一種橋梁裂縫修補改性材料粘接強度及受力影響分析

李振基 李建飛 李旭東

摘 要：為解決重載運輸下橋梁裂縫修補問題，試驗制備了一種苯丙乳液（SAE）改性超細混凝土修補材料。結果表明，SAE含量增加會使試件抗折強度先升后降，抗壓強度下降，界面粘接性能和抗疲勞性能提高；當添加15%SAE時，材料極限拉應力、拉應變分別為2.34 MPa、2.25%，增幅分別為81.4%和562%，材料韌性提高；SAE含量12%最為適宜，此時，修補材料的極限拉應力、拉應變分別為1.78? MPa、2.02%，界面粘接強度為1.9 MPa，凝結時間短，抗疲勞性能良好。試驗制備的SAE改性修補材料可以作為不中斷交通重載運輸情況下的橋梁裂縫修補材料使用。

關鍵詞：苯丙乳液；混凝土；應拉力；界面粘接強度；耐久性

中圖分類號：TQ317

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0015-04

Analysis of adhesive strength and stress influence of a modified material for bridge crack repair

LI Zhenji1，LI Jianfei2，LI Xudong3

（1.Guoneng Shuo Huang Railway Suning branch，Cangzhou 062350，Hebei China;

2.Citic Construction Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；

3.China Railway 15th Bureau Group Co.，Ltd.，Cangzhou 062350，Hebei China）

Abstract：In order to solve the problem of bridge crack repair under heavy load transportation，a styrene acrylic lotion （SAE） modified ultra-fine concrete repair material was prepared in this experiment.The test results showed that increase of SAE content first increased and then decreased the flexural strength of the specimen，decreased the compressive strength，and improved the interface bonding performance and fatigue resistance.When 15% SAE was added，the ultimate tensile stress and tensile strain of the material were 2.34 MPa and 2.25%，with an increase of 81.4% and 562%，respectively，and the toughness of the material was improved.The SAE content of 12% was the most suitable.At this time，the ultimate tensile stress and tensile strain of the repair material were 1.78 MPa and 2.02%，respectively，and the interfacial bonding strength was 1.9 MPa，with short coagulation time and good fatigue resistance.The SAE modified repair material prepared by the test can be used as a bridge crack repair material without interrupting traffic and heavy load transportation.

Key words：styrene acrylic lotion;concrete;tensile stress;interface bonding strength;durability

混凝土橋梁是交通環線的重要組成部分，然而，隨著服役年限增加，很多橋梁會出現裂縫等缺陷，這不僅減少混凝土橋梁服役壽命，還存在安全隱患。因此，關于混凝土橋梁裂縫的修補材料的研究成為現在科學發展的一個重點。對此，許多學者進行了研究。如通過在混凝土中添加聚酰胺樹脂、環氧樹脂進行改性，制備了一種橋梁裂縫混凝土修補膠，并對其性能進行研究［1］。研究了纖維改性裂縫修補材料，通過改性木纖維、玄武巖纖維以及玻璃纖維對修補材料進行改良［2］。為解決大壩裂縫修補，通過硅烷偶聯劑、納米SiO2以及異氰酸酯（B1、B2）等制備了修補材料，并研究其性能［3］。以上學者的研究都為混凝土裂縫修補提供了參考?？紤]到中斷交通進行裂縫修補會影響出行，因此，試驗制備了一種苯丙乳液（SAE），以該SAE制備改性混凝土橋梁裂縫修補材料，并研究修補材料性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：

超細硅酸鹽水泥（SPC），工業純，湖州捷謙宏建材；超細硫鋁酸鹽水泥（SSC），工業純，鄭州德仁耐火材料；微硅粉（粒徑20 nm），工業純，靈壽縣天晨礦產品；苯乙烯（ST），分析純，四川橋水科技；丙烯酸丁酯（BA），分析純，山東濟北新材料；甲基丙烯酸十八酯（SMA），分析純，河南銳越化工；十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，紹興以信化工；烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10），分析純，廣州燦聯化工；過硫酸銨（APS），分析純，鄭州仁銘化工。

主要設備：JJ-1BA型攪拌器（宜興春澤源環保設備）；MX-400型均質機（南通密克瑟爾斯機械設備）；DYJG-9023型鼓風烘箱（杭州億捷科技）；DZF-6210型真空干燥箱（蘇州科思洛工業設備）；JA203P型電子天平（上海根拓機電）；BSU-1型水浴鍋（吉林市奔騰儀器）；JJ-20H型水泥膠砂攪拌機（河北京測儀器設備）；YES-2 000型抗折抗壓試驗機（濟南新力特試驗設備）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗配比設計

