1、铰缝修复用环氧类材料与传统水泥基修复料的抗剪强度性能对比研究 樊卿卿 袁桂芳 李雪峰 许晋峰 上海公路桥梁(集团)有限公司 上海中测行工程检测咨询有限公司 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司 呼和浩特市公路管理局 摘 要： 铰缝注胶加固的主要目的是通过胶水恢复铰缝内混凝土与板梁铰缝之间的黏结, 进而有效恢复桥梁结构的整体性, 达到共同抗剪。然而目前铰缝加固用环氧树脂胶水性能参差不齐, 特别是灌注胶与混凝土的抗剪强度尚不明确。环氧类材料与传统的水泥基快速铰缝修复料的抗剪强度优势如何也缺乏数据比较。为解决上述问题, 选用水泥基高强纤维修复料和几种环氧类修复胶剂, 通过铰缝试件试验室直剪试验
2、的方法, 证实环氧类材料相比于传统水泥基材料, 有效提高铰缝抗剪性能, 并且为下一步工艺梁和现场实桥试验奠定基础。关键词： 铰缝; 加固; 环氧树脂; 抗剪强度; 相对位移; 作者简介：樊卿卿 (1988) , 男, 工程师, 本科, 主要从事市政道桥施工。收稿日期：2017-07-26Contrastive Study on Shear Strength Properties of Hinge Joints Reinforced with Epoxy Resin Materials Shanghai Zhongcehang Engineering Checking Consulting Co
3、., Ltd.; Shanghai Urban Construction Design Hohhot Highway Administration Bureau; Abstract： The gel injection for hinge joints is an effective reinforcementmethod to restore the connection between the concrete and the plate girder inthe joint to strengthen the integrality and shear strength of the w
4、hole bridge. However, the properties of the epoxy glue commonly used for the gel injectionare difficult to be unified, especially without the specific values of shearstrength of the corresponding glue and concrete. Moreover, the detailedcomparisons between the shearstrengths of the epoxy and convent
5、ionalcementbased repair materials for hinge joints havent been investigatedquantitatively. To address these problems, this paper conducts the laboratorialdirect shear tests on the hinge joint specimens reinforced with thehigh-strength cement-based fiber repair materials and several types of epoxyglu
6、e. The experimental results indicate that the epoxy glue can improve theshear strength of hinge joints more evidently than the conventionalcement-based materials, laying the foundation for the future researchconcerning the field tests of girders and bridges.Keyword： hinge joints; strengthening; epox
