盧文良 王瑞 徐兵

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵建國際集團(tuán)有限公司，北京 100855）

1 概述

節(jié)段預(yù)制拼裝快速化施工技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在公路橋梁、鐵路橋梁、市政橋梁建設(shè)中［1］。標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制工藝保證了施工質(zhì)量，避免現(xiàn)場澆筑對環(huán)境的影響，也加快了建設(shè)工期。節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁最早在歐洲應(yīng)用，在我國最早應(yīng)用于成昆鐵路建設(shè)中。20世紀(jì)60年代修建成昆鐵路時，由于工期緊迫，舊莊河一號橋等部分橋梁采用節(jié)段預(yù)制膠接縫拼裝梁（當(dāng)時稱為串聯(lián)梁）［2］。隨著技術(shù)發(fā)展，采用節(jié)段預(yù)制膠拼的橋梁工程越來越多，如黃韓侯鐵路芝水河特大橋［3］、鄭阜鐵路周淮特大橋［4］、廣州市軌道交通四號線橋梁［5］、上海5號線南段延伸工程高架橋［6］、上海滬閔高架道路二期工程［7］、廈門集美大橋［8］、蕪湖長江公路二橋引橋等橋梁工程均采用節(jié)段預(yù)制拼裝法。

節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件接縫處混凝土與普通鋼筋不連續(xù)，為受力薄弱截面。TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》沒有明確規(guī)定膠接縫處混凝土與環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強(qiáng)度取值。早期設(shè)計(jì)中，在計(jì)算膠接縫的抗裂性時不考慮混凝土與環(huán)氧樹脂膠的黏結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度偏高。雖然保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，但是不經(jīng)濟(jì)，阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。針對膠接縫處的受力性能，國內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究。Koseki等［9］對接縫抗剪性能進(jìn)行了研究。曹增華［10］進(jìn)行了環(huán)氧樹脂膠與混凝土黏結(jié)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。楊樹民［11］通過模型梁進(jìn)行了抗裂性試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)。李學(xué)斌等［12］采用單純軸向受拉的模型試件試驗(yàn)，對環(huán)氧樹脂膠接縫的抗拉極限強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

混凝土材料力學(xué)性能具有一定的離散性，其與環(huán)氧樹脂膠拼接后的接縫黏結(jié)機(jī)理及接縫力學(xué)性能指標(biāo)離散程度還缺乏深入研究。為研究膠拼構(gòu)件膠接縫彎折破壞模式和彎折強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)制作了6個膠拼彎折試件進(jìn)行靜力加載直至破壞，從而為此類型橋梁的抗裂性設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，將3塊標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊用環(huán)氧樹脂膠黏在一起，形成節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件，見圖1。本次試驗(yàn)共有6個試件，編號為S1—S6。環(huán)氧樹脂膠包括A，B組分，A組分為黃色膠狀改性環(huán)氧樹脂，B組分為灰色糊狀固化劑，2種組分按質(zhì)量配合比A∶B=2∶1進(jìn)行配制。

圖1 試件尺寸（單位：mm）

2.2 試件制作

混凝土立方體試塊采用一工程梁場C50商品混凝土澆筑，同批次立方體試塊抗壓強(qiáng)度實(shí)測最大值為62.3 MPa，最小值為 58.8 MPa，平均值為 60.5 MPa。采用一節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁工程中實(shí)際應(yīng)用的環(huán)氧樹脂膠，其力學(xué)及工藝性能符合相關(guān)規(guī)范要求。

參考相關(guān)實(shí)際工程案例的接縫處理方式，采用電動鋼絲打磨膠接面，擠膠應(yīng)力取0.3 MPa。待立方體試塊養(yǎng)護(hù)完成后，對立方體試塊進(jìn)行界面處理，處理完成后擦拭表面使之清潔，以保證混凝土與環(huán)氧樹脂膠的良好黏結(jié)。在待黏結(jié)表面均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠，厚度不宜太厚，控制在2～3 mm。通過擠膠工具對構(gòu)件膠接縫施加臨時擠膠應(yīng)力，擠膠過程中采用S形拉力傳感器監(jiān)控擠膠應(yīng)力數(shù)值，確保拼接時擠膠應(yīng)力符合要求。擠膠完成后試件在室溫下完成接縫膠體固化，7 d后拆除擠膠板。試件制作完成后在常溫條件下放置20 d，然后進(jìn)行彎折試驗(yàn)。

2.3 試件加載

采用WAW-300微控電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對試件件進(jìn)行加載試驗(yàn)。試件跨度為400 mm，支座與加載點(diǎn)中心距離為125 mm。在試件中部標(biāo)定相應(yīng)加載位置，精確至1 mm。在2個膠接縫處放置直徑25 mm光圓鋼筋，并在鋼筋上固定加載鋼板進(jìn)行加載（圖2）。控制加載速率為0.2 kN/s，直至試件破壞，期間觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并記錄破壞荷載值。

