固化劑，環(huán)氧樹脂基料發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)生成三向網(wǎng)狀高分子聚合物。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂本質(zhì)上是在大分子骨架上有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的縮聚物。在此基礎(chǔ)上加入固化劑通過(guò)反應(yīng)就變?yōu)榄h(huán)氧樹脂膠粘劑，固化后的環(huán)氧樹脂材料具有優(yōu)異的化學(xué)和物理性能，對(duì)混凝土、金屬、木材等材料具有良好的附著力。環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)的原理本質(zhì)就是由于其中有羥基、醚鍵以及極性基團(tuán)環(huán)氧基，能夠使環(huán)氧樹脂膠展現(xiàn)出更強(qiáng)的黏結(jié)力，從而具有更好的力學(xué)性能，并且能高效、廣泛地投入節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁膠接縫的應(yīng)用。

2.2 固化劑

固化劑，影響固化后的環(huán)氧樹脂膠的耐介質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等性能，對(duì)環(huán)氧樹脂膠起著至關(guān)重要的作用。由于對(duì)未加入固化劑的環(huán)氧樹脂基料單獨(dú)加熱不會(huì)固化，未固化的環(huán)氧樹脂膠粘劑不能在節(jié)段預(yù)制裝配橋梁中，所以必須在制備過(guò)程中加入環(huán)氧樹脂固化劑，這樣在一定條件下就能發(fā)生固化反應(yīng)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的反應(yīng)就變成了三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚合物，它表現(xiàn)出優(yōu)異的工作能力，從而成為一種環(huán)氧樹脂膠粘劑，可在節(jié)段裝配式橋梁的膠粘劑接頭中表現(xiàn)出良好的工作性能。

3 環(huán)氧樹脂膠的黏結(jié)機(jī)理

涂抹環(huán)氧樹脂膠與傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式相比，前者有著諸多明顯的優(yōu)勢(shì)，并且正逐步被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。由于環(huán)氧膠是液體并且充分地浸潤(rùn)在所述被黏著的固體表面上，因此，在所述黏合的結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧樹脂膠的內(nèi)部和所述要結(jié)合的結(jié)構(gòu)的表面空隙之間產(chǎn)生了一個(gè)互相的應(yīng)力效應(yīng)。環(huán)氧樹脂是環(huán)氧樹脂膠的基料，實(shí)質(zhì)是環(huán)氧樹脂中的活性環(huán)氧基分子，以脂環(huán)族、脂肪族、芳香族等有機(jī)化合物為載體，與環(huán)氧基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有熱固化產(chǎn)品的高分子低聚物。根據(jù)受熱環(huán)境的影響，可以將環(huán)氧膠分為冷固化膠、熱固化膠和光固化膠。它是一種很好的黏合劑，用于金屬、非金屬，以及熱固化的塑膠。在兩種不同類型的黏合介質(zhì)中，不同的界面上的應(yīng)力值會(huì)隨著不同的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)而增加，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值超過(guò)3后，界面破裂的強(qiáng)度逐漸變得平穩(wěn)。

環(huán)氧樹脂膠的正常使用時(shí)間分別包括可涂膠時(shí)間和可黏結(jié)時(shí)間。可涂膠時(shí)間指的是環(huán)氧樹脂膠能夠保持正常工作性能的時(shí)間，此時(shí)間應(yīng)滿足涂抹環(huán)氧樹脂膠和完成臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉所需時(shí)間；可黏結(jié)時(shí)間即環(huán)氧樹脂膠的初步固化時(shí)間，指的是從環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)劑被涂抹在預(yù)制節(jié)段拼接面時(shí)起，到黏結(jié)劑固化后失去黏性的一段時(shí)間。根據(jù)不同的施工工藝、不同施工環(huán)境溫度，對(duì)使用期的要求各不相同。