7、y resin; shear strength; relative displacement; Received： 2017-07-26对于简支装配式铰接板梁结构, 铰缝是实现板梁之间横向联结的凭借, 要使铰接空心板桥在车辆荷载作用下能够整体受力, 铰缝必须横向传递剪力。虽然在设计铰缝时, 假设工作状态是混凝土处于剪力和横向弯矩共同作用, 但已有研究文献和实桥荷载试验表明, 在车辆荷载作用下以受剪为主1。因此, 铰缝的工作性能取决于铰缝的抗剪性能。一旦铰缝受到破坏, 桥梁横向分布、整体受力性能将受到严重影响, 甚至形成不利的单板受力状态, 因此维修铰缝的主要目的是增强铰缝传递横向剪力能力2。针
8、对铰缝破坏维修, 传统的凿除重做、粘贴钢板、剪力钢筋等方法存在工期长、工艺复杂、对交通影响大等弊端。近年来逐步出现一种化学灌浆加固铰缝的方法梁底注胶铰缝加固。这种加固方法的特点在于:可以在不影响上部交通通行的情况下, 在梁底通过专用设备将修复材料 (主要是环氧类修复胶) 灌入铰缝缝隙及梁板之间, 恢复两侧混凝土之间的粘结, 增加铰缝混凝土与梁体之间黏结力、板梁抗剪面积, 进而有效恢复桥梁结构的整体性3。目前, 铰缝加固用环氧树脂胶水性能参差不齐, 特别是环氧类修复胶对增强混凝土之间的抗剪强度性能尚缺乏数据支撑。为充分了解梁底注胶方式对增强铰缝混凝土抗剪性能的效果, 必须进行室内模型试验。本次结
9、合已有研究成果, 在已知铰缝剪力的基础上, 以上海地区最为常见的浅铰铰缝混凝土的试件为基准, 再制作模拟研究铰缝病害修复后的对比试件。在相同加载条件下, 通过不同修复材料修复后的剪切试验观测抗剪强度和开裂情况, 对比环氧材料与常规材料, 以及不同类别环氧材料对提升铰缝的抗剪性能影响。1 试验设计1.1 试验目的本次拟对铰缝养护修复中常用的 C50 高强纤维修复料, 以及某厂家EP3、EP10、EP30 3 种环氧树脂修复胶修复、铰缝的性能进行研究。通过在试验室进行不同修复材料加固后的铰缝直剪破坏试验, 比较破坏剪力值、两侧铰缝相对位移差最大值、破坏形式 3 个指标, 进而比较材料性能, 为下一
10、步施工工艺试验提供材料选择依据。1.2 试件设计说明1) 试件尺寸。试验的试件参考上海 S20 外环高架桥梁预应力混凝土空心板浅铰铰缝构造 (见图 1) , 这种类型的铰缝在以往大修施工中发现比较薄弱、且屡修屡坏。为模拟空心板梁浅铰铰缝的实际受力情况, 铰缝混凝土抗剪试件分为:1 个混凝土中间块, 2 个混凝土侧边块, 中间 2 个铰缝 (见图 2) 。试件厚度为200 mm, 两侧边块与中间块间下部空隙为 15 mm。为不使混凝土块先于铰缝破坏, 混凝土块通过配筋进行加强。图 1 S20 外环高架铰缝 下载原图图 2 试件构造 下载原图2) 试件的混凝土材料。试件中间块和侧边块模拟外环高速混
11、凝土梁体状态, 采用普通混凝土, 抗压强度为 40 MPa。3) 试件数量。本次试验混凝土铰缝抗剪分 3 次试验, 每次试验试件各 9 组, 共 27 组试件。其中第 2 阶段的试件仍利用第一阶段试验后的 A1A9 试件, 重新编号为 A1A9, 分阶段及检测内容见表 1。表 1 铰缝试验分阶段设计 下载原表 1.3 试件制作及分组1) 第 1 阶段。A1A9 每组铰缝试件由 3 片试块组成, 1 片中板 2 片边板, 板缝宽度 1.5 cm, 3 片构件之间的铰缝及板缝内灌注 C50 高强纤维修复料, 选用铰缝快速修复常用的修复料, 材料 1 h 强度可达 20 MPa、1 d 强度 35
12、MPa、3 d强度即可达到 60 MPa。修复料采用人工搅拌, 水灰比 0.13, 修复料搅拌时间一般为 12 min, 一次性浇筑。2) 第 2 阶段。仍利用第一阶段的 A1A9 试件, 重新编号为 A1A9, 模拟铰缝受损后混凝土破碎的状态, 将铰缝内填筑料人工破碎, 最大粒径 25 mm, 再采用 EP3、EP10、EP30 3 种环氧树脂修复胶拌合原填筑料回填入铰缝及板缝中, 3 种修复胶的 A、B 组分配比分别为 11、21、11 (体积比) , 每条铰缝及板缝用胶约 1.65 L。修复后采取自然养护, 5 d 后拆模。3) 第 3 阶段。试块加固修复施工方法:将 B1B9 每组铰缝
13、试件的 3 片构件分别用 EP3、EP10、EP30 3 种环氧树脂修复胶进行粘接, 3 种修复胶的 A、B 组分配比分别为 11、21、11 (体积比) , 每组试件计算用胶量 6.3 L, 实际用胶量约 7 L (模板间存在渗漏) 。粘接之后自然养护, 3 d 后拆模, 再自然养护5 d。1.4 试验加载方法本次试验加载设计是利用压力试验仪 (型号:YA-3000, 量程 3 000 k N, 精度0.1 k N) 对混凝土铰缝设计的中间块施加直接荷载 (见图 3) 。按照图 3 的试验加载方法, 在集中力 F 的作用下, 铰缝内产生剪力 (沿高度方向) , 通过施加加载力 F, 直至试件
