周洪芝，羅仕剛，薛雪雪，魏瑩，姚淑芳，陸栩梁

（1.卡本科技集團(tuán)股份有限公司，天津 300385；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.建研院檢測(cè)中心有限公司，北京 100013；4.浙江交工高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 311101）

0 前言

預(yù)制節(jié)段拼接工藝是將橋梁的梁體劃分為若干節(jié)段箱粱，在制梁場(chǎng)預(yù)制后運(yùn)到橋位進(jìn)行組拼，通過施加預(yù)應(yīng)力將節(jié)段整體拼接成橋的施工工藝。由于節(jié)段箱梁已在制梁廠提前預(yù)制，這種新型的施工工藝具有施工簡單、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好、箱梁外觀質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)橋梁工業(yè)化進(jìn)程中被廣泛應(yīng)用[1-4]。

預(yù)制節(jié)段拼接工藝中，接縫的處理是施工的重點(diǎn)。按接縫處理方式的不同，分為以下3種：干接縫、濕接縫和膠接縫。干接縫由于不能為后張預(yù)應(yīng)力筋提供有效的防護(hù)而被禁止使用；濕接縫是指在箱梁之間預(yù)留間隙，重新澆筑混凝土的接縫處理方式；膠接縫是指在2個(gè)相鄰箱梁之間涂抹環(huán)氧膠粘劑，施加預(yù)應(yīng)力，待膠粘劑固化后，形成統(tǒng)一整體的接縫處理方式。相比于濕接縫，膠接縫處理方式具有施工簡單，等待周期短，對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)，而且膠接縫采用的環(huán)氧膠粘劑具有優(yōu)異的本體強(qiáng)度以及粘結(jié)能力，使得膠接縫在預(yù)制節(jié)段拼裝工藝中被大范圍使用[5-9]。

應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼裝的環(huán)氧類膠粘劑（以下簡稱預(yù)制節(jié)段拼接膠），在節(jié)段施工中，填充拼接縫，密封防水，防止預(yù)應(yīng)力索銹蝕，保證箱梁整體良好的防滲水性能[10-12]。預(yù)制節(jié)段拼接膠是節(jié)段接縫處理的關(guān)鍵粘結(jié)密封材料，其性能的可靠性直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。預(yù)制節(jié)段拼接膠按適用施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，溫度范圍分別對(duì)應(yīng)5～20、15～30、25～40℃。2020年3月，國內(nèi)首部關(guān)于預(yù)制節(jié)段拼接膠的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10080—2020《預(yù)制節(jié)段拼裝用環(huán)氧膠粘劑》發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)明確了預(yù)制節(jié)段拼接膠的分類及標(biāo)記，規(guī)范了預(yù)制節(jié)段拼接膠的檢驗(yàn)規(guī)則及材料性能指標(biāo)[13-14]。在預(yù)制節(jié)段拼接膠配方設(shè)計(jì)中，固化體系一直是膠粘劑配方設(shè)計(jì)的核心，直接決定膠粘劑的性能。為此，依據(jù)T/CECS 10080—2020，通過研究不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠工藝性能、粘結(jié)性能的影響，確定了滿足3種不同應(yīng)用溫度范圍要求的固化體系。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：CYD-128，工業(yè)級(jí)，中國石油化工股份有限公司巴陵分公司；改性脂肪胺固化劑G1、改性脂環(huán)胺固化劑G2、改性聚酰胺固化劑G3、改性芳香胺固化劑G4：工業(yè)級(jí)，市售；觸變劑：疏水型氣相二氧化硅，H-18，工業(yè)級(jí)，上海外電國際貿(mào)易有限公司；硅微粉：DG400，工業(yè)級(jí)，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司；稀釋劑：1，4-丁二醇二縮水甘油醚，622，工業(yè)級(jí)，安徽新遠(yuǎn)科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH560，工業(yè)級(jí)，湖北新藍(lán)天新材料股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

雙行星動(dòng)力混合機(jī)：5 L，佛山市金銀河智能裝備股份有限公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)：UTM5105SLXY，深圳三思縱橫科技股份有限公司；電子秤：YP3001N，上海力辰儀器科技有限公司；恒溫恒濕箱：HWS-70BX，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 制備方法