圖2 試件加載圖示

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

6個試件加載過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。由于試件尺寸較小，加載過程較短。試件受力達(dá)到破壞荷載時發(fā)出“砰”的一聲巨響，且沿著某截面斷裂。破壞過程比較急促，沒有明顯征兆。裂縫發(fā)展情況見圖3?？芍?，試驗(yàn)破壞類型可分為3種：Ⅰ型為混凝土破壞（試件S1，S4和S5）；Ⅱ型為內(nèi)聚破壞（試件S2和S3）；Ⅲ型為界面破壞（試件S6）。

混凝土破壞（Ⅰ型）的斷裂面位于兩膠接縫之間，裂縫穿過整個截面，其中，試件S1和S4沿著跨中位置斷裂，試件S5裂縫穿過膠接縫。斷裂面較為清晰，斷口處幾乎無膠體。混凝土破壞斷面如圖4所示。

圖3 裂縫發(fā)展情況

圖4 混凝土破壞斷裂面

膠接縫附近混凝土內(nèi)聚破壞（Ⅱ型）的斷裂面基本穿過整個截面，破壞沿著膠接面一側(cè)發(fā)生。斷裂位置基本位于接縫附近5 mm范圍內(nèi)，且斷裂面附近有分叉破壞面和少量碎片。內(nèi)聚破壞斷面如圖5所示。

圖5 內(nèi)聚破壞斷裂面

界面破壞（Ⅲ型）為沿著膠接面破壞，如圖6所示。此類破壞的原因是膠接縫的環(huán)氧樹脂膠與混凝土黏結(jié)力較低，未形成良好的接縫。

圖6 界面破壞斷裂面

3.2 試件彎折強(qiáng)度

根據(jù)破壞荷載P計(jì)算試件的彎折強(qiáng)度，即

彎折試驗(yàn)結(jié)果見表1?？芍?，6個試件的彎折強(qiáng)度最大值與最小值的比值約為2，有一定的離散性。

表1 彎折試驗(yàn)結(jié)果

采用與本次試驗(yàn)所用混凝土同批次材料，制作立方體試件，完成了1組劈裂試驗(yàn)，實(shí)測劈裂強(qiáng)度為3.68 MPa。參考文獻(xiàn)［13］關(guān)于混凝土彎折強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的建議回歸公式，可計(jì)算本次試驗(yàn)混凝土整體彎折強(qiáng)度約為6.0 MPa，與實(shí)測值接近。結(jié)合表1可知，只要膠接縫黏結(jié)正常，試件的彎折強(qiáng)度為素混凝土試件彎折強(qiáng)度平均值的85%；界面破壞時強(qiáng)度最低，但也大于3.0 MPa。

3.3 破壞形態(tài)分析

試件荷載-位移曲線見圖7。荷載和位移通過萬能試驗(yàn)機(jī)自帶的檢測傳感器獲得?？芍嚰6的破壞荷載較低外，其余試件的彎折破壞荷載在43～50 kN。加載初期，曲線基本呈線性變化；當(dāng)位移超過1.0 mm時，試件內(nèi)部損傷發(fā)展，曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特點(diǎn)；當(dāng)位移超過1.5 mm時，試件內(nèi)部損傷進(jìn)一步加重直至破壞，斷裂時的最大位移為2.2 mm。

圖7 試件荷載-位移曲線

試件S2和S3的斷裂位置在膠接縫附近，斷裂面處的結(jié)構(gòu)膠附著大量未含粗骨料的表層砂漿?；炷猎嚰韺又饕呛休^少粗骨料的砂漿，膠接縫的彎折強(qiáng)度取決于膠接縫附近混凝土表層的抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度比混凝土破壞值有所降低。

在相同試驗(yàn)條件下，試件S6的破壞荷載為26.56 kN，遠(yuǎn)小于其余試件的平均破壞荷載48.84 kN。試件S6制作時環(huán)氧樹脂膠配合攪拌與涂抹擠膠時間間隔略長，導(dǎo)致部分膠與混凝土的黏結(jié)質(zhì)量較差。實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格避免膠接縫破壞。

4 結(jié)論

1）節(jié)段預(yù)制膠拼試件彎折破壞為脆性破壞。當(dāng)保證膠拼質(zhì)量時，二者可較好地協(xié)同工作。試件的彎折強(qiáng)度在4.8～6.0 MPa，平均值為5.4 MPa，膠接縫具有較好的彎折強(qiáng)度。

2）試件內(nèi)聚破壞位置位于膠接縫附近，其平均彎折強(qiáng)度為素混凝土試件彎折強(qiáng)度平均值的85%。強(qiáng)度下降與膠接面粗糙度、基體強(qiáng)度、膠拼質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

3）混凝土與環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)過程中應(yīng)規(guī)范操作，否則膠接縫強(qiáng)度下降明顯，在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格保證施工質(zhì)量。

4）鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁抗裂性設(shè)計(jì)中，在嚴(yán)格要求施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)考慮環(huán)氧樹脂膠與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度。