李文秀

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

模數(shù)式伸縮縫被廣泛應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)伸縮裝置中，但兩側(cè)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(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)管理及力學(xué)分析等方面橋梁伸縮裝置的病害原因，同時(shí)研發(fā)了快速修復(fù)材料。陽初[3]采用SNSYS預(yù)估了伸縮裝置各關(guān)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(diǎn)，并將其應(yīng)用到實(shí)體工程，詳細(xì)介紹其施工工藝。沈維宏、劉元德、廖秀敏[5]通過實(shí)體工程將路面坑洞修復(fù)劑（AC-K5）應(yīng)用到伸縮縫快速維修中，結(jié)果表明其具有施工方便、養(yǎng)生期短及修復(fù)效果良好的特點(diǎn)。舒興旺[6]研究分析了橋梁伸縮裝置的結(jié)構(gòu)與功能、運(yùn)行現(xiàn)狀及破壞形式，詳細(xì)描述了過渡區(qū)水泥混凝土的作用與功能、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及效果、發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述，針對(duì)已有橋梁伸縮裝置病害特征及原因，工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)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(duì)模數(shù)式伸縮縫病害成因進(jìn)行分析，研發(fā)新型高分子修補(bǔ)材料，結(jié)合實(shí)體工程總結(jié)施工工藝，為以后伸縮裝置的設(shè)計(jì)與維修提供參考。

1 模數(shù)式伸縮縫病害調(diào)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(duì)山西某高速公路多座橋梁模數(shù)式伸縮縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并結(jié)合多家養(yǎng)護(hù)單位調(diào)查觀測(cè)資料進(jìn)行了分析。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在實(shí)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(shí)養(yǎng)護(hù)維修，裂縫迅速發(fā)展，將導(dǎo)致混凝土過渡帶開裂，最終導(dǎo)致伸縮縫損壞。

此外，根據(jù)跟蹤觀測(cè)結(jié)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(huì)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(chǎn)生裂縫。b）混凝土與鋼筋脫開，型鋼與混凝土過渡帶產(chǎn)生相對(duì)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(jìn)行資料查閱，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析結(jié)果，對(duì)模數(shù)式伸縮縫病害類型及成因進(jìn)行分類，可分為以下7種：

a）混凝土強(qiáng)度不足，沒有設(shè)置鋼筋網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)與橋面板的鋼筋沒有錨固到一起。當(dāng)車輛通過時(shí)，車輛的跳動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致剛性帶混凝土細(xì)微裂縫。

b）伸縮縫兩側(cè)瀝青與水泥混凝土鋪裝層破損，破碎變形嚴(yán)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(dǎo)致材料出現(xiàn)差異性變形，引起接觸面出現(xiàn)應(yīng)力。

c）伸縮縫兩側(cè)水泥混凝土高于橋面鋪裝，導(dǎo)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(dǎo)致型鋼錨筋斷裂脫落。

e）混凝土頂面保護(hù)層厚度不足，導(dǎo)致混凝土開裂并滲水。

f）伸縮縫下預(yù)埋件缺失。

g）型鋼斷裂、松動(dòng)、翹起。

此外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，造成伸縮縫裝置提前損壞的諸多因素中，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的損壞約占15%；因伸縮縫產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的損壞約占30%～40%；由于施工質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)而造成的損壞約占40%；因使用不當(dāng)、維護(hù)不及時(shí)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(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)是保證模數(shù)式伸縮縫具有較長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。

綜上所述，強(qiáng)度形成快、強(qiáng)度高、與異型鋼具有相似變形特性、施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低的維修材料是未來伸縮縫修補(bǔ)材料的方法方向。

2 新型高分子修補(bǔ)材料性能研究

2.1 材料組成

新型高分子修補(bǔ)材料（以下簡(jiǎn)稱新型修補(bǔ)材料）具有技術(shù)先進(jìn)、施工高效、經(jīng)濟(jì)合理、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，用于破損伸縮縫的快速修補(bǔ)。新型修補(bǔ)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(bǔ)材料中的高分子砂漿由特種高分子材料和高強(qiáng)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(qiáng)度骨料配A液7.5 L和B液2.5 L。修補(bǔ)材料具有無溶劑、對(duì)水不敏感、高強(qiáng)度、一定彈性與耐久性的特性。

2.1.2 縫隙密封劑

新型修補(bǔ)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(bǔ)材料的強(qiáng)度、固化時(shí)間與變形能力是保證維修效果的關(guān)鍵因素。因此，本節(jié)通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)新型材料的性能進(jìn)行研究。

2.2.1 強(qiáng)度特性

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[7]采用振動(dòng)成型方法制備 40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，其中振實(shí)次數(shù)為120次，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3 h后拆模。

測(cè)試齡期分別為4 h、12 h、24 h的試件強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為20℃。試驗(yàn)先在規(guī)定設(shè)備上以中心加荷法測(cè)定抗折強(qiáng)度，測(cè)試3次取抗折強(qiáng)度平均值，再用折斷的6個(gè)半截棱柱體進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)度結(jié)果取平均值見表1，強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖2所示。

