李文秀

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

模數(shù)式伸縮縫被廣泛應用于各種橋梁結構伸縮裝置中，但兩側混凝土易與型鋼錨固鋼筋脫空，且伸縮縫型鋼易出現(xiàn)疲勞斷裂[1]。李婷[2]從設計、施工、養(yǎng)護管理及力學分析等方面橋梁伸縮裝置的病害原因，同時研發(fā)了快速修復材料。陽初[3]采用SNSYS預估了伸縮裝置各關鍵部位的疲勞壽命，提出了合理的混凝土選材要求及伸縮裝置選型原則。何家張[4]分析了新型加勁橡膠條伸縮縫的優(yōu)點，并將其應用到實體工程，詳細介紹其施工工藝。沈維宏、劉元德、廖秀敏[5]通過實體工程將路面坑洞修復劑（AC-K5）應用到伸縮縫快速維修中，結果表明其具有施工方便、養(yǎng)生期短及修復效果良好的特點。舒興旺[6]研究分析了橋梁伸縮裝置的結構與功能、運行現(xiàn)狀及破壞形式，詳細描述了過渡區(qū)水泥混凝土的作用與功能、質量驗收標準、應用現(xiàn)狀及效果、發(fā)展趨勢。

綜上所述，針對已有橋梁伸縮裝置病害特征及原因，工藝簡單、造價低及效果良好的快速維修材料是今后發(fā)展的方向。因此，本文對模數(shù)式伸縮縫病害成因進行分析，研發(fā)新型高分子修補材料，結合實體工程總結施工工藝，為以后伸縮裝置的設計與維修提供參考。

1 模數(shù)式伸縮縫病害調研分析

為了能夠更好地了解模數(shù)式伸縮縫發(fā)生損壞形式與原因，對山西某高速公路多座橋梁模數(shù)式伸縮縫進行了現(xiàn)場調研，并結合多家養(yǎng)護單位調查觀測資料進行了分析。

1.1 現(xiàn)場調研結果

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在實際使用過程中，90%的模數(shù)式伸縮縫混凝土過渡帶出現(xiàn)較多的裂縫，主要表現(xiàn)為橫向裂縫。若不能及時養(yǎng)護維修，裂縫迅速發(fā)展，將導致混凝土過渡帶開裂，最終導致伸縮縫損壞。

此外，根據(jù)跟蹤觀測結果發(fā)現(xiàn)，維修后開放交通不久，很大一部分伸縮縫的混凝土過渡帶就會再次發(fā)生損壞，主要損壞現(xiàn)象可分為以下幾類：a）開放交通后維修過的伸縮縫的混凝土過渡帶表面開始產生裂縫。b）混凝土與鋼筋脫開，型鋼與混凝土過渡帶產生相對變形。c）混凝土碎裂并形成坑塘現(xiàn)象。

模數(shù)式伸縮縫典型破壞如圖1所示。

圖1 模數(shù)式伸縮縫典型破壞形態(tài)

1.2 病害類型及成因分析

進行資料查閱，并結合現(xiàn)場調研分析結果，對模數(shù)式伸縮縫病害類型及成因進行分類，可分為以下7種：

a）混凝土強度不足，沒有設置鋼筋網或鋼筋網與橋面板的鋼筋沒有錨固到一起。當車輛通過時，車輛的跳動和振動導致剛性帶混凝土細微裂縫。

b）伸縮縫兩側瀝青與水泥混凝土鋪裝層破損，破碎變形嚴重。這主要是由于伸縮縫裝置的型鋼與混凝土及瀝青混凝土的溫度系數(shù)不同，溫度變化導致材料出現(xiàn)差異性變形，引起接觸面出現(xiàn)應力。

c）伸縮縫兩側水泥混凝土高于橋面鋪裝，導致水泥混凝土被沖擊破損。

d）橋梁中部伸縮縫型鋼騰空，車輛荷載作用導致型鋼錨筋斷裂脫落。

e）混凝土頂面保護層厚度不足，導致混凝土開裂并滲水。

f）伸縮縫下預埋件缺失。

g）型鋼斷裂、松動、翹起。

此外，現(xiàn)場調查結果表明，造成伸縮縫裝置提前損壞的諸多因素中，由于設計不當造成的損壞約占15%；因伸縮縫產品質量不達標導致的損壞約占30%～40%；由于施工質量不符合標準而造成的損壞約占40%；因使用不當、維護不及時造成的損壞約占5%～10%。因此，采用良好的維修材料與成熟的施工工藝，并及時進行維修養(yǎng)護是保證模數(shù)式伸縮縫具有較長使用壽命的關鍵。