4 環(huán)氧樹脂膠在預(yù)制拼裝橋梁的作用

節(jié)段預(yù)制拼裝橋與整體式現(xiàn)澆橋最大的區(qū)別在于縱向普通鋼筋與混凝土的整體不連續(xù)。接縫依靠剪力鍵、黏結(jié)力和由預(yù)應(yīng)力提供的摩擦力來(lái)傳遞剪力。彎矩由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓力傳遞。膠縫由環(huán)氧樹脂膠與混凝土兩面黏合而成。對(duì)于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁，膠接縫是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是梁的薄弱環(huán)節(jié)[6]。環(huán)氧樹脂膠粘劑的使用可以有效地解決段間粘接和力傳遞的問題，由于環(huán)氧樹脂膠粘劑的抗拉、抗壓性能和彈性模量都不低于常規(guī)橋梁中使用等級(jí)的混凝土，可以有效地傳遞鋼束張拉后引起的壓應(yīng)力和主梁彎矩、剪力引起的彎剪應(yīng)力。預(yù)制節(jié)段拼裝時(shí)箱梁截面上的凸鍵應(yīng)嵌入凹鍵內(nèi)。施工過(guò)程中完成涂膠工作后，環(huán)氧樹脂膠處于黏性狀態(tài)。環(huán)氧樹脂膠的潤(rùn)滑作用有利于截面的凸鍵順利接入凹鍵進(jìn)行梁段定位。節(jié)段箱梁在預(yù)應(yīng)力作用下用環(huán)氧樹脂膠粘合成整體。在各種工況下，預(yù)制節(jié)段之間的節(jié)點(diǎn)原則上應(yīng)處于壓縮狀態(tài)。環(huán)氧樹脂膠的粘接抗拉能力沒有得到充分利用，但粘接作用大大提高了接縫的抗剪性能。環(huán)氧樹脂膠解決了粘接層表面濕氣等問題，開拓了環(huán)氧樹脂膠應(yīng)用的新市場(chǎng)，得到了廣泛的使用。經(jīng)過(guò)多年現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際應(yīng)用，確認(rèn)了在環(huán)氧樹脂膠粘劑作用下預(yù)制節(jié)段拼裝橋梁的可靠性和穩(wěn)定的粘接效果，同時(shí)節(jié)段之間的力學(xué)效果作用保護(hù)鋼筋混凝土開裂部位的損傷不受腐蝕，采用環(huán)氧樹脂膠粘劑對(duì)預(yù)制節(jié)段進(jìn)行粘接，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。環(huán)氧樹脂膠材料應(yīng)用于節(jié)段拼裝橋梁的主要性能是觸變性。膠體的觸變性是指在一定的剪切速率作用下，環(huán)氧樹脂膠體的剪應(yīng)力隨時(shí)間變化而減小的特性。環(huán)氧樹脂膠在黏結(jié)過(guò)程中的性能如下：在快速攪拌作用下，膠體的黏度迅速下降，易于施工操作，膠體黏度迅速增加，不會(huì)隨意流淌。

5 環(huán)氧樹脂膠的施工流程

首先施工操作人員在施工前要檢查材料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件和環(huán)境溫度確定準(zhǔn)確的施工配合比，制定詳細(xì)的施工作業(yè)指導(dǎo)書。所有的操作和施工人員在施工前必須經(jīng)過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)。施工人員最需要注意的是，固化劑是有毒的，所以在配制環(huán)氧樹脂膠粘劑時(shí)，一定要戴上防護(hù)面罩和防護(hù)手套，而且一定要在空氣流通的地方配制，避免引起操作人員中毒事件。如果在進(jìn)行施工操作時(shí)環(huán)氧樹脂膠不慎與皮膚接觸，應(yīng)立即擦拭干凈，然后用溫水和肥皂清洗。調(diào)配使用的稀釋劑為揮發(fā)性液體，不得靠近火源，防止發(fā)生火災(zāi)。配制的環(huán)氧樹脂膠數(shù)量應(yīng)嚴(yán)格按照配合比準(zhǔn)備。配制過(guò)程中使用的所有工具均應(yīng)在使用后立即清洗。如果膠水長(zhǎng)時(shí)間附著在工具上會(huì)造成膠的固化，導(dǎo)致無(wú)法正常使用。其次在接縫截面涂環(huán)氧樹脂膠前，應(yīng)將接縫混凝土表面的浮漿、油跡等徹底清除，并對(duì)接縫截面進(jìn)行噴砂或拋光處理，以確保預(yù)制段之間的正常黏合。在預(yù)應(yīng)力通道口周圍采用環(huán)形墊圈粘貼，以避免梁段在拼裝和擠壓時(shí)過(guò)量的膠體進(jìn)入預(yù)應(yīng)力通道，造成通道堵塞，影響后續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束的穿束工作。接縫截面的涂膠工作應(yīng)由上至下，均勻涂抹，涂膠時(shí)應(yīng)將混合好的膠水涂在接縫截面的混凝土表面，保證厚度均勻，應(yīng)嚴(yán)格控制在3 mm，且保證無(wú)斷膠現(xiàn)象。最后建議在預(yù)制節(jié)段的梁頂安裝防雨、防曬設(shè)施，從而避免涂裝工藝和拼裝后的2 h內(nèi)雨水侵入和陽(yáng)光直射，以免影響環(huán)氧樹脂膠的施工質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)介紹環(huán)氧樹脂膠的主要組成和黏結(jié)機(jī)理，根據(jù)已有的研究提出了節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工涂抹環(huán)氧樹脂膠的相關(guān)注意事項(xiàng)，由于環(huán)氧樹脂膠材料的特殊性，應(yīng)當(dāng)將施工操作流程化和規(guī)范化，施工前準(zhǔn)備時(shí)應(yīng)特別注意環(huán)氧樹脂膠可能對(duì)操作人員造成的不利影響，避免造成施工安全事故，施工時(shí)應(yīng)注意環(huán)氧樹脂膠涂抹厚度和固化時(shí)間，從而提高施工質(zhì)量。鑒于節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)有較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家相關(guān)的施工規(guī)范，改進(jìn)優(yōu)化施工流程，從而提高施工質(zhì)量。該方法可以作為城市高架建設(shè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，相關(guān)技術(shù)和施工方案已相對(duì)成熟，已較為廣泛地應(yīng)用到了更多的城市高架的建設(shè)中，值得推廣應(yīng)用。