14、破坏。同时利用百分表 (量程 50 mm, 精度 0.01 mm) 测量 3 点的位移。构件试验加载示意图及加载准备状态见图 3、图 4。图 3 直接受剪试验加载示意图 下载原图图 4 试验加载图 下载原图2 铰缝剪力值试验结果2.1 构件破坏剪力值本次试验对构件 A1A9、A1A9、B1B9 等 3 批次共 27 个构件进行压力破坏试验, 正式加载时荷载为 10 k N、20 k N, 往后加载均为每级增加 5 k N 递增加载, 直至试件破坏。每级加载完后, 记录百分表读数, 将破坏前一级的压力值作为构件剪力极值。加载破坏后还需观察记录试件的破坏形式, 试验过程见图5、图 6 及图 7。图
15、 5 破坏正面照图 下载原图图 6 破坏断面照图 下载原图图 7 剪力值数据汇总图 下载原图注:测试时, A1A3、B1B3 为 EP3 环氧树脂, 该材料固化后仍呈流淌状态, 未进行测试, 故认为抗剪强度为 02.2 加固料铰缝相对位移值各构件铰缝处相对位移差见图 8。图 8 相对位移差汇总图 下载原图各构件抗剪强度数据及相对位移最大值统计分析数据见表 2。表 2 抗剪强度数据及相对位移最大值统计分析表 下载原表 3 数据分析采用 C50 高强纤维修复料加固铰缝, 破坏前一级剪力值 2060 k N, 其剪力破坏值不高;且 A1A9 构件在破坏前一级的位移值未发生较大突变, 铰缝破坏属于脆性
16、破坏。主要由于铰缝内部未布设钢筋, 铰缝内部材料受竖向剪力作用发生剪切破坏, 破坏面均为预制试块与铰缝黏结材料结合面。3.1 掺骨料的加固胶研究1) 将铰缝内的骨料掺拌环氧胶修复后, 抗剪强度平均值为 106 k N, 比前一组试件提高 135%以上。试件破坏面多数出现在非加固料修复侧破坏, 说明利用加固胶掺加骨料之后与铰缝黏结强度大幅提高。2) 第二组加固之后的试件, 产生相对位移差比采用 C50 高强纤维修复料加固的试件明显提高。且构件在破坏前位移值呈线性增长, 直到铰缝破坏前未发生明显突变, 说明铰缝试件出现较好的延展性。3.2 纯胶加固料试验研究1) 在 B1B9 试件中, B1B3
17、为 EP3 环氧树脂, 但该型号的环氧树脂最终未能固化, 仍处于流淌状态, 因此认为不适合用于铰缝加固。2) 在 B4B9 试件中, 纯环氧加固料在剪力作用下, 产生抗剪强度最大值和试件左右侧相对位移差均比前 2 次试验进一步提高, 其中抗剪强度平均值为 131 k N, 比水泥基灌浆料试件提高 191%以上;相对位移差平均值 1.88 mm, 说明铰缝试件具有较好的延展性。在破坏的试件中, 均为中间试块混凝土破坏, 加固胶并未发生破坏, 其抗剪强度、与试块的粘结强度均较强。3) 在 B4B9 试件中, 其中 B4B6 为 EP10、B7B9 为 EP30。由抗剪强度最大值数据及相对位移值数据
18、可以看出:无论是强度, 还是延展性, EP30 比 EP10 更有优势, 且纯 EP10 加固料修复的铰缝顶部均发生开裂现象, 主要原因为结构胶固化过程中的水化热过大导致。因此纯 EP10 加固料应用于大面积灌缝的可行性还有待研究。4 结语1) 水泥基修复料加固的 A1A9 试件在破坏前未发生明显位移, 因此试件属于脆性破坏, 说明传统用于修复铰缝的水泥基高强修复料。由于材料本身的脆性属性, 在用于铰缝加固后导致板梁横向刚性连接。而这种材料对于提升混凝土黏结强度有限, 铰缝修复后的耐久性不佳, 往往会造成“屡修屡坏”的情况。2) 环氧类的 EP10、EP30 在 2 次修复试验中, 均表现出强
19、度高、与铰缝界面黏结强度高、延展性好等性能, 相比常规的水泥基高强修复料, 可大幅提高铰缝两侧板梁的横向连接性能。3) 对比 EP10 与 EP30 2 种环氧类材料, EP10 修复的铰缝顶部均发生开裂现象, 是由于结构胶固化过程中水化热过大导致。而 EP30 性状稳定, 胶体密实饱满。这说明用于铰缝修复的环氧类胶剂, 在对比强度、延展性等参数的同时, 还应重视环氧胶剂的固化时间、水化热反应程度、耐久性等因素, 避免因材料固化过程中产生裂缝。综合本次试验, 证实环氧类胶剂在铰缝修复方面, 比传统水泥基材料具有明显优势。因此在后续铰缝修复时, 考虑采用 EP30 作为主要材料灌胶加固修复铰缝, 并在试验梁试验和实桥加固前后检测, 对施工工艺作进一步改进和验证。参考文献1俞博.装配式混凝土空心板梁桥整体化加固的试验研究D.南京:东南大学, 2011. 2温建伟.装配式空心板桥典型病害分析与处理J.铁路工程造价管理, 2006, 04 (1) :3-4. 3房涛.化学灌浆在简支板梁桥铰缝加固中的应用研究J.公路交通科技:应用技术版, 2007 (09) :93.