綜上所述，強度形成快、強度高、與異型鋼具有相似變形特性、施工工藝簡單、造價低的維修材料是未來伸縮縫修補材料的方法方向。

2 新型高分子修補材料性能研究

2.1 材料組成

新型高分子修補材料（以下簡稱新型修補材料）具有技術先進、施工高效、經濟合理、綠色環(huán)保等優(yōu)點，用于破損伸縮縫的快速修補。新型修補材料主要由高分子砂漿和縫隙密封劑兩部分組成。

2.1.1 高分子砂漿

新型修補材料中的高分子砂漿由特種高分子材料和高強度的骨料組成；具體配比為：環(huán)氧樹脂A、B液體配比（3∶1），每100 kg高強度骨料配A液7.5 L和B液2.5 L。修補材料具有無溶劑、對水不敏感、高強度、一定彈性與耐久性的特性。

2.1.2 縫隙密封劑

新型修補材料中的縫隙密封劑具有無溶劑、高耐久、高伸縮率、環(huán)保型的特性。

2.2 性能研究

根據(jù)模數(shù)式伸縮縫病害分析可知，修補材料的強度、固化時間與變形能力是保證維修效果的關鍵因素。因此，本節(jié)通過室內試驗對新型材料的性能進行研究。

2.2.1 強度特性

按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[7]采用振動成型方法制備 40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，其中振實次數(shù)為120次，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護3 h后拆模。

測試齡期分別為4 h、12 h、24 h的試件強度，試驗溫度為20℃。試驗先在規(guī)定設備上以中心加荷法測定抗折強度，測試3次取抗折強度平均值，再用折斷的6個半截棱柱體進行抗壓實驗，強度結果取平均值見表1，強度隨齡期的變化規(guī)律如圖2所示。

表1 抗壓抗折強度試驗結果

圖2 強度變化規(guī)律

根據(jù)表1與圖2可知，新型維修材料的抗壓與抗折強度隨養(yǎng)生時間以對數(shù)形式增長，早期強度形成較快，折壓比約為0.25。養(yǎng)生24 h后的抗壓強度高達34.5 MPa，而普通水泥砂漿具有7 d左右時間才能達到這一強度值；且7 d后的抗壓與抗折強度基本穩(wěn)定，分別高達68.4 MPa與15.2 MPa。說明新型維修材料具有強度高、速凝及韌性強的特征。

2.2.2 溫度敏感性

從表1可知新型高分子材料24 h強度基本達到極限強度的50%，7 d強度基本形成，同時為模擬實際低溫常溫與極限高溫環(huán)境，選擇養(yǎng)生24 h與7 d的試件，測試其-10℃、0℃、20℃及70℃的抗壓強度，試驗結果見表2，抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律如圖3所示。

表2 不同溫度抗壓強度試驗結果 MPa

圖3 抗壓強度與溫度柱狀圖

從表2與圖3可以看出，養(yǎng)生24 h試件的抗壓強度隨溫度的增加逐漸減小，而養(yǎng)生7 d試件抗壓強度受溫度變化影響較小。說明新型高分子材料溫度敏感性較差，介于瀝青混凝土與水泥混凝土之間，用于伸縮縫的維修避免了柔性瀝青路面與剛性水泥混凝土之間的連接，起到良好過渡作用。

2.2.3 固化時間

根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JTG/T70—2009）[8]，制備砂漿拌合物并裝入砂漿容器內，將容器放到壓力表盤上，采用標準的試驗方法，測定貫入試針的貫入阻力值，在成型后10 min開始測定，以后每隔10 min測定一次。分別記錄時間和相應的貫入阻力值，采用內插法確定貫入阻力值達0.7 MPa時所用的時間T即為固化時間。測試結果見表3。

表3 凝固時間試驗結果

從表3可知，隨著養(yǎng)生時間的增長，新型修補材料的貫入阻力值迅速增大，增長速率基本保持在0.1 MPa/10 min。根據(jù)測試結果可得到固化時間在65 min左右。而普通硅酸鹽水泥修補材料的固化時間基本在4 h左右。這說明新型修補材料具有強度形成快的特征，滿足快速維修的要求。

2.2.4 變形特性

根據(jù)美國德克薩斯州TEX-618-J標準，采用回彈率指標評價新型修補材料的變形特性，其中回彈率根據(jù)式（1）計算。

式中：s為最大位移量，若超過2.5 mm，取s=2.5 mm；f為試塊最終高度；i為試塊初始高度。

測試前，首先要測量試塊初始高度i0開始測試，對100 mm×100 mm試塊加載100 kN的靜載，并以4 mm/min的速率進行加載，直至發(fā)生最大位移量或2.5 mm位移為止。達到最大位移后，釋放荷載，靜置5 min。測試此時試塊高度f，即為最終高度。再利用式（1）計算試件的回彈率。由于異型鋼變形及強度特性受氣溫影響可忽略不計，必須保證修補材料在不同溫度下均具有良好的變形特性。因此，為了模擬實際低溫與高溫對伸縮縫的影響，測試新型修補材料-10℃、0℃、20℃及70℃的回彈率，研究其變形特性。試驗結果見表4。

