聚合物纖維快速修補材料的性能研究及工程應(yīng)用

梁旭之，伍 杰，劉 斌，何 流，朱乘，秦仕平

（1.貴州省遵義公路管理局，貴州 遵義 563099；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067；3.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；4.遵義公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司，貴州 遵義 563099）

0 引 言

橋梁伸縮縫是連接橋梁梁體與橋臺之間的重要結(jié)構(gòu)物，其結(jié)構(gòu)的好壞嚴(yán)重影響著行車的安全性和舒適性[1]。混凝土作為單縫式伸縮縫的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣決定了伸縮縫的服役時間和結(jié)構(gòu)完整性[2-3]。隨著車流量的增加以及長期的車輛荷載沖擊，伸縮縫混凝土區(qū)域極易產(chǎn)生破損或與路面的黏結(jié)脫落，而常規(guī)的混凝土區(qū)域修補養(yǎng)護(hù)時間長，短時間內(nèi)難以開放交通，極大地影響了交通通行效率[4-6]。

聚合物膠粉作為有機高分子制品，具有良好的保水性、可塑性和黏結(jié)度，能夠很好地改善砂漿內(nèi)部的黏聚性和流動性能，已經(jīng)廣泛運用于砂漿材料中[7-9]。聚丙烯纖維具有很好的韌性與抗拉強度，摻入砂漿中能夠有效提升砂漿的抗沖擊性能，提高特種水泥的抗折強度并改善干縮過大現(xiàn)象[10-11]。因此本文在原有的快速修補材料配比[12]之上，通過添加聚合物膠粉和聚丙烯纖維，配制出短期強度高、收縮性小并且利于施工的快速修補材料，以期減少施工對交通帶來的干擾，達(dá)到快速開放交通的效果。同時，為驗證其效果，將配制的快速修補材料應(yīng)用在G326 國道遵義湄潭段的橋梁伸縮縫維修養(yǎng)護(hù)工程中，對材料進(jìn)行現(xiàn)場施工工藝、性能和應(yīng)用效果分析，所得結(jié)果可為類似的材料開發(fā)及工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗水泥為特種水泥，其化學(xué)成分見表1。硅灰為高活性微硅粉，滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）標(biāo)準(zhǔn)要求。礦渣粉為S95級，技術(shù)指標(biāo)見表2。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，技術(shù)指標(biāo)見表3。聚合物膠粉選用瓦克再分散乳膠粉，技術(shù)指標(biāo)見表4。纖維選用聚丙烯纖維，抗拉強度不小于400 MPa，斷裂延伸率為30%。細(xì)集料為ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率大于25%。試驗用水滿足《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）技術(shù)要求。

表1 2 種水泥的主要化學(xué)成分

表2 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

表3 Ⅱ級粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)單位：%

表4 聚合物膠粉的技術(shù)指標(biāo)

1.2 材料配比設(shè)計

快速修補材料應(yīng)在短期內(nèi)達(dá)到較高的抗折強度和抗壓強度，并且具有良好的流動度和凝結(jié)時間以利于施工。結(jié)合課題組前期研究基礎(chǔ)[12]，本試驗采用的基礎(chǔ)配比為水泥質(zhì)量：砂質(zhì)量=1∶1.1，水灰比0.33；礦物摻合料采用外摻法，替代水泥用量，其中硅灰6%、礦粉2%、粉煤灰4%；減水劑摻量為膠凝材料的0.03%。在此基礎(chǔ)上對聚合物膠粉和纖維的用量進(jìn)行篩選，其中聚合物膠粉摻入量為膠凝材料的0%～8%，以2%為1 個梯度進(jìn)行試驗；聚丙烯纖維摻入量為膠凝材料的0%～4%，以1%為1 個梯度進(jìn)行試驗。

1.3 性能測試方法

（1）力學(xué)性能試驗。水泥砂漿的成型、養(yǎng)護(hù)參照《水泥膠砂強度檢驗方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)模成型試件，進(jìn)行砂漿抗折強度和抗壓強度試驗。

（2）流動度試驗。水泥砂漿流動度試驗參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）進(jìn)行，運用跳桌進(jìn)行試驗，控制頻率為1 次/s，共25 次。振動結(jié)束，用直尺沿坐標(biāo)軸方向分2 次測量其直徑，取平均值，該平均值即為該水泥砂漿的流動度。

（3）凝結(jié)時間。水泥膠砂凝結(jié)時間試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002），采用貫入阻力法測定修補砂漿的初凝和終凝時間，從加水起開始計時。

