市政桥梁伸缩装置过渡区快速修复材料研究

王德刚

河南五建混凝土有限公司（450100）

0 前言

桥梁伸缩装置是贯通桥梁与道路、桥梁与桥梁之间的重要工程部位，其作用是保证桥梁构筑物在气温变化和荷载作用下能自由变形，避免对桥梁主体结构造成破坏[1]。伸缩装置过渡区填充料和伸缩装置中填充料不仅对桥梁伸缩装置结构服役性能有着重要影响，而且对车辆行驶安全和车辆荷载传递有着直接影响[2-3]。

现阶段我国市政建设处于加速扩张时期，一二线城市均建设了大量的高架桥梁，这些桥梁结构也均设置较多伸缩装置，但近几年伸缩装置发生破损情况较多。经修复后的桥梁伸缩装置，因施工、养护、营运等原因，二次损坏现象也较为普遍。伸缩装置处因桥头沉降、水泥混凝土不平整等往往是全线平整度最差的位置，影响行车的舒适性和安全性。

在桥梁伸缩装置维修更换时，因考虑市政桥对于城市交通的影响因素，以及营运和安全的需要，伸缩装置维修处混凝土养护时间短、开通早，导致水泥混凝土实际强度不足，混凝土产生开裂现象很普遍。桥梁伸缩装置处平整度不佳，导致车辆荷载冲击变大,也易造成伸缩装置损坏。

目前伸缩装置过渡区材料主要有普通混凝土、钢纤维混凝土、环氧树脂混凝土和超高韧性混凝土等[2]。然而，国内外近年桥梁伸缩装置过渡区、伸缩装置填料等修复材料及安装技术仍然不能有效提高伸缩装置的使用寿命。统计调查，伸缩装置过渡区材料损坏的形式和原因：新旧混凝土黏结处损坏，在震动和变形作用下新旧界面易分离，水进入地基或桥面沥青混凝土铺装层，在荷载和环境作用下加速了伸缩装置的损坏；震动集中处破坏，伸缩装置处预留一定的变形装置，伸缩装置处有轻微的不平整性，车辆在经过伸缩装置时易产生震动，伸缩装置在车辆碾压和震动作用下，极易遭到破坏；伸缩装置过渡区混凝土断裂和剥落，主要原因一是混凝土自身结构性能不能满足服役环境，二是桥台地基不均匀沉降。

新混凝土与旧混凝土黏结不佳主要原因：一是在新混凝土浇筑振捣时容易使粗集料接触旧混凝土，而界面缺少胶结材；二是新旧界面混凝土会产生干缩和温缩变形。

桥梁伸缩装置填充料不仅可以防止水进入过渡区混凝土和桥面铺装层，还可以传递动荷载。目前桥梁伸缩装置填充料主要是橡胶条，但是橡胶在交通荷载和自然环境等因素的影响下宜老化、破损，影响桥梁伸缩装置整体服役寿命[4-5]。因此，文章介绍了过渡区高流态、超早强、高韧性混凝土，新旧结合部有机无机复合黏结材料及高弹性伸缩装置灌封材料，研究高韧性混凝土的力学性能、黏结材料的黏结性能及高弹性遇水膨胀聚氨酯的耐久性能，阐述桥梁伸缩装置一体化快速修复材料和技术。

1 试验部分

1.1 过渡区快速修复材料

传统的过渡区快速修复材料主要有环氧树脂混凝土、聚合物混凝土、钢纤维混凝土等，多属于脆性材料。实践应用表明，过渡区脆性混凝土会大大降低伸缩装置的使用寿命[6-7]。本试验采用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏作基材，同时加入钛酸酯偶联剂、可再分散胶粉和刚-聚丙烯混杂纤维和活性矿物掺和料提高修复材料的力学性能。高韧性混凝土配合比设计见表1。