1.3.1 預(yù)制節(jié)段拼接膠A組份的制備

按表1配方，將環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、KH-560加入雙行星動(dòng)力混合機(jī)中，常溫常壓下低速攪拌分散10 min；再加入相應(yīng)數(shù)量的觸變劑，中速攪拌分散30 min；然后再加入相應(yīng)數(shù)量的硅微粉，低速攪拌分散10 min；抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30 min，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠A組份。

表1 A組份的配方

1.3.2 預(yù)制節(jié)段拼接膠B組份的制備

胺類固化劑采用復(fù)配方式，不同固化體系的復(fù)配方案見表2。按表3配方，將胺類固化劑加入雙行星攪拌釜中，加入觸變劑，中速攪拌分散30 min；然后加入相應(yīng)數(shù)量的硅微粉，低速攪拌分散10 min；抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30 min，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠B組份。

表2 不同胺類固化劑及其復(fù)配方案

1.3.3 預(yù)制節(jié)段拼接膠的制備

將制備好的A組份和B組份按相應(yīng)的質(zhì)量比攪拌混合均勻，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 粘結(jié)性能測(cè)試

混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.3進(jìn)行測(cè)試；混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.4進(jìn)行測(cè)試；鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度：按照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 工藝性能測(cè)試

可施膠時(shí)間：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.2進(jìn)行測(cè)試；可粘接時(shí)間：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.3進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能的影響

預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能是指以預(yù)制節(jié)段拼接膠為粘結(jié)材料膠結(jié)2個(gè)尺寸相同的混凝土試塊，養(yǎng)護(hù)到期后，試件四點(diǎn)彎曲受壓，觀察試件的破壞形式，以此模擬測(cè)試預(yù)制節(jié)段拼接膠對(duì)兩節(jié)段的膠結(jié)效果。T/CECS 10080—2020規(guī)定，預(yù)制節(jié)段拼接膠的對(duì)粘彎曲性能測(cè)試的破壞形式應(yīng)為混凝土內(nèi)聚破壞。

經(jīng)測(cè)試，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能測(cè)試的試件破壞形式均為混凝土內(nèi)聚破壞。表明預(yù)制節(jié)段拼接膠對(duì)混凝土具有可靠的膠結(jié)效果。這是由于上述預(yù)制節(jié)段拼接膠是環(huán)氧類膠粘劑，是以環(huán)氧樹脂胺類固化劑為膠凝材料的新型加固材料，相比于混凝土這種以水泥為膠凝材料的傳統(tǒng)建筑材料，其自身粘結(jié)能力更高。正拉粘結(jié)測(cè)試結(jié)果表明，常見的混凝土本體正拉粘結(jié)強(qiáng)度在1.0～5.0 MPa，而預(yù)制節(jié)段拼接膠的本體正拉粘結(jié)強(qiáng)度均在15 MPa以上，預(yù)制節(jié)段拼接膠的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土。因此，以預(yù)制節(jié)段拼接膠為粘接材料膠接2個(gè)混凝土試塊，四點(diǎn)彎曲受壓時(shí)，破壞均發(fā)生在混凝土內(nèi)部，這也證明了在預(yù)制節(jié)段施工時(shí)，采用膠接縫的接縫處理形式具有明顯的可靠性。

2.2 不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度的影響

對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝構(gòu)件整體進(jìn)行受力分析，箱梁-預(yù)制節(jié)段拼接膠-箱梁在接縫處受到壓縮剪切應(yīng)力作用，T/CECS 10080—2020規(guī)定，預(yù)制節(jié)段拼接膠的混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于14 MPa。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制備不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠壓縮剪切膠結(jié)試件，測(cè)試膠結(jié)試件的壓縮剪切強(qiáng)度，研究預(yù)制節(jié)段拼接膠的膠結(jié)效果，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度

由表4可見，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度均大于14 MPa，均符合T/CECS 10080—2020規(guī)定的壓縮剪切強(qiáng)度要求。這也進(jìn)一步說明采用膠拼工藝的可靠性。

