楊元鄭,焦曉東

(1.廣西桂通工程管理集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

“十三五”以來(lái),隨著國(guó)家交通強(qiáng)國(guó)、西部陸海新通道等戰(zhàn)略的實(shí)施,廣西區(qū)內(nèi)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來(lái)大發(fā)展,尤其是公路建設(shè)領(lǐng)域,截至目前廣西公路總里程已>14.5萬(wàn)km,其中高速公路總里程已突破8 000 km,實(shí)現(xiàn)了“縣縣通高速”。廣西多山的地勢(shì)導(dǎo)致在公路的建設(shè)過(guò)程中橋梁占比較高,橋梁伸縮縫作為連接橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因汽車荷載、氣候等因素的復(fù)雜性經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錨固區(qū)混凝土損壞的情況,大大降低了伸縮縫的服役壽命[1]。伸縮縫錨固區(qū)的混凝土通常為C50等級(jí)的普通水泥混凝土,具有抗壓性能優(yōu)異但抗拉性能差、脆性大的特點(diǎn),這使其在溫度應(yīng)力和動(dòng)載荷作用下容易發(fā)生開(kāi)裂,同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提升,混凝土的脆性也隨之增大,這為高強(qiáng)混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了局限[2]。

1993年美國(guó)密歇根大學(xué)Li Victor C開(kāi)發(fā)的工程水泥基復(fù)合材料(Engineered cementitious composites,ECC),在我國(guó)被稱為超高韌性水泥基復(fù)合材料(Ultra-high toughness cementitious composites,UHTCC)[3]。其由水泥、細(xì)硅砂、粉煤灰、聚合纖維、水和高效減水劑組成,其優(yōu)異的拉伸性能主要是通過(guò)纖維和基體之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的,是一種基于微觀力學(xué)調(diào)控的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[4-6]。近年來(lái)研究者發(fā)現(xiàn)使用聚合物改性的新型混凝土和砂漿用作修補(bǔ)材料,同普通水泥砂漿相比,具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗凍融、抗氯離子、抗碳化和抗化學(xué)腐蝕性能等耐久性能,因此各類聚合物被引入混凝土材料體系作為性能增強(qiáng)材料[7-10]。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[11-13],環(huán)氧類物質(zhì)可以有效改善材料的粘結(jié)性能,以提高纖維與基體之間的界面結(jié)合力。但是,相關(guān)報(bào)道多集中于單一環(huán)氧乳液作用下UHTCC的拉伸性能,且不同文獻(xiàn)結(jié)果存在差異。因此,需要更為廣泛的研究工作,以探索聚合物在UHTCC中的作用機(jī)制。

本文通過(guò)引入不同類型的環(huán)氧乳液,并調(diào)整環(huán)氧乳液的摻量,研究環(huán)氧乳液對(duì)UHTCC不同性能的影響,以期為此類材料在橋梁伸縮縫維修養(yǎng)護(hù)方面提供新的應(yīng)用思路。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥等級(jí)為P.O42.5R,密度為3.1 g/cm3,其基本性能見(jiàn)表1。

表1 水泥性能表

(2)粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰,比表面積為3 850 cm2/g,密度為2.8 g/cm3;微珠為粉煤灰微珠,比表面積為4 030 cm2/g;硅灰為重慶某公司生產(chǎn),SiO2占比>94%,比表面積為10 900 cm2/g。

(3)細(xì)骨料為南寧某石英砂廠生產(chǎn)的38μm(400目)石英粉。

(4)外加劑為廣西某公司生產(chǎn)的ZJ13型減水劑,減水率為27%。環(huán)氧乳液為盛禧奧聚合物有限公司生產(chǎn)的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環(huán)氧乳液,固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為47%。

(5)聚乙烯醇(PVA)纖維為重慶川維石化有限公司生產(chǎn),其性能如表2所示。

表2 PVA纖維性能表

1.2 試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)

試樣的基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)如表3所示,環(huán)氧乳液改性UHTCC修復(fù)材料的配合比設(shè)計(jì)如表4所示,K1、K2、K3試樣分別代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量為2%;K3、K4、K5、K6、K7試樣代表Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量分別為2%、3%、4%、5%、6%。其中,PVA纖維的摻量為混合料體積的占比,其他材料摻量均以水泥的質(zhì)量為基準(zhǔn),改性UHTCC的水膠比、砂膠比、粉煤灰、硅灰、微珠、減水劑以及PVA用量與基準(zhǔn)配合比相同。

