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        橋面伸縮縫水泥混凝土帶預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料的研發(fā)與應(yīng)用

        2022-12-26 01:15:10王福浩
        北方交通 2022年12期
        關(guān)鍵詞:粘劑丙烯酸硫酸鹽

        王福浩

        (遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

        0 引言

        在季凍區(qū),橋面伸縮縫的混凝土帶由于受鹽腐蝕等原因影響,常出現(xiàn)脫皮、漏石、破損等病害,目前,橋面伸縮縫混凝土多通過(guò)配合比設(shè)計(jì)提高抗鹽腐蝕性能,但是從實(shí)際使用效果來(lái)看,伸縮縫的脫層、漏石等病害仍時(shí)有發(fā)生。典型病害情況如圖1所示。隨著病害情況的逐漸加重,伸縮縫處的行車(chē)舒適性將會(huì)受到嚴(yán)重影響,甚至?xí)?lái)安全隱患,因此,病害到一定程度,不得不進(jìn)行鑿除、重設(shè)[1],維修過(guò)程必然會(huì)影響交通,并帶來(lái)巨大的人力與物力的消耗。

        圖1 新魯高速民主公公分離式立交橋伸縮縫混凝土帶起皮、開(kāi)裂

        如果采用一定的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù),提前對(duì)伸縮縫混凝土帶進(jìn)行防護(hù),避免鹽腐蝕病害的發(fā)生,將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)效益。

        從橋面伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕機(jī)理出發(fā),以乳化瀝青、1.18mm以下機(jī)制砂為主材,采用丙烯酸樹(shù)脂等材料進(jìn)行增粘增韌改性,制備了一種稀漿混合料,開(kāi)展了復(fù)合乳化改性瀝青的性能試驗(yàn),并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行了后期跟蹤觀(guān)測(cè)。研究成果可以為橋面伸縮縫混凝土帶抗鹽腐蝕的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供一定的借鑒。

        1 橋面伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕機(jī)理

        混凝土的鹽腐蝕主要有氯離子鹽腐蝕與硫酸鹽鹽腐蝕兩種形式[2-4]。氯離子能夠輕易滲透進(jìn)混凝土中,主要通過(guò)擴(kuò)散、毛孔吸收和滲透三種方式。氯離子在進(jìn)入到混凝土中后,首先是氯離子會(huì)和水泥中的硫鋁酸鈣水合物反應(yīng)生成十水合氯鋁酸鈣化合物;其次是混凝土中的部分材料吸附性較強(qiáng),氯離子在滲入之后直接被其中的水化產(chǎn)物所吸附;最后是游離態(tài)的氯離子濃度不斷增加,直至某一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),混凝土材料中就會(huì)出現(xiàn)氯鹽腐蝕。氯離子及其反應(yīng)產(chǎn)物的存在,增大了混凝土材料的體積,從而造成混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力,最終導(dǎo)致微細(xì)觀(guān)的崩解,宏觀(guān)則表現(xiàn)為脫層。而對(duì)于硫酸鹽腐蝕,目前,無(wú)論是沿海地區(qū)還是西部地區(qū),往往混凝土腐蝕的另一個(gè)原因就是硫酸鹽腐蝕。硫酸鹽的來(lái)源非常廣泛,比如鹽漬地下含有大量的硫酸鹽,大部分施肥的土壤中及頻繁燃燒富含硫元素燃料導(dǎo)致空氣中彌漫的硫酸鹽,這些使得硫酸鹽可以輕易地滲透進(jìn)混凝土建筑物中?;炷林械牧蛩猁}腐蝕主要來(lái)源于硫酸鹽在混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)的產(chǎn)物。硫酸鹽會(huì)與混凝土材料中的一些成分發(fā)生中和反應(yīng),生成部分鈣鹽,在反應(yīng)產(chǎn)物中會(huì)存在較多的結(jié)晶水,而且混凝土中含有氫氧化鈣,當(dāng)空氣中的二氧化碳進(jìn)入混凝土中時(shí),會(huì)反應(yīng)生成碳酸鈣。由于碳酸鈣偏弱堿性,造成混凝土中的堿性不斷降低,因此,最終導(dǎo)致鈍化膜的腐蝕。物理反應(yīng)主要是因一些反應(yīng)產(chǎn)物存在較長(zhǎng)時(shí)間后,會(huì)出現(xiàn)體積增大的情況,從而使得混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力而破壞。目前硫酸鹽腐蝕的類(lèi)別主要是鈣礬石型和碳硫硅酸鈣型,這種腐蝕物的損壞效果具有很大的區(qū)別,其中鈣礬石型會(huì)導(dǎo)致混凝土材料體積的增大,長(zhǎng)此以往造成整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張和開(kāi)裂,使得建筑物往往出現(xiàn)較大裂縫;而碳硫硅酸鈣型的破壞效果不如前者那么明顯,常常很難用肉眼觀(guān)察出來(lái),并且破壞周期較長(zhǎng),但是一旦達(dá)到一定程度,很可能直接造成混凝土結(jié)構(gòu)的直接分解。