2.3 不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度的影響

以上所進(jìn)行的預(yù)制節(jié)段拼接膠粘結(jié)性能研究，無論是預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能測(cè)試，還是預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度測(cè)試，破壞形式均發(fā)生在混凝土內(nèi)部，均表明了預(yù)制節(jié)段膠拼方式的可靠性。為進(jìn)一步測(cè)試預(yù)制節(jié)段拼接膠的本體粘結(jié)強(qiáng)度，評(píng)價(jià)不同固化體系粘結(jié)效果的優(yōu)劣，依據(jù)GB/T 7124—2008制作鋼片單搭接膠接試件，測(cè)試膠粘劑鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度。不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠的鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度

T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)制節(jié)段拼接膠的鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于17 MPa。由表5可知，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠拉伸剪切強(qiáng)度均大于17 MPa，均符合T/CECS 10080—2020的要求。

由表4和表5可知，雖然以上配方體系的壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度均符合T/CECS 10080—2020的要求，但不同固化體系的粘結(jié)強(qiáng)度還是有著明顯的差別，而且不同固化體系的壓縮剪切強(qiáng)度和拉伸抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)有著相同的變化趨勢(shì)，整體粘結(jié)效果為：G3（改性聚酰胺）＞G1（改性脂肪胺）＞G2（改性脂環(huán)胺）＞G4（改性芳香胺）。這是因?yàn)椋篏1為改性脂肪胺固化劑，分子中含有脂肪族長鏈，具有較好的柔順性，采用G1固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，具有較好的韌性，進(jìn)行粘結(jié)能力測(cè)試時(shí)，表現(xiàn)出較好的壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度；G2為改性脂環(huán)胺固化劑，分子中含有環(huán)結(jié)構(gòu)，具有一定的剛性，采用G2固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料雖然具有較高的強(qiáng)度，但由于材料自身剛性較大，在進(jìn)行粘結(jié)能力測(cè)試時(shí)，壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度相比于G1固化體系要低。G3為聚酰胺固化劑，分子中存在酰胺基團(tuán)，具有較好的潤濕性以及柔順性，采用G3固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料具有較好的韌性以及粘附力，在進(jìn)行粘結(jié)性測(cè)試時(shí)，壓縮剪切強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度表現(xiàn)最好。G4為改性芳香胺固化劑，分子中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，具有較大的剛性，采用G4固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料自身剛性較大且固化不完全，在進(jìn)行粘結(jié)能力測(cè)試時(shí)，壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸剪切強(qiáng)度相對(duì)較低。當(dāng)單一的固化體系無法兼顧多方面性能時(shí)，可以采用固化劑復(fù)配的方式，達(dá)到需要的性能目標(biāo)。

2.4 不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠可施膠時(shí)間的影響

預(yù)制節(jié)段拼接膠大多在戶外施工，為保證施工的正常開展，需了解材料在特定溫度范圍內(nèi)的工藝性能，為施工提供可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)?？墒┠z時(shí)間和可粘接時(shí)間是預(yù)制節(jié)段拼接膠重要的工藝性能?？墒┠z時(shí)間是指在溫度段上限溫度下拌制預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體在特定容器內(nèi)升溫到規(guī)定溫度的時(shí)間，Ⅰ型和Ⅱ型需升溫到40℃，Ⅲ型升溫到60℃。T/CECS 10080—2020規(guī)定，用于預(yù)制節(jié)段拼裝施工的環(huán)氧膠粘劑，應(yīng)具有不低于20 min的可施膠時(shí)間。不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠在不同溫度段的可施膠時(shí)間測(cè)試結(jié)果見6。

表6 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠在不同溫度段的可施膠時(shí)間

由表6可見：在5～20℃溫度段，1#、5#、6#、7#固化體系可以滿足可施膠時(shí)間大于20 min的要求；在15～30℃溫度段，2#、7#固化體系可以滿足可施膠時(shí)間大于20 min的要求；在25～40℃溫度段，2#、8#、9#固化體系可以滿足可施膠時(shí)間大于20 min的要求。