表3 UHTCC修復(fù)材料基準(zhǔn)配合比表

表4 改性UHTCC修復(fù)材料的配合比表

1.3 試樣的制備與測(cè)試方法

將水泥、粉煤灰、微珠以及石英砂按照順序依次加入攪拌機(jī)中,攪拌120 s至干粉混合均勻,然后加入水、減水劑和環(huán)氧乳液,拌和180 s后加入PVA,高速攪拌240 s至拌和均勻,成型不同尺寸的試件,24 h后脫模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)測(cè)試齡期。

性能測(cè)試:(1)拌和物的工作性能測(cè)試依據(jù)為《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080-2016)測(cè)試;(2)試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)為《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002);(3)試樣的彈性模量與軸向拉伸強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)為《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019);(4)試樣的抗?jié)B性能測(cè)試依據(jù)為《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)。

2 結(jié)果分析

2.1 工作性能

圖1所示為拌和漿體的工作性能測(cè)試結(jié)果,橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土修復(fù)材料施工中的坍落度通常要求>120 mm,從圖1可以看出,所有配合比修復(fù)材料的坍落度均>200 mm,能夠達(dá)到自密實(shí)自流動(dòng)的效果,滿足其施工要求。同時(shí)K1試樣(Ⅰ型環(huán)氧乳液)和K2試樣(Ⅱ型環(huán)氧乳液)相比基準(zhǔn)K0(未添加環(huán)氧乳液)試樣,UHTCC修復(fù)材料的坍落度略有提升,而K3試樣(Ⅲ型環(huán)氧乳液)會(huì)明顯降低拌和物的工作性能,2%摻量下的坍落度和擴(kuò)展度僅有245 mm、500 mm,遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)K0(未添加環(huán)氧乳液),但隨著Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%,材料的坍落度和擴(kuò)展度均在增加,這表明不同類型的環(huán)氧乳液對(duì)UHTCC修復(fù)材料工作性能有著不同的作用效果,其中Ⅰ型和Ⅱ型環(huán)氧乳液兩種環(huán)氧乳液可以降低拌和物的黏度,在較低摻量下改善拌和物的工作性能,而Ⅲ型環(huán)氧乳液則會(huì)增加拌和物的稠度,降低其工作性能,但隨著其摻量的增加,拌和物的工作性能也得到改善。

圖1 UHTCC修復(fù)材料的工作性能對(duì)比柱狀圖

2.2 抗壓強(qiáng)度

下頁(yè)圖2所示為養(yǎng)護(hù)至不同齡期時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度是橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土設(shè)計(jì)時(shí)的重要指標(biāo)?！豆窐蛄荷炜s裝置》(JT/T 327-2004)中規(guī)定橋梁伸縮縫錨固區(qū)普通混凝土的強(qiáng)度等級(jí)通常為C50以上,即混凝土材料28 d抗壓強(qiáng)度要求為50 MPa以上。從圖2可以看出,所有配合比的UHTCC修復(fù)材料的28 d抗壓強(qiáng)度均>60 MPa,滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖2 UHTCC修復(fù)材料試樣的抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

從圖2還可以看出,添加環(huán)氧乳液的UHTCC修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加,但是與基準(zhǔn)試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)相比,其抗壓強(qiáng)度大幅度下降。這可能是在引入環(huán)氧乳液的同時(shí),增大了膠凝材料體系的水膠比,同時(shí)破壞了試樣整體結(jié)構(gòu)的均一性。當(dāng)Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%時(shí),材料在各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì),當(dāng)摻量為4%時(shí),試樣(K5)的抗壓強(qiáng)度最低,這說(shuō)明Ⅲ型環(huán)氧乳液對(duì)于材料抗壓強(qiáng)度的影響存在一個(gè)閥值。而在環(huán)氧乳液摻量均為2%的條件下,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí),添加Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種環(huán)氧乳液試樣(K1～K3)的抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn)試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)分別降低為11.6%、14.3%、16.1%。而在養(yǎng)護(hù)至7 d及28 d齡期時(shí),三種試樣的變化趨勢(shì)發(fā)生了改變,K3試樣(Ⅲ型環(huán)氧乳液)的抗壓強(qiáng)度高于K1試樣(Ⅰ型環(huán)氧乳液)與K2試樣(Ⅱ型環(huán)氧乳液)。表明不同類型的環(huán)氧乳液對(duì)UHTCC的抗壓強(qiáng)度的作用效果存在差異,可能是因?yàn)榄h(huán)氧乳液與膠凝材料形成了包覆體系,導(dǎo)致被包覆的顆粒水化延緩或者終止,增加了水化產(chǎn)物之間的微觀距離,從而使試樣的抗壓強(qiáng)度降低,而Ⅲ型環(huán)氧乳液其作用機(jī)理同Ⅰ型、Ⅱ型存在差異,作用效果減弱,使后期的強(qiáng)度發(fā)展較快[14-15]。

