黃忠財(cái)， 吳金華， 郭寅川*， 靳欣寬， 何子明， 丑濤， 魏鑫

(1. 廣西桂龍高速公路有限公司， 南寧 530000； 2. 長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064)

橋梁混凝土在環(huán)境溫濕度變化或設(shè)計(jì)施工不合理等非荷載因素作用下極易出現(xiàn)各類(lèi)早期裂縫[1-3]。進(jìn)入服役期后，這些裂縫在行車(chē)荷載、動(dòng)水沖刷及自然環(huán)境的交替甚至是耦合作用下進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)物宏觀破壞。特別是在中國(guó)部分濕熱地區(qū)，年降雨量大，各季節(jié)濕度變化大，橋梁常年經(jīng)受干濕循環(huán)、動(dòng)水沖刷，甚至鹽分侵蝕等環(huán)境及荷載綜合作用，導(dǎo)致橋面混凝土開(kāi)裂嚴(yán)重甚至反射至瀝青面層導(dǎo)致橋面病害發(fā)生；同時(shí)，水分及侵蝕性物質(zhì)將隨裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)，引起主梁配筋銹蝕、失穩(wěn)。因此提高橋梁混凝土抵抗開(kāi)裂的能力對(duì)提升濕熱地區(qū)橋梁混凝土安全性和耐久性至關(guān)重要。

為降低混凝土細(xì)觀裂縫對(duì)其宏觀性能帶來(lái)的不利影響，目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者大多采用摻入聚合物材料改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)的方法[4-6]，如將聚合物顆粒加入水泥漿中改善水泥漿體孔結(jié)構(gòu)[7]，將粗砂及細(xì)砂混合環(huán)氧樹(shù)脂作為黏合劑，憑借聚合物成膜填充孔隙，進(jìn)而提高混凝土致密性[8]，或直接加入丁苯乳液或羧基丁苯乳液使得混凝土大孔比例減少來(lái)提升混凝土致密性[9]。此外，加入苯丙乳液能夠生成聚合物膜存在于骨料與水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)薄弱處，從而抑制微裂縫的萌生及擴(kuò)展[10-11]。這些措施從一定程度上改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其宏觀性能有一定提高，但部分材料仍存在抗裂改善效果不佳、改性機(jī)理不明確和造價(jià)高等缺陷。

水性環(huán)氧樹(shù)脂作為一種高分子聚合物，因其特殊的分子鏈結(jié)構(gòu)和良好的成膜特性，將其按一定比例摻加到水泥基材料中，能夠很好地改善水泥基材料的微裂縫，提高抗?jié)B性及耐久性，且綠色環(huán)保，價(jià)格低廉。同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂可以抑制晶體生長(zhǎng)，在水泥基材料內(nèi)部形成連續(xù)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加水泥基材料柔韌性及致密性，且在水化過(guò)程中，網(wǎng)狀膜能使骨料和水泥漿體黏結(jié)更牢固[12-15]。此外，水性環(huán)氧樹(shù)脂還能提高水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和柔韌性[16]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土做了一些研究，但是這些研究大多集中在普通混凝土材料，缺少將其大規(guī)模應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中且沒(méi)有針對(duì)橋面板混凝土特殊的工作環(huán)境進(jìn)行深入研究，尤其是在濕熱-荷載雙重耦合作用下的研究還未見(jiàn)報(bào)道。同時(shí)在濕熱地區(qū)交通荷載作用下水性環(huán)氧樹(shù)脂橋梁混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)損傷研究還未提及。因此現(xiàn)以水性環(huán)氧樹(shù)脂改性橋梁混凝土為研究對(duì)象，對(duì)荷載-濕熱特殊條件下橋面板混凝土進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并與基準(zhǔn)組橋梁混凝土進(jìn)行對(duì)比研究，深入分析水性環(huán)氧樹(shù)脂改性橋面板混凝土細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律和損傷機(jī)理。研究成果可為濕熱地區(qū)提高橋面鋪裝混凝土性能、延長(zhǎng)橋面鋪裝混凝土使用壽命和提高其耐久性提供一種解決方法，并為在特殊濕熱地區(qū)選擇橋梁混凝土類(lèi)型及應(yīng)用提供一種參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

