桥面伸缩缝水泥混凝土带预防性养护材料的研发与应用
时间：2023-03-04 15:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
王福浩
(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)
在季冻区，桥面伸缩缝的混凝土带由于受盐腐蚀等原因影响，常出现脱皮、漏石、破损等病害，目前，桥面伸缩缝混凝土多通过配合比设计提高抗盐腐蚀性能，但是从实际使用效果来看，伸缩缝的脱层、漏石等病害仍时有发生。典型病害情况如图1所示。随着病害情况的逐渐加重，伸缩缝处的行车舒适性将会受到严重影响，甚至会带来安全隐患，因此，病害到一定程度，不得不进行凿除、重设[1]，维修过程必然会影响交通，并带来巨大的人力与物力的消耗。
图1 新鲁高速民主公公分离式立交桥伸缩缝混凝土带起皮、开裂
如果采用一定的预防性养护技术，提前对伸缩缝混凝土带进行防护，避免盐腐蚀病害的发生，将会产生巨大的社会、环境以及经济效益。
从桥面伸缩缝混凝土带的盐腐蚀机理出发，以乳化沥青、1.18mm以下机制砂为主材，采用丙烯酸树脂等材料进行增粘增韧改性，制备了一种稀浆混合料，开展了复合乳化改性沥青的性能试验，并开展了现场实验、进行了后期跟踪观测。研究成果可以为桥面伸缩缝混凝土带抗盐腐蚀的预防性养护提供一定的借鉴。
混凝土的盐腐蚀主要有氯离子盐腐蚀与硫酸盐盐腐蚀两种形式[2-4]。氯离子能够轻易渗透进混凝土中，主要通过扩散、毛孔吸收和渗透三种方式。氯离子在进入到混凝土中后，首先是氯离子会和水泥中的硫铝酸钙水合物反应生成十水合氯铝酸钙化合物；
其次是混凝土中的部分材料吸附性较强，氯离子在渗入之后直接被其中的水化产物所吸附；
最后是游离态的氯离子浓度不断增加，直至某一个临界点时，混凝土材料中就会出现氯盐腐蚀。氯离子及其反应产物的存在，增大了混凝土材料的体积，从而造成混凝土产生内部应力，最终导致微细观的崩解，宏观则表现为脱层。而对于硫酸盐腐蚀，目前，无论是沿海地区还是西部地区，往往混凝土腐蚀的另一个原因就是硫酸盐腐蚀。硫酸盐的来源非常广泛，比如盐渍地下含有大量的硫酸盐，大部分施肥的土壤中及频繁燃烧富含硫元素燃料导致空气中弥漫的硫酸盐，这些使得硫酸盐可以轻易地渗透进混凝土建筑物中。混凝土中的硫酸盐腐蚀主要来源于硫酸盐在混凝土内部的化学反应和物理反应的产物。硫酸盐会与混凝土材料中的一些成分发生中和反应，生成部分钙盐，在反应产物中会存在较多的结晶水，而且混凝土中含有氢氧化钙，当空气中的二氧化碳进入混凝土中时，会反应生成碳酸钙。由于碳酸钙偏弱碱性，造成混凝土中的碱性不断降低，因此，最终导致钝化膜的腐蚀。物理反应主要是因一些反应产物存在较长时间后，会出现体积增大的情况，从而使得混凝土结构产生内部应力而破坏。目前硫酸盐腐蚀的类别主要是钙矾石型和碳硫硅酸钙型，这种腐蚀物的损坏效果具有很大的区别，其中钙矾石型会导致混凝土材料体积的增大，长此以往造成整个混凝土结构的扩张和开裂，使得建筑物往往出现较大裂缝；
而碳硫硅酸钙型的破坏效果不如前者那么明显，常常很难用肉眼观察出来，并且破坏周期较长，但是一旦达到一定程度，很可能直接造成混凝土结构的直接分解。
设计的主要思路是，设计一种耐盐腐蚀的稀浆类涂料，黏附于伸缩缝的混凝土带，将“盐”与混凝土隔绝，从而达到防盐腐蚀的目的。由于伸缩缝混凝土带是一种水硬性材料，因此不能完全粘附，必须采用一种流动性强，能浸润到表面的材料，乳化沥青的渗透性较强，但是其高温稳定性较差，高分子聚合物乳液也具有良好的渗透性、粘附性，但是其成本较高，且固化后硬度较高，在车辆荷载的作用下容易碎裂。因此，材料的设计思路是，通过适当的比例混合，制备一种兼顾二者性能的材料，并且能够耐氯盐、硫酸盐腐蚀，即可以形成耐盐腐蚀的保护层，减缓或者防止伸缩缝混凝土带的盐腐蚀发生。总体方案是采用改性乳化沥青乳液作为基液，加入0～1.18mm机制砂作为骨料，并加入增粘高分子聚合物材料，提高材料的耐磨耗性，最终形成粘附力强、耐环境荷载能力强、高低温时均具有一定柔韧性同时耐磨耗性强的一种材料。
3.1 沥青选择
选择了三种沥青对材料性能进行了比较分析，分别是基质沥青、SBR改性沥青A、线型SBS改性沥青B。结果如表1所示。
表1 沥青试验结果
从表1中数据可以看出，改性沥青B软化点最高，高温稳定性最优，改性沥青A的低温性能较好，但是高温性能略显不足。基于以往的乳化沥青材料的耐久性不足考虑，从提高乳化沥青材料的高温稳定性出发，选择改性沥青B作为乳化沥青主材料。