2.3 彈性模量

彈性模量是UHTCC修復(fù)材料作為橋梁伸縮縫錨固區(qū)病害修復(fù)研究的重要內(nèi)容之一,是模擬實(shí)際道路車輛荷載下錨固區(qū)材料抵抗破壞的重要參數(shù)。其彈性模量測(cè)試結(jié)果如圖3所示。與基準(zhǔn)組試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)相比,添加不同種類和摻量的環(huán)氧乳液后,各組(K1～K7)試樣的彈性模量均出現(xiàn)不同程度的增加,這主要是因?yàn)橛袡C(jī)-無(wú)機(jī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成,試樣中吸收能量的機(jī)制增多,試樣在彈性變形階段所能承載的載荷增加,從而使得試樣的彈性模量增大,抵抗破壞的能力增強(qiáng)。

圖3 UHTCC修復(fù)材料試樣的彈性模量對(duì)比柱狀圖

2.4 抗?jié)B性

采用電通量法進(jìn)行混凝土抗氯離子滲透性評(píng)價(jià),電通量越小,說(shuō)明材料的抗?jié)B能力越優(yōu)異。如圖4所示為養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)試樣的電通量,分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),與基準(zhǔn)組K0(未添加環(huán)氧乳液)試樣相比,在添加環(huán)氧乳液后試樣的電通量下降明顯,這說(shuō)明環(huán)氧乳液的添加增強(qiáng)了UHTCC修復(fù)材料的抗?jié)B性能。主要是由于隨著環(huán)氧乳液的添加,UHTCC修復(fù)材料體系中的有機(jī)-無(wú)機(jī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)以及乳液形成的膜結(jié)構(gòu)降低了內(nèi)部水分的蒸發(fā),抑制了部分有害毛細(xì)孔的產(chǎn)生,從而減少了氯離子在材料內(nèi)部的遷移通道,增強(qiáng)了材料抗氯離子滲透的能力。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)添加三種環(huán)氧乳液試樣的電通量相差較小,表明三種環(huán)氧乳液的作用效果相當(dāng)。增加Ⅲ型環(huán)氧乳液的摻量,發(fā)現(xiàn)K4、K5、K6以及K7試樣的電通量在141 C左右,并無(wú)明顯的變化趨勢(shì),這表明在6%摻量范圍內(nèi),增加Ⅲ型環(huán)氧乳液的摻量對(duì)試樣的抗氯離子滲透性能影響較小。

圖4 UHTCC修復(fù)材料試樣的電通量對(duì)比柱狀圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)添加環(huán)氧乳液對(duì)UHTCC性能影響的系列研究,得到以下結(jié)論:

(1)不同類型的環(huán)氧乳液對(duì)UHTCC性能的影響存在差異,2%摻量的Ⅰ型、Ⅱ型環(huán)氧乳液均可以提升UHTCC的工作性能,而Ⅲ型環(huán)氧乳液在摻量較高時(shí)才對(duì)UHTCC工作性能起到提升效果。

(2)在UHTCC中添加環(huán)氧乳液會(huì)引起其抗壓強(qiáng)度不同幅度的下降,但是可增強(qiáng)UHTCC的彈性模量,提高其抵抗外界荷載破壞的能力。同時(shí),適宜摻量的環(huán)氧乳液可以改善材料的抗氯離子滲透性能。

(3)選擇合適類型和摻量的環(huán)氧乳液會(huì)對(duì)UHTCC的力學(xué)性能以及耐久性能起到改善作用,可大大提升伸縮縫錨固區(qū)混凝土病害的修復(fù)效果,提升其運(yùn)營(yíng)期間的壽命。