為研究重載運輸下橋梁裂縫的修補材料，試驗設計含不同苯丙乳液摻量的配比方案，具體試驗配比如表1所示。

1.2.2 苯丙乳液（SAE）的制備

（1）用電子天平稱取21 g的SDS和5.25 g的OP-10，一起倒入裝有750 mL水的燒杯中，通過均質機以10 000 r/min的轉速處理2 min;

（2）用電子天平稱取300 g的ST和450 g的BA，倒入步驟（1）中的燒杯中，然后設置均質機轉速為10 000 r/min，攪拌混合10 min;

（3）在一個三口燒瓶內加入100 mL水、2.8 g的SDS以及0.7 g的OP-10，再倒入40 g的ST和60 g的BA，用攪拌器以350 r/min的轉速分散處理5 min;

（4）在另一個燒杯中加入10 mL水和0.8 g的APS，混合均勻，獲得引發劑溶液，然后在恒溫80 ℃條件下，往三口燒瓶中倒入引發劑溶液，反應30～40 min;

（5）等待步驟（4）中的乳液變稠并呈現出淡藍色后，將引發劑再次滴入乳液中，并在3 h內，通過蠕動泵將步驟（2）中獲得的預乳化溶液慢慢滴入乳液中;

（6）溶液滴加完成后，等待反應時間1 h，然后自然冷卻至室溫，將三口燒瓶中的乳液過濾后，滴入適量的氨水，使乳液呈現偏堿性，獲得試驗需要的苯丙乳液，最后貯存備用。

1.2.3 材料試樣制備

根據表1的配比方案，用電子天平稱取適量的超細硅酸鹽水泥、超細硫鋁酸鹽水泥、微硅粉水，加入攪拌機中，在慢速條件下混合3 min;然后在慢速攪拌的情況下，分3次慢慢倒入適量的苯丙乳液，之后先慢速攪拌2 min，后快速攪拌2 min；加入適量的水、減水劑和消泡劑，繼續攪拌2 min混合均勻，獲得水泥砂漿；將水泥砂漿倒入準備好的模具中，并用抹灰刀使試件表面平整，然后放置在振實臺上處理2 min，振實并排出水泥砂漿內部的氣泡；試件成型后脫模，根據試驗需要養護一定時間，最后貯存備用。

1.3 性能測試

拉伸性能：

通過萬能試驗機對材料進行測試，分析其應力應變情況。

界面粘接強度：

將養護28 d的試件用電鋸分割成兩段，然后用試驗制備的修復材料水泥砂漿填補斷裂處，粘接兩段試件，養護一定時間后，采用彎曲拉應力法，通過試驗機對試件進行粘接抗折試驗，分析材料界面粘接性能［4-5］。

抗疲勞性能：

將養護28 d的試件用電鋸分割成兩段，然后用修復材料水泥砂漿粘接，繼續養護28 d后，通過試驗機對試件施加周期荷載，測試材料的彎拉強度，分析其抗疲勞性能［6-7］。

2 結果與分析

2.1 拉伸性能分析

試驗對養護28 d的修補材料試件進行拉伸性能測試，圖1為測試結果。

由圖1可知，在材料中添加SAE后，材料的極限拉應力和極限拉應變均大于未添加SAE的試件，同時，可以觀察到，隨著SAE含量的增多，極限拉應力和極限拉應變基本上出現增加的變化。當未添加SAE時，材料極限拉應力為1.29 MPa，極限拉應變為0.34%；當試件中SAE含量為12%時，材料極限拉應力為1.78 MPa，極限拉應變為2.02%，對比空白試件分別提高了38.0%和494%。當試件中SAE含量為15%時，材料極限拉應力為2.34 MPa，極限拉應變為2.25%，對比空白試件分別提高了81.4%和562%。對于未添加SAE的試件，當應力作用增大時，應變也隨之線性增大，其應力-應變曲線主要呈現一個線性增長階段，直至極限拉應變，試件斷裂；而當試件中添加SAE時，各試件應力-應變曲線主要呈現2個階段，先是隨著應力的增加，應變不斷增加，呈線性增長階段，然后是應變增加逐漸緩慢，曲線斜率降低，直至極限拉應變，試件斷裂。因此，隨著修補材料中SAE含量增加，材料抗變形能力增強，韌性提高。