表1 抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 強(qiáng)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(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)間以對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)，早期強(qiáng)度形成較快，折壓比約為0.25。養(yǎng)生24 h后的抗壓強(qiáng)度高達(dá)34.5 MPa，而普通水泥砂漿具有7 d左右時(shí)間才能達(dá)到這一強(qiáng)度值；且7 d后的抗壓與抗折強(qiáng)度基本穩(wěn)定，分別高達(dá)68.4 MPa與15.2 MPa。說明新型維修材料具有強(qiáng)度高、速凝及韌性強(qiáng)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(qiáng)度基本達(dá)到極限強(qiáng)度的50%，7 d強(qiáng)度基本形成，同時(shí)為模擬實(shí)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(cè)試其-10℃、0℃、20℃及70℃的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表2，抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖3所示。

表2 不同溫度抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

圖3 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度隨溫度的增加逐漸減小，而養(yǎng)生7 d試件抗壓強(qiáng)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(shí)間

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

表3 凝固時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長(zhǎng)，新型修補(bǔ)材料的貫入阻力值迅速增大，增長(zhǎng)速率基本保持在0.1 MPa/10 min。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得到固化時(shí)間在65 min左右。而普通硅酸鹽水泥修補(bǔ)材料的固化時(shí)間基本在4 h左右。這說明新型修補(bǔ)材料具有強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，采用回彈率指標(biāo)評(píng)價(jià)新型修補(bǔ)材料的變形特性，其中回彈率根據(jù)式（1）計(jì)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(cè)試前，首先要測(cè)量試塊初始高度i0開始測(cè)試，對(duì)100 mm×100 mm試塊加載100 kN的靜載，并以4 mm/min的速率進(jìn)行加載，直至發(fā)生最大位移量或2.5 mm位移為止。達(dá)到最大位移后，釋放荷載，靜置5 min。測(cè)試此時(shí)試塊高度f，即為最終高度。再利用式（1）計(jì)算試件的回彈率。由于異型鋼變形及強(qiáng)度特性受氣溫影響可忽略不計(jì)，必須保證修補(bǔ)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(shí)際低溫與高溫對(duì)伸縮縫的影響，測(cè)試新型修補(bǔ)材料-10℃、0℃、20℃及70℃的回彈率，研究其變形特性。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 回彈率測(cè)試結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明，新型修補(bǔ)材料的回彈率與溫度成正相關(guān)關(guān)系，尤其是高溫狀態(tài)下回彈率幾乎達(dá)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(bǔ)材料具有良好的變形恢復(fù)能力。

綜上所述，新型修補(bǔ)材料具有高強(qiáng)、速凝、良好變形恢復(fù)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(yīng)用與效果評(píng)價(jià)

3.1 施工工藝及質(zhì)量控制

新型高分子修補(bǔ)材料的伸縮縫維修工藝流程主要包括：施工準(zhǔn)備、交通組織實(shí)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(hù)、嵌裝泡沫條及灌注密封膠、清理現(xiàn)場(chǎng)、養(yǎng)生及開放交通幾個(gè)部分。其中高分子砂漿澆筑與養(yǎng)護(hù)控制要點(diǎn)如下：

a）使用砂輪機(jī)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(duì)高分子砂漿、砂石料及其他應(yīng)投料進(jìn)行稱重，并隨機(jī)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(jìn)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(cè)面，在高分子樹脂還有黏性時(shí)鋪上砂漿。

d）在左右兩側(cè)同時(shí)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(shí)，振搗至型鋼中不再產(chǎn)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(nèi)的水泥漿搓出，并重復(fù)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(jìn)行灑水覆蓋，確?；炷撂幱诔睗駹顟B(tài)。

將新型高分子修補(bǔ)材料應(yīng)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(shí)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(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)

將現(xiàn)場(chǎng)拌制的新型高分子材料帶回試驗(yàn)室進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)拌制材料性能檢測(cè)結(jié)果

表5檢測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)取樣新型高分子材料的抗壓與抗折強(qiáng)度、固化時(shí)間、20℃回彈率與室內(nèi)拌制材料相當(dāng)，說明新型高分子材料的施工質(zhì)量易于控制。

研究表明交通噪聲會(huì)對(duì)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生不良影響[9]。為了驗(yàn)證新型高分子材料維修伸縮縫的降噪效果，采用噪聲測(cè)量?jī)x測(cè)定車輛通過伸縮縫時(shí)的噪聲大小，道路負(fù)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(bǔ)的伸縮對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 噪聲測(cè)試結(jié)果 dB

從表6可以看出，新型材料修補(bǔ)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(dá)到降噪效果，這主要是因?yàn)樾滦托扪a(bǔ)材料的剛度小于水泥混凝土。同時(shí)，根據(jù)日后對(duì)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(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、資料查閱、室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)體工程應(yīng)用，對(duì)模數(shù)式伸縮縫的病害、新型修補(bǔ)材料及施工工藝進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

a）混凝土強(qiáng)度形成慢、強(qiáng)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(dòng)、自身收縮等因素的影響下，與主梁或橋臺(tái)的錨固連接作用減弱，是導(dǎo)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(qiáng)度分別高達(dá)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(shí)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(qiáng)、速凝及良好的變形恢復(fù)能力。

c）實(shí)體工程應(yīng)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。