表4 回彈率測試結果

表4試驗結果表明，新型修補材料的回彈率與溫度成正相關關系，尤其是高溫狀態(tài)下回彈率幾乎達到100%；且低溫與高溫條件下，回彈率都在96%以上。說明高分子修補材料具有良好的變形恢復能力。

綜上所述，新型修補材料具有高強、速凝、良好變形恢復能力及溫度敏感性介于瀝青與水泥混凝土之間的特性。

3 工程應用與效果評價

3.1 施工工藝及質量控制

新型高分子修補材料的伸縮縫維修工藝流程主要包括：施工準備、交通組織實施、施工前檢查、開槽清槽、更換伸縮縫、高分子砂漿澆筑與養(yǎng)護、嵌裝泡沫條及灌注密封膠、清理現(xiàn)場、養(yǎng)生及開放交通幾個部分。其中高分子砂漿澆筑與養(yǎng)護控制要點如下：

a）使用砂輪機打磨混凝土表面，在混凝土表面打磨光滑后使用高壓氣槍清理混凝土表面的雜物，保證混凝土表面的清潔。

b）在拌合混凝土過程中，每次重新拌料都必須對高分子砂漿、砂石料及其他應投料進行稱重，并隨機取樣檢查。

c）在伸縮裝置型嵌入聚乙烯泡沫塑料片作模板，嵌入模板后，再次使用高壓氣槍進行清潔，保證槽區(qū)干凈。之后取用未添加骨料的高分子樹脂，將其涂抹在模數(shù)式伸縮縫槽區(qū)的底部和側面，在高分子樹脂還有黏性時鋪上砂漿。

d）在左右兩側同時振搗混凝土，以保證混凝土尤其是位于型鋼下面的混凝土振搗密實，振搗至型鋼中不再產生氣泡為止。

e）混凝土振搗步驟完畢之后，用抹板將混凝土內的水泥漿搓出，并重復4～5次，保證混凝土的平整，操作后的混凝土表面最好低于瀝青路面上表面1 mm。

f）混凝土初凝后，采用塑料布進行灑水覆蓋，確?；炷撂幱诔睗駹顟B(tài)。

將新型高分子修補材料應用于某橋梁伸縮縫維修中，施工完畢4 h后即可開放交通，有效縮短了交通管制時間，整體維修效果如圖4所示。

圖4 模數(shù)式伸縮縫維修效果

3.2 質量檢測與評價

將現(xiàn)場拌制的新型高分子材料帶回試驗室進行性能檢測，檢測結果見表5。

表5 現(xiàn)場拌制材料性能檢測結果

表5檢測結果表明，現(xiàn)場取樣新型高分子材料的抗壓與抗折強度、固化時間、20℃回彈率與室內拌制材料相當，說明新型高分子材料的施工質量易于控制。

研究表明交通噪聲會對沿線經濟發(fā)展產生不良影響[9]。為了驗證新型高分子材料維修伸縮縫的降噪效果，采用噪聲測量儀測定車輛通過伸縮縫時的噪聲大小，道路負荷度在 0.6～0.8，車速為 90±10 km/h，并與相鄰路段采用普通水泥混凝土修補的伸縮對比，測試結果見表6。

表6 噪聲測試結果 dB

從表6可以看出，新型材料修補的伸縮縫比普通水泥混凝土維修的伸縮縫噪聲降低了3.0 dB，達到降噪效果，這主要是因為新型修補材料的剛度小于水泥混凝土。同時，根據(jù)日后對該伸縮縫使用情況的觀察，維修后的伸縮縫具有更高的耐久性。

4 結語

本文結合現(xiàn)場調研、資料查閱、室內試驗及實體工程應用，對模數(shù)式伸縮縫的病害、新型修補材料及施工工藝進行研究，得到以下結論：

a）混凝土強度形成慢、強度不足、與異型鋼變形性能相差較大；且混凝土材料在車輛振動、自身收縮等因素的影響下，與主梁或橋臺的錨固連接作用減弱，是導致模數(shù)式伸縮縫破壞或二次損壞的主要原因。

b）由高分子砂漿和縫隙密封劑組成的新型維修材料7 d后的抗壓與抗折強度分別高達68.4 MPa與15.2 MPa，溫度敏感性介于瀝青與水泥混凝土之間，固化時間僅約65 min，-10℃～70℃溫度條件下變形能力均為96%以上。說明該種材料具有高強、速凝及良好的變形恢復能力。

c）實體工程應用表明此類材料用于維修模數(shù)式伸縮縫能夠快速開放交通，且具有耐久與降噪的效果。