        2 材料設(shè)計(jì)思路

        設(shè)計(jì)的主要思路是,設(shè)計(jì)一種耐鹽腐蝕的稀漿類(lèi)涂料,黏附于伸縮縫的混凝土帶,將“鹽”與混凝土隔絕,從而達(dá)到防鹽腐蝕的目的。由于伸縮縫混凝土帶是一種水硬性材料,因此不能完全粘附,必須采用一種流動(dòng)性強(qiáng),能浸潤(rùn)到表面的材料,乳化瀝青的滲透性較強(qiáng),但是其高溫穩(wěn)定性較差,高分子聚合物乳液也具有良好的滲透性、粘附性,但是其成本較高,且固化后硬度較高,在車(chē)輛荷載的作用下容易碎裂。因此,材料的設(shè)計(jì)思路是,通過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤旌?,制備一種兼顧二者性能的材料,并且能夠耐氯鹽、硫酸鹽腐蝕,即可以形成耐鹽腐蝕的保護(hù)層,減緩或者防止伸縮縫混凝土帶的鹽腐蝕發(fā)生??傮w方案是采用改性乳化瀝青乳液作為基液,加入0~1.18mm機(jī)制砂作為骨料,并加入增粘高分子聚合物材料,提高材料的耐磨耗性,最終形成粘附力強(qiáng)、耐環(huán)境荷載能力強(qiáng)、高低溫時(shí)均具有一定柔韌性同時(shí)耐磨耗性強(qiáng)的一種材料。

        3 復(fù)合乳化改性瀝青的性能試驗(yàn)

        3.1 瀝青選擇

        選擇了三種瀝青對(duì)材料性能進(jìn)行了比較分析,分別是基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青A、線(xiàn)型SBS改性瀝青B。結(jié)果如表1所示。

        表1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果

        從表1中數(shù)據(jù)可以看出,改性瀝青B軟化點(diǎn)最高,高溫穩(wěn)定性最優(yōu),改性瀝青A的低溫性能較好,但是高溫性能略顯不足。基于以往的乳化瀝青材料的耐久性不足考慮,從提高乳化瀝青材料的高溫穩(wěn)定性出發(fā),選擇改性瀝青B作為乳化瀝青主材料。

        對(duì)改性瀝青B進(jìn)行乳化,乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

        表2 改性乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)結(jié)果表明,改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好、高低溫性能良好。

        3.2 乳化瀝青增粘材料選擇與性能試驗(yàn)

        由于混凝土帶強(qiáng)度較高,僅僅使用乳化瀝青,粘附力差且高溫穩(wěn)定性難以滿(mǎn)足,必須進(jìn)行增粘改性。樹(shù)脂類(lèi)材料屬于高分子材料,其優(yōu)點(diǎn)是溫度敏感性低,選擇樹(shù)脂類(lèi)高分子作為增粘劑?,F(xiàn)有的研究中,有使用兩組分環(huán)氧樹(shù)脂作為增粘材料的方案,這種方案是在乳化瀝青中加入環(huán)氧樹(shù)脂,施工前,加入特定類(lèi)型的固化劑,兩組分反應(yīng)后,形成強(qiáng)度很大的膠結(jié)材料,借以提高乳化瀝青的耐磨耗性及穩(wěn)定性。兩組分樹(shù)脂雖然強(qiáng)度較高,但是固化劑加入后,兩組分隨即開(kāi)始反應(yīng),留給施工組織的時(shí)間較少,一旦發(fā)生意外不能施工,材料需要迅速處理掉,否則將會(huì)堵塞設(shè)備,并且難于清理,施工組織難度較大,靈活性不足[5]。因此,選擇了一種單組份丙烯酸樹(shù)脂作為增粘劑,型號(hào)為AC-261P[6]。調(diào)整不同摻配比例,重點(diǎn)進(jìn)行了60℃的拉拔試驗(yàn),拉拔試驗(yàn)時(shí),粘附基材為玄武巖石板,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        表 3 不同AC-261P比例的拉拔強(qiáng)度

        圖2 增粘劑摻加比例與拉拔強(qiáng)度關(guān)系

        從圖2中趨勢(shì)線(xiàn)來(lái)看,增粘劑比例小于18∶100時(shí),強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,這是瀝青占據(jù)主體的原因,當(dāng)增粘劑比例大于18∶100時(shí),強(qiáng)度增長(zhǎng)速率加快,這表明,隨著增粘劑比例的增加,增粘劑作用會(huì)越來(lái)越明顯。為防止高溫天氣下養(yǎng)護(hù)材料被車(chē)輪粘走,調(diào)整多個(gè)配比,進(jìn)一步進(jìn)行高溫粘輪性能驗(yàn)證,試驗(yàn)溫度為60℃[7],結(jié)果如表4。