表1 高韧性混凝土配合比设计（kg/m3）

由表2 可见，高韧性混凝土具有高流态、超早强的特点，可以满足市政道路快速施工的要求，而且具有优异的耐水性和抗氯离子侵蚀性能。28 d 抗折、抗压强度分别达到23.6 MPa、123.5 MPa。高韧性混凝土设计原理:利用普通硅酸盐水泥、硫酸盐水泥和石膏保证早期超高强度；微硅粉在胶凝体系中不仅起到微集料效应、火山灰效应，而且大大提高胶凝材料与纤维的握裹力[8]；刚-聚丙烯混杂纤维提高了抗折强度和断裂韧性；硅烷乳液水解后生成≡Si-OH 与水泥颗粒表面≡Si-OH 发生缩合反应，改变了凝胶孔与水的接触角，阻碍了液态水的进入，降低了吸水率；钛酸酯偶联剂水解也会生成≡Si-OH，可优先吸附在硅酸盐水泥颗粒表面，而可再分散胶粉分子中羧酸根与Ca2+形成化学键，从而易与铝酸盐物相形成界面层；可再分散胶粉既可以和钛酸酯偶联剂通过氢键和色散力产生吸附又可以和铝酸盐水泥形成化学键，而钛酸酯偶联剂既可以和可再分散胶粉反应，又可以和硅酸盐羟基发生缩合反应。钛酸酯偶联剂、烷氧基硅烷和可再分散胶粉与水泥水化产物相互交织，把硅酸盐凝胶和铝酸盐凝胶连接一起，使浆体结构更密实，改善了胶凝体系的力学性能[9-10]。

表2 超高韧性混凝土性能

1.2 新旧混凝土黏结材料

新旧混凝土界面处的黏结力关系到混凝土的服役寿命。新旧界面处黏结材料首先不能自身收缩，必须对两个界面都有较好的黏结性能，而且要有防水抗渗的功能。目前使用的界面剂主要有环氧树脂砂浆和水泥净浆[11-12]、聚合物改性水泥砂浆、膨浆[13]、粉煤灰改性水泥砂浆[14]等。文章采用有机无机复合材料即γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散胶粉、辛基三乙氧基硅烷、硅酸钠和氢氧化钙改性水泥净浆作为界面黏结剂。黏结剂配合比设计见表3，黏结剂性能见表4。

表3 黏结剂配合比设计/%

表4 黏结剂物理性能

γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）是两性界面剂，既亲油又亲水，很适合做水泥混凝土和沥青混凝土的界面剂。硅酸钠和氢氧化钙既可以促进水泥净浆的快速反应，又可以自身生成C-S-H 凝胶。γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散胶粉、辛基三乙氧基硅烷与凝胶互穿网络形成防水抗渗增韧的界面层，大大提高界面的耐冲击力和耐久性能。

1.3 伸缩装置填充物

目前伸缩装置填充物多为橡胶条，由于其耐久性能差，2～3 年就需要更换，橡胶条一旦损坏既影响到伸缩装置的服役寿命，也影响到冲击力的传力，极有可能破坏桥梁铺装层，而且影响行车舒适性和安全。因此，文章选择遇水膨胀聚氨酯作为伸缩装置填充物，填充物材料性能见表5。

表5 遇水膨胀聚氨酯性能

2 修复技术

清理基面后，将旧沥青混凝土或旧水泥混凝土界面人工凿毛或者机械凿毛，涂刷界面剂，在界面剂终凝之前，浇筑过渡区混凝土，然后在伸缩装置两边钢结构表面涂刷环氧底涂，然后安装遇水膨胀聚氨酯（凹面）。结构修复图如图1 所示，伸缩装置高弹性遇水膨胀聚氨酯施工细节示意图如图2 所示。

图1 结构修复图

图2 伸缩装置填充物

3 结语

采用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏配置出的高流态、超早强、高韧性过渡区修复材料2 h抗折、抗压强度可以达到6.5 MPa 和36.3 MPa，28 d抗折、抗压强度可以达到22.4 MPa 和123.5 MPa。

采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、可再分散胶粉和辛基三乙氧基硅烷以及硅酸钠和氢氧化钙等有机无机复合材料改性水泥净浆作为界面黏结剂，制备出高黏结强度、防水、抗渗界面黏结材料，剪切强度和劈拉强度分别为4.31 MPa 和3.24 MPa。

利用高韧性过渡区混凝土、高黏结强度新旧混凝土界面剂和遇水膨胀聚氨酯伸缩装置填料等三种材料建立了一体化设计和施工快速修复技术。