2.2 界面粘接性能分析

試驗對養護28 d的修補材料試件進行界面粘接性能分析，圖2為測試結果。

由圖2可知，當修補材料中的SAE含量增加時，界面粘接強度提高；對于未添加SAE的試件，其界面粘接強度為1.3 MPa；當修補材料中SAE含量從3%增加到12%時，界面粘接強度增加較緩慢；而當SAE含量為12%時，界面粘接強度提升到1.9 MPa，對比空白試件增幅為46.2%；當修補材料中的SAE含量增加到15%時，界面粘接強度出現大幅度提升，為2.3 MPa，對比空白試件增幅為76.9%，對比12%SAE含量時增幅為21.1%。同時，苯丙乳液可以加強修補材料的流動性能，使修補材料更容易進入舊界面的孔隙中，材料新舊界面間的貼合更加緊密，修補材料成型后，新舊界面間呈現機械錨固結構，可以增加機械咬合力，材料界面粘接強度出現上升的現象［13-15］。因此，苯丙乳液可以增加修補材料的界面粘接強度，在重載運輸情況下，試驗制備的修補材料凝結時間短，界面粘接性能較好，不會從舊混凝土界面脫落，從而保證修補材料的強度以及耐久性。

2.3 抗疲勞性能分析

試驗對養護28 d的修補材料試件進行界面粘接疲勞壽命分析，圖3為測試結果。

由圖3可知，當應力水平從0.6 MPa增加到0.9 MPa時，不同SAE含量的試件疲勞壽命均大幅度下降；可以觀察到，應力水平0.6 MPa為一個分界點，當應力水平增加到0.7 MPa時，0%SAE、9%SAE和15%SAE試件的疲勞壽命降幅分別為62%、58%和67%；此后，隨著應力水平繼續增大，各試件疲勞壽命的下降幅度較??；另外，對于不同SAE含量的試件，當應力水平為0.6 MPa時，15%SAE試件的疲勞壽命明顯高于其他試件。這表明，增加苯丙乳液在修補材料中的含量，可以提高修補材料的界面粘接疲勞壽命。

2.4 材料應用效果

2.4.1 有限元模型

根據上述試驗結果，試驗采用12%SAE含量的修補材料。為驗證該修復材料實際應用可行性，試驗采用ABAQUS軟件建立了重載運輸下橋梁裂縫有限元模型，模擬裂縫尖端的應力情況。試驗建立的橋梁模型中，箱梁以C50混凝土為材料，跨徑25 m，以HRB400鋼筋為橋梁箍筋和受拉鋼筋，以鋼絞線為預應力鋼材，試驗的有限元模型具體參數如表2所示［19-20］。

2.4.2 受力分析

圖4為重載運輸下，橋梁的縱向裂縫承受同側荷載時的受力分析結果，其中，σmax為不同車速行駛到不同位置時，裂縫尖端最大拉應力的最大值。

由圖4可知，當行駛距離在10 m內時，隨著荷載位置的增加，車速20、30 m/s的σmax基本上呈現增加的現象，峰值應力出現在行駛距離2.5～10 m，峰值應力分別為0.37、0.41 MPa，均在修復材料應力承受范圍內。當行駛距離大于10 m時，各σmax均開始大幅度下降，但當行駛距離大于15 m后，各σmax出現不同程度波動增長的情況，但各拉應力波動峰值依然在修復材料拉應力承受范圍內。因此，試驗制備的苯丙乳液改性超細混凝土修補材料，可以用于重載運輸情況下的橋梁裂縫修補。

3 結語

（1）當添加15%SAE時，材料極限拉應力、拉應變分別為2.34 MPa、2.25%，增幅分別為81.4%和562%;

（2）在修補材料中添加SAE，可以加強材料抗變形能力、界面粘接性能以及抗疲勞性能;

（3）SAE含量12%最為適宜，此時，修補材料的極限拉應力、拉應變分別為1.78 MPa、2.02%，界面粘接強度為1.9 MPa，材料凝結時間短，抗疲勞性能良好，耐久性好，可以作為重載運輸下橋梁修補材料使用。

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收稿日期：2023-10-11；修回日期：2024-01-10

作者簡介：李振基（1980-），男，碩士，高級工程師，主要從事鐵路工程、施工、維修及安全管理研究;E-mail：276287968@qq.com。

引文格式：李振基，李建飛，李旭東.一種橋梁裂縫修補改性材料粘接強度及受力影響分析［J］.粘接，2024，51（3）：15-18.