（4）干縮試驗。根據(jù)《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC/T 603—2004）進(jìn)行試驗，采用三聯(lián)試模，制作25 mm×25 mm×280 mm 兩端預(yù)埋銅釘頭試件。將試件帶模養(yǎng)護(hù)，24 h 后脫模將試件放入干縮養(yǎng)護(hù)室中，并用比長儀測量試件長度，記為初始長度L0，之后測量各齡期（從放入干縮養(yǎng)護(hù)室中開始計算）的長度后按規(guī)范計算出其收縮率，精確至1.0×10-6。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動度及凝結(jié)時間

不同摻量下聚合物膠粉及聚丙烯纖維對材料流動度和凝結(jié)時間的影響見圖1～圖4。

圖1 聚合物膠粉對材料流動度的影響

由圖1 可知，材料中加入聚合物膠粉對砂漿的流動度起到了明顯的改善作用，流動度得到不同程度的提升。摻量在4%以內(nèi)時，流動度隨著摻量的增加提升最大，之后又隨著摻量的增加而出現(xiàn)衰減，當(dāng)摻量達(dá)到8%時，流動度較摻量為4%時發(fā)生了較大程度的減少[13]。

由圖2 可知，材料的凝結(jié)時間隨著聚合物膠粉摻量的增加而增加，在摻量為4%時提升最為明顯，之后無明顯增加。由此可以看出，少量的聚合物膠粉水化溶解后，產(chǎn)生的極細(xì)顆粒具有滾珠效應(yīng)，改善了水泥漿體的流動性能，使凝結(jié)時間延長；而隨著聚合物膠粉摻量的增加，產(chǎn)生的膠粉顆粒將形成聚合物薄膜，阻礙水分的流動，使得水泥漿體流動度降低，凝結(jié)時間無明顯提升。

圖2 聚合物膠粉對材料凝結(jié)時間的影響

由圖3 和圖4 可知，砂漿的流動度隨著聚丙烯纖維摻量的增加而逐漸降低，并且摻量越多，流動度降低越明顯，凝結(jié)時間也隨著聚丙烯纖維摻量的增加而降低。這是由于聚丙烯纖維摻在砂漿中，隨著攪拌逐漸形成了網(wǎng)狀分布，增大了砂漿中的黏滯力，阻礙了砂漿中液體的流動，從而導(dǎo)致砂漿流動度降低，砂漿更容易凝結(jié)，凝結(jié)時間降低[14]。

圖3 聚丙烯纖維對材料流動度的影響

圖4 聚丙烯纖維對材料凝結(jié)時間的影響

2.2 抗折強度和抗壓強度

不同摻量下的聚合物膠粉和聚丙烯纖維對材料抗折強度、抗壓強度的影響見表5。

表5 聚合物膠粉和聚丙烯纖維對材料力學(xué)性能的影響

由表5 可知，隨著聚合物膠粉摻量的增加，材料的抗折強度、抗壓強度都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且隨著齡期的增加，該趨勢更加明顯。這是由于少摻量的聚合物膠粉能夠增加砂漿的流動度，從而使得砂漿內(nèi)部更加密實，隨著水泥水化作用的進(jìn)行，力學(xué)強度更高；當(dāng)超過4%的摻量后，砂漿流動度降低，并且摻量過高會取代一部分特種水泥的硬化效果，使得砂漿力學(xué)強度降低。聚丙烯纖維對材料的抗折強度提升明顯，隨著摻量的增加逐漸趨于穩(wěn)定，而對材料的抗壓強度僅有小幅提升，影響不大。分析得到隨著聚丙烯纖維的加入，材料內(nèi)部流動度降低，纖維逐漸網(wǎng)狀化，提升了砂漿的韌性，從而大幅提高了材料的抗折強度，并使其長期的抗壓強度有所提升。

綜上，選用聚合物膠粉摻量2%、聚丙烯纖維摻量2%為最佳摻量，此時砂漿的抗折強度與抗壓強度均達(dá)到最大值（見表5）。在最優(yōu)配方條件下所測試的材料流動度能達(dá)到190 mm 左右，凝結(jié)時間在20～25 min 范圍內(nèi)。

2.3 干縮性能

選定聚合物膠粉、聚丙烯纖維摻量均為2%進(jìn)行試驗，分別測試試件3 d、7 d、14 d、28 d 和56 d 的收縮量，以此來對比分析。聚合物膠粉、聚丙烯纖維對砂漿干縮性能的影響見圖5。