選用秦嶺牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗集料為花崗巖碎石，分為 4.75～9.5 mm及 9.5～19 mm 兩個(gè)級(jí)別，采用1∶4的比例摻配；細(xì)集料選用城固縣的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.72的中砂；減水劑采用山西黃河化工有限公司生產(chǎn)的HL-HPC3聚羧酸高性能減水劑；消泡劑采用江蘇南通晗泰化工廠(chǎng)生產(chǎn)的F111型消泡劑；水為西安市政飲用水；水性環(huán)氧樹(shù)脂采用山東臨沂瑞三化工生產(chǎn)的WE-8231型水性環(huán)氧樹(shù)脂，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 混凝土配合比

為比較水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)橋面板混凝土裂縫結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組混凝土配合比，如表2所示。根據(jù)課題組前期試驗(yàn)研究及對(duì)前人工作總結(jié)[4,17]，由表3可知，水性環(huán)氧樹(shù)脂選用3%、6%和9%作為外加劑摻入橋面混凝土中進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為3%時(shí)，其力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)(28 d抗壓強(qiáng)度為53.2 MPa，28 d抗彎拉強(qiáng)度為6.57 MPa)，基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別為52.1 MPa和5.19 MPa，因此水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量取膠凝材料總量的3%摻入。消泡劑摻量為水性環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量的0.5%。

表2 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性橋面板混凝土配合比

表3 C40-J和 C40-3%工作性能指標(biāo)及力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 耦合疲勞試驗(yàn)

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)，采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)成型100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進(jìn)行彎拉荷載疲勞試驗(yàn)，試件的養(yǎng)生齡期為90 d。加載方式為三分點(diǎn)正弦波加載，加載模式采用控制應(yīng)力模式，加載頻率10 Hz。為盡可能模擬橋面板混凝土在濕熱地區(qū)實(shí)際工作環(huán)境，高溫環(huán)境試驗(yàn)水平確定為40 ℃，濕度水平取70%，在疲勞加載完成后再把試件放置在可程式恒溫恒濕箱中7 d。一般交通荷載作用下的路面所受到的應(yīng)力水平范圍在0.2～0.65，研究表明[17]當(dāng)彎拉應(yīng)力低于50%抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，該應(yīng)力水平下混凝土的損傷較小，破壞周期較長(zhǎng)。若彎拉應(yīng)力高于80%抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，試件易過(guò)早發(fā)生斷裂，從而失去研究意義。為了探索橋面板混凝土在濕熱地區(qū)裂縫結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律和演化規(guī)律，本研究采用0.65應(yīng)力水平，疲勞加載0、3、6、9 萬(wàn)次。在9萬(wàn)次疲勞加載下，混凝土的裂縫長(zhǎng)度和裂縫面積密度達(dá)到最大(26.438 μm和2.92%)，因此當(dāng)荷載水平超過(guò)0.65，疲勞作用次數(shù)達(dá)到10萬(wàn)次以上時(shí)，混凝土試件易發(fā)生斷裂破壞。為充分反映橋面板混凝土的損傷過(guò)程，避免應(yīng)力過(guò)高試件發(fā)生斷裂，同時(shí)考慮水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土疲勞損傷過(guò)程的影響。

設(shè)計(jì)了分階段疲勞加載方案，最終選擇0.65荷載應(yīng)力水平。耦合方案如表4所示，將耦合作用分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)階段，每個(gè)階段都在前一步驟結(jié)束后累計(jì)進(jìn)行。同時(shí)為了研究水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)的影響，在單場(chǎng)及雙場(chǎng)兩種耦合情況下分別設(shè)計(jì)了水性環(huán)氧樹(shù)脂組和基準(zhǔn)組進(jìn)行對(duì)照，探討水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土裂縫結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的影響。