這是因?yàn)椋海?）G1為改性脂肪胺固化劑，含有多官能度的胺基，由于是長鏈脂肪胺，空間位阻低，所以G1反應(yīng)活性很高，固化速度快，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體放熱迅速，測(cè)試的可施膠時(shí)間短。（2）G2為改性脂環(huán)胺固化劑，分子中由于脂環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，反應(yīng)活性比脂肪胺低，所以G2反應(yīng)活性比G1低，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，測(cè)試可施膠時(shí)間比G1長。（3）G3為聚酰胺固化劑，固化劑中由于—CONH—的存在，H原子的反應(yīng)活性較低，固化速度較慢，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體發(fā)熱滿且放熱少，測(cè)試可施膠時(shí)間長。（4）G4為改性芳香胺固化劑，由于分子中存在的苯環(huán)共軛效應(yīng)以及苯環(huán)空間位阻效應(yīng)，導(dǎo)致改性芳香胺的反應(yīng)活性明顯比脂肪胺小，也正是由于反應(yīng)活性的明顯降低，在常溫下，改性芳香胺大多反應(yīng)不完全[15]，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體放熱慢，可施膠時(shí)間很長。

2.5 不同固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠可粘接時(shí)間的影響

可粘接時(shí)間是指預(yù)制節(jié)段拼接膠在溫度段上限溫度下，被涂抹到混凝土試件上，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，晾置一定時(shí)間后，將混凝土試件兩兩對(duì)接，進(jìn)行混凝土對(duì)混凝土對(duì)粘彎曲性能試驗(yàn)，破壞形式發(fā)生在混凝土內(nèi)部的的最長晾置時(shí)間。T/CECS 10080—2020規(guī)定，用于預(yù)制節(jié)段拼裝施工的環(huán)氧膠粘劑，應(yīng)具有不低于60 min的可粘接時(shí)間。優(yōu)選2.4中可施膠時(shí)間符合T/CECS 10080—2020要求的固化體系進(jìn)行可粘接時(shí)間測(cè)試，結(jié)果見表7。

由表6和表7可知，固化體系對(duì)預(yù)制節(jié)段拼接膠可施膠時(shí)間以及可粘接時(shí)間的影響是相同的，這是因?yàn)?，無論是可施膠時(shí)間還是可粘接時(shí)間，其內(nèi)在決定因素均是預(yù)制節(jié)段拼接膠環(huán)氧固化體系的反應(yīng)活性，可施膠時(shí)間測(cè)試為拌好的預(yù)制節(jié)段拼接膠可放置時(shí)間提供數(shù)據(jù)，可粘接時(shí)間測(cè)試為涂抹到節(jié)段箱梁上的預(yù)制節(jié)段拼接膠可等待時(shí)間提供數(shù)據(jù)，二者均體現(xiàn)了預(yù)制節(jié)段拼接膠的工藝性能，在實(shí)際工程施工中均具有重要意義。

當(dāng)采用單一類型的固化劑，其工藝性能（可施膠時(shí)間或可粘接時(shí)間）無法滿足T/CECS 10080—2020要求時(shí)，可以采用“快+慢”的固化劑復(fù)配方式，調(diào)節(jié)其固化速度，使其工藝性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表4～表7可知，5～20℃時(shí)，6#配方（50份G1+50份G3）固化體系的粘結(jié)性能最佳；15～30℃時(shí)，2#配方（100份G2）固化體系的粘結(jié)性能最佳；25～40℃時(shí)，8#配方（50份G2+50份G3）固化體系的粘結(jié)性能最佳。

3 結(jié)論

（1）采用不同固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠進(jìn)行粘接性能測(cè)試表明，其混凝土與混凝土對(duì)粘彎曲性能、混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度、鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度均符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）不同固化體系的粘接性雖然均滿足T/CECS 10080—2020要求，但其粘結(jié)性能存在明顯差異，粘結(jié)性能排序?yàn)椋篏3＞G1＞G2＞G4。

（3）在5～20℃溫度段，采用100份G1、50份G1+50份G2、50份G1+50份G3、50份G1+50份G4固化體系時(shí)，預(yù)制節(jié)段拼接膠的可施膠時(shí)間、可粘接時(shí)間符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求；在15～30℃溫度段，采用100份G2、50份G1+50份G4固化體系時(shí)，可施膠時(shí)間、可粘接時(shí)間符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求；在25～40℃溫度段，采用100份G2、50份G2+50份G3、50份G2+50份G4固化體系時(shí)，施膠時(shí)間、可粘接時(shí)間滿足T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）在5～20℃溫度，50份G1+50份G3復(fù)配固化體系的整體性能最佳；在15～30℃溫度段，100份G2的整體性能最佳；在25～40℃溫度段，50份G2+50份G3復(fù)配固化體系的整體性能最佳。