对改性沥青B进行乳化，乳化沥青试验结果如表2所示。
表2 改性乳化沥青试验结果
试验结果表明，改性沥青储存稳定性良好、高低温性能良好。
3.2 乳化沥青增粘材料选择与性能试验
由于混凝土带强度较高，仅仅使用乳化沥青，粘附力差且高温稳定性难以满足，必须进行增粘改性。树脂类材料属于高分子材料，其优点是温度敏感性低，选择树脂类高分子作为增粘剂。现有的研究中，有使用两组分环氧树脂作为增粘材料的方案，这种方案是在乳化沥青中加入环氧树脂，施工前，加入特定类型的固化剂，两组分反应后，形成强度很大的胶结材料，借以提高乳化沥青的耐磨耗性及稳定性。两组分树脂虽然强度较高，但是固化剂加入后，两组分随即开始反应，留给施工组织的时间较少，一旦发生意外不能施工，材料需要迅速处理掉，否则将会堵塞设备，并且难于清理，施工组织难度较大，灵活性不足[5]。因此，选择了一种单组份丙烯酸树脂作为增粘剂，型号为AC-261P[6]。调整不同掺配比例，重点进行了60℃的拉拔试验,拉拔试验时，粘附基材为玄武岩石板，试验结果如表3所示。
表 3 不同AC-261P比例的拉拔强度
图2 增粘剂掺加比例与拉拔强度关系
从图2中趋势线来看，增粘剂比例小于18∶100时，强度增长缓慢，这是沥青占据主体的原因，当增粘剂比例大于18∶100时，强度增长速率加快，这表明，随着增粘剂比例的增加，增粘剂作用会越来越明显。为防止高温天气下养护材料被车轮粘走，调整多个配比，进一步进行高温粘轮性能验证，试验温度为60℃[7]，结果如表4。
表4 60℃高温稳定情况
从表4中试验结果来看，当丙烯酸树脂乳液的比例大于18%时，即可获得良好的不粘轮效果。为确保现场使用效果，选择比例为50%。为检验其抗冻融及盐腐蚀性能，进一步开展盐水冻融循环试验。试验时在15℃条件下涂布，指干时间为20min，干燥时间为40min，冻融次数为50次，盐水浓度为0.9%，采用食用精盐配制，基材为水泥混凝土。试验后的情况如图3所示，观测结果表明，以稀浆材料进行防护的部分未出现任何脱离破损情况，表明设计的预防性养护稀浆材料耐盐水冻融性能良好，耐盐腐蚀效果良好。
图3 冻融50次之后的情况
4.1 施工工艺
(1)用吹风机或者硬笤帚将混凝土带表面清洁，无杂物、浮尘。并用小锤轻轻敲击，如果脱皮，则应将不牢固表皮清除。
(2)用滚刷在混凝土带上涂一薄层防护材料的乳化沥青基胶结料。
(3)在现场将预防性养护材料拌和均匀，然后使用抹子在混凝土带上抹一薄层，厚度在1.5mm以内。
(4)养生时间：气温低于15℃时，养生时间不少于4 h；
气温高于15℃时，养生时间不少于3 h。
(5)开放交通。开放交通前，再次检查养护材料是否干燥硬化完毕。
4.2 工程使用效果观测
为了进一步检验高性能防护材料的应用效果，先后在沈彰高速、丹锡高速、长深高速、沈大高速等共进行不同工艺、不同配方的四次试验。具体工程如表5所示。其中丹锡高速试验工程实施时间已经超过1年，经历了高温及低温的考验，现场观测，使用1年以后，养护材料无破损，如图4所示。
表5 四个试验工程的实施工艺与效果
图4 丹锡高速1年后
从现场试验与观测结果来看，添加机制砂的材料耐久性较好，而不添加机制砂的耐久性较差。这主要是因为添加机制砂后，不但增加了防护材料的厚度，而且车轮荷载主要由机制砂承担，大幅降低了车轮荷载对丙烯酸乳液改性乳化沥青的冲击磨耗。而乳液的拌和工艺对材料的耐久性影响不大，这主要是因为乳液进行了一次拌和，在与机制砂拌和时相当于又进行了一次拌和，因此人工拌和的工艺对性能影响不大。有条件时，应优先选择机械拌和方式，以进一步提高乳液的均匀程度。
基于桥面伸缩缝混凝土带盐腐蚀机理，设计了一种预防性养护材料，并开展了现场试验工程，得到一些初步结论。
(1)以丙烯酸树脂改性乳化沥青及0～1.18mm机制砂制备的稀浆材料具有良好的高温稳定性、耐磨耗性，施工工艺简单，可以实现对桥面伸缩缝混凝土带的有效防护。
(2)机制砂对稀浆料的耐磨耗性具有至关重要的影响，而丙烯酸改性乳化沥青的拌和工艺对稀浆料的性能影响不大。
(3)丙烯酸树脂掺加比例对乳化沥青性能影响较为关键，随着比例提高，高温粘结力逐渐提高，达到18%以上时，乳化沥青的高温粘结力快速提高，并且防粘轮效果明显，实际应用时，应根据交通荷载水平确定适宜比例。
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