表4 耦合試驗(yàn)方案

1.3.2 混凝土細(xì)微觀裂縫結(jié)構(gòu)測(cè)試

在耦合疲勞試驗(yàn)各個(gè)作用階段完成后，采用切割機(jī)對(duì)水泥混凝土試件進(jìn)行切割取樣，考慮混凝土層位對(duì)裂縫結(jié)構(gòu)的影響，選擇分層取樣法，在混凝土試件跨中部位用切割機(jī)取出5 mm厚的試樣，對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光、用無(wú)水乙醇浸泡、烘干及噴金等處理后，對(duì)試樣上、中、下層三等分取樣，每個(gè)層位取5 mm×5 mm×5 mm大小的樣品，如圖1所示。采用JEOL JSM-6390A場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)樣品細(xì)觀裂縫進(jìn)行形貌表征，同時(shí)采用MATLAB軟件預(yù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土試件裂縫圖像的處理，以改善裂縫結(jié)構(gòu)圖像的質(zhì)量。其次借助Image-Pro Plus軟件對(duì)分割后的混凝土試件圖像進(jìn)行細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取，對(duì)裂縫面積密度、長(zhǎng)度、寬度及盒分形維數(shù)等裂縫特征參數(shù)測(cè)量后進(jìn)行定量化分析。

圖1 試件取樣位置

以28 d齡期水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為3%的混凝土試件為例，按分層取樣法進(jìn)行分割取樣，采用Image-Pro Plus軟件對(duì)分割后裂縫圖像進(jìn)行參數(shù)提取，裂縫面積密度、裂縫平均寬度、裂縫最大長(zhǎng)度、盒分形維數(shù)處理結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)與混凝土層位存在輕微差異，但并不顯著，這表明裂縫在混凝土內(nèi)部的分布是隨機(jī)的，因此后續(xù)研究中不再考慮混凝土層位的影響，采用各層統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)對(duì)裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行描述。為了研究水性環(huán)氧樹(shù)脂與水泥的界面，對(duì)硬化試件破碎拋光后使用SEM測(cè)試。同時(shí)采用SEM觀測(cè)水泥漿體孔隙形貌及混凝土斷面微觀形貌，從微觀層面深入探討水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)橋面板混凝土裂縫結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

圖2 不同層位裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 分析與討論

2.1 荷載單因素作用下裂縫演化規(guī)律

圖3為基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組在荷載單因素作用下裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律。

由圖3(a)可知，混凝土裂縫面積密度均隨著疲勞荷載次數(shù)的增加而逐漸增大。相比基準(zhǔn)組，在荷載作用3萬(wàn)次時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂組裂縫面積密度減小了24.11%，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂可以有效抑制裂縫結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

由圖3(b)可知，總體上裂縫最大長(zhǎng)度呈交替上升的增大過(guò)程，延長(zhǎng)度方向的變化是萌生-閉合-延伸的交替過(guò)程。基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組在作用階段Ⅳ時(shí)的裂縫最大長(zhǎng)度分別是初始長(zhǎng)度的2.28倍和2.04倍。

由圖3(c)可知，在荷載作用階段Ⅱ時(shí)，雖然裂縫長(zhǎng)度增加，但寬度有小幅度下降，但總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄诤奢d作用初期，混凝土內(nèi)部會(huì)進(jìn)一步密實(shí)。

由圖3(d)可知，基準(zhǔn)組盒分形維數(shù)隨荷載作用階段增加而增加，但盒分形維數(shù)在作用階段Ⅳ時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，沿著主裂縫的方向發(fā)展。

圖3 荷載作用下各階段橋面板混凝土裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜上分析，在單場(chǎng)作用下，基準(zhǔn)組和水性環(huán)氧樹(shù)脂組混凝土的裂縫結(jié)構(gòu)均有不同程度的損傷，其中基準(zhǔn)組損傷較為嚴(yán)重，而加入水性環(huán)氧樹(shù)脂有利于減小混凝土裂縫結(jié)構(gòu)的損傷程度。

2.2 濕熱-荷載耦合作用下裂縫演化規(guī)律

圖4為基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組在耦合作用下裂縫參數(shù)隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律圖。

由圖4可知，在荷載-濕熱雙場(chǎng)耦合下，基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組混凝土裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)總體變化趨勢(shì)與荷載單場(chǎng)作用時(shí)整體變化趨勢(shì)大致相同，但也有區(qū)別，具體表現(xiàn)如下。

圖4 雙場(chǎng)耦合下各階段橋面板混凝土裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)在階段Ⅱ時(shí)，雙場(chǎng)耦合下的裂縫面積密度與單場(chǎng)作用時(shí)相比有降低趨勢(shì)，基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂組降低幅度分別為9.82%和7.06%，但在階段Ⅳ時(shí)，裂縫面積密度分別增加了17.5%和17.7%。

(2)在階段Ⅱ時(shí)，耦合作用下的裂縫平均寬度呈下降趨勢(shì)，但雙場(chǎng)耦合下的降低幅度小于荷載單場(chǎng)下的；在作用結(jié)束時(shí)，裂縫平均寬度分別增大了31.24%、48.41%。

(3)在荷載單場(chǎng)與耦合作用下，水性環(huán)氧樹(shù)脂組混凝土裂縫分形維數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在結(jié)束時(shí)，裂縫盒分形維數(shù)分別增加了0.9%和1.1%。

總體而言，在雙場(chǎng)耦合下，早期的濕熱環(huán)境抑制了裂縫的這3個(gè)參數(shù)的發(fā)展，而在后期促進(jìn)了裂縫結(jié)構(gòu)發(fā)展。

2.3 濕熱-荷載耦合作用下混凝土裂縫結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

濕熱-荷載耦合作用下混凝土細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程如圖5所示，可將其分為以下3個(gè)階段。

圖5 混凝土微裂縫的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析

(1)裂縫壓縮變形階段：在耦合作用下，由于體系內(nèi)不同物相之間存在不協(xié)調(diào)變形，微裂縫在被壓縮時(shí)，細(xì)觀裂縫開(kāi)始萌生與擴(kuò)展。在階段Ⅱ時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂組裂縫最大長(zhǎng)度和裂縫面積密度與初始值相比分別增加了31.61%和51.92%。

(2)裂縫擴(kuò)展階段：隨著耦合作用持續(xù)進(jìn)行，物相間的不協(xié)調(diào)變形增大，在漿體內(nèi)部有更多彌散性的微裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展。同時(shí)裂縫沿長(zhǎng)度和寬度方向擴(kuò)展程度增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸松散化。在階段Ⅲ時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂組的裂縫最大長(zhǎng)度和裂縫平均寬度與初始值相比分別增加46.18%和58.94%。

(3)裂縫貫通階段：在耦合作用后期，荷載應(yīng)力與高溫膨脹應(yīng)力促使最大裂縫長(zhǎng)度和裂縫平均寬度增加，最終導(dǎo)致裂縫相互交叉貫通，這為水分侵入提供了條件，同時(shí)加速了內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。在階段Ⅳ時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂組最大裂縫長(zhǎng)度和平均裂縫寬度與初始值相比分別增加114.88%和79.81%。

2.4 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土裂縫結(jié)構(gòu)改性機(jī)理

圖6為基準(zhǔn)組與水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥漿體孔隙形貌的掃描電鏡圖。相比基準(zhǔn)組，加入水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液后，水泥漿體中大孔明顯減少，漿體結(jié)構(gòu)更加