        表4 60℃高溫穩(wěn)定情況

        從表4中試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,當(dāng)丙烯酸樹(shù)脂乳液的比例大于18%時(shí),即可獲得良好的不粘輪效果。為確?,F(xiàn)場(chǎng)使用效果,選擇比例為50%。為檢驗(yàn)其抗凍融及鹽腐蝕性能,進(jìn)一步開(kāi)展鹽水凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在15℃條件下涂布,指干時(shí)間為20min,干燥時(shí)間為40min,凍融次數(shù)為50次,鹽水濃度為0.9%,采用食用精鹽配制,基材為水泥混凝土。試驗(yàn)后的情況如圖3所示,觀(guān)測(cè)結(jié)果表明,以稀漿材料進(jìn)行防護(hù)的部分未出現(xiàn)任何脫離破損情況,表明設(shè)計(jì)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)稀漿材料耐鹽水凍融性能良好,耐鹽腐蝕效果良好。

        圖3 凍融50次之后的情況

        4 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝與試驗(yàn)工程效果跟蹤

        4.1 施工工藝

        (1)用吹風(fēng)機(jī)或者硬笤帚將混凝土帶表面清潔,無(wú)雜物、浮塵。并用小錘輕輕敲擊,如果脫皮,則應(yīng)將不牢固表皮清除。

        (2)用滾刷在混凝土帶上涂一薄層防護(hù)材料的乳化瀝青基膠結(jié)料。

        (3)在現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料拌和均勻,然后使用抹子在混凝土帶上抹一薄層,厚度在1.5mm以?xún)?nèi)。

        (4)養(yǎng)生時(shí)間:氣溫低于15℃時(shí),養(yǎng)生時(shí)間不少于4 h;氣溫高于15℃時(shí),養(yǎng)生時(shí)間不少于3 h。

        (5)開(kāi)放交通。開(kāi)放交通前,再次檢查養(yǎng)護(hù)材料是否干燥硬化完畢。

        4.2 工程使用效果觀(guān)測(cè)

        為了進(jìn)一步檢驗(yàn)高性能防護(hù)材料的應(yīng)用效果,先后在沈彰高速、丹錫高速、長(zhǎng)深高速、沈大高速等共進(jìn)行不同工藝、不同配方的四次試驗(yàn)。具體工程如表5所示。其中丹錫高速試驗(yàn)工程實(shí)施時(shí)間已經(jīng)超過(guò)1年,經(jīng)歷了高溫及低溫的考驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè),使用1年以后,養(yǎng)護(hù)材料無(wú)破損,如圖4所示。

        表5 四個(gè)試驗(yàn)工程的實(shí)施工藝與效果

        圖4 丹錫高速1年后

        從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與觀(guān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,添加機(jī)制砂的材料耐久性較好,而不添加機(jī)制砂的耐久性較差。這主要是因?yàn)樘砑訖C(jī)制砂后,不但增加了防護(hù)材料的厚度,而且車(chē)輪荷載主要由機(jī)制砂承擔(dān),大幅降低了車(chē)輪荷載對(duì)丙烯酸乳液改性乳化瀝青的沖擊磨耗。而乳液的拌和工藝對(duì)材料的耐久性影響不大,這主要是因?yàn)槿橐哼M(jìn)行了一次拌和,在與機(jī)制砂拌和時(shí)相當(dāng)于又進(jìn)行了一次拌和,因此人工拌和的工藝對(duì)性能影響不大。有條件時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇機(jī)械拌和方式,以進(jìn)一步提高乳液的均勻程度。

        5 結(jié)語(yǔ)

        基于橋面伸縮縫混凝土帶鹽腐蝕機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料,并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程,得到一些初步結(jié)論。

        (1)以丙烯酸樹(shù)脂改性乳化瀝青及0~1.18mm機(jī)制砂制備的稀漿材料具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐磨耗性,施工工藝簡(jiǎn)單,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面伸縮縫混凝土帶的有效防護(hù)。

        (2)機(jī)制砂對(duì)稀漿料的耐磨耗性具有至關(guān)重要的影響,而丙烯酸改性乳化瀝青的拌和工藝對(duì)稀漿料的性能影響不大。

        (3)丙烯酸樹(shù)脂摻加比例對(duì)乳化瀝青性能影響較為關(guān)鍵,隨著比例提高,高溫粘結(jié)力逐漸提高,達(dá)到18%以上時(shí),乳化瀝青的高溫粘結(jié)力快速提高,并且防粘輪效果明顯,實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)交通荷載水平確定適宜比例。

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