圖5 聚合物膠粉、聚丙烯纖維對砂漿干縮性能的影響

由圖5 可見，不同種類的材料收縮率都隨著齡期的增加而增大，在28 d 到56 d 中逐漸趨于緩慢。聚合物膠粉和聚丙烯纖維都能減緩材料的收縮性，其中聚合物膠粉減緩材料的收縮性效果更好。這是由于少量的聚合物膠粉可使砂漿內(nèi)部氣孔減少，試件更為密實，從而降低了后期養(yǎng)護(hù)中的收縮。聚丙烯纖維可在試件內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加試件的黏聚性，也會減少后期水泥水化作用帶來的收縮。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

工程應(yīng)用項目地點為G326 國道（秀山- 河口），是貴州省路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，大部分路段距上次大中修已有10 a 以上，隨著交通量的不斷增長，沿線橋梁產(chǎn)生了一定的病害。貴州省遵義市國省干線橋梁定期檢查結(jié)果表明，部分橋梁伸縮縫已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的病害，削弱了橋梁的通行能力和服務(wù)水平，影響橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全和結(jié)構(gòu)的耐久性。

本次示范工程主要對G326 國道遵義湄潭段的新田壩大橋和葉家壩大橋2 處橋梁伸縮縫混凝土進(jìn)行維修更換。伸縮縫長度為11 m，寬度為0.8 m，開槽深度約0.2 m，類型為單縫式型鋼伸縮縫，其主要病害為型鋼斷裂、混凝土區(qū)域破損和混凝土與路面黏結(jié)區(qū)域破壞（見圖6）。

圖6 橋梁伸縮縫病害現(xiàn)狀

3.2 工程施工

（1）切縫、開槽。對需要拆除的伸縮縫區(qū)域兩邊進(jìn)行精準(zhǔn)切割，與原路面分割開來，確保無誤后，利用風(fēng)鎬進(jìn)行混凝土區(qū)域的破碎，開槽深度大于15 cm，破碎完成后切割掉舊型鋼，并在施工后清理干凈凹槽。

（2）安裝新型鋼。新型鋼放入凹槽后，調(diào)整高度和原路面的平整度，調(diào)整完成后采用鋼條焊接定位。

（3）混凝土澆筑。在新材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的5～15 mm 石子攪拌30 s，之后加水?dāng)嚢?0 s，澆筑進(jìn)凹槽中，再抹平基面（見圖7）。混凝土攪拌均勻后最好靜置1～2 min，待氣泡溢出后再澆筑；本材料自密實，無需振動。

圖7 施工現(xiàn)場澆筑

（4）養(yǎng)護(hù)、通車。澆筑完成30 min 后，材料達(dá)到凝結(jié)時間，在表面蓋上浸滿水的紡紗布進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。澆筑完2 h 后揭開紡紗布，清理現(xiàn)場，開放交通。

3.3 現(xiàn)場檢測

對現(xiàn)場拌合混凝土材料進(jìn)行取樣檢測，內(nèi)容包括流動度、凝結(jié)時間、2 h 抗折強度和抗壓強度、1 d抗折強度和抗壓強度。檢測結(jié)果見表6。

表6 快速修補材料施工現(xiàn)場檢測結(jié)果

由表6 可知，示范工程中的伸縮縫混凝土流動度、凝結(jié)時間等性能與最優(yōu)配方下材料的室內(nèi)性能相當(dāng)，抗壓強度和抗折強度略低于室內(nèi)測試值，其各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，工程應(yīng)用效果良好。本研究成果可為其他項目應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

（1）聚合物膠粉最佳摻量為2%，聚丙烯纖維最佳摻量為2%。在該摻量下，材料流動度能達(dá)到190 mm左右，凝結(jié)時間控制在20～25 min，2 h 抗折強度和抗壓強度分別達(dá)到7.4 MPa 和26.2 MPa，28 d 抗折強度和抗壓強度分別達(dá)到8.5 MPa 和50 MPa 以上，干縮率小于0.015%。

（2）少量的聚合物膠粉能改善砂漿的流動度，提高凝結(jié)時間，增加材料的力學(xué)強度，改善干縮性，但過多的聚合物膠粉會形成聚合物薄膜，影響砂漿密實性，使其力學(xué)強度降低。

（3）聚丙烯纖維隨著摻量的增加會降低砂漿的流動度，減少凝結(jié)時間，但能大幅提高砂漿抗折強度，對抗壓強度影響不大。

（4）通過把快速修補材料應(yīng)用于G326 國道實際工程當(dāng)中，驗證得到材料的流動度、凝結(jié)時間、抗折強度和抗壓強度均滿足設(shè)計要求，可推廣應(yīng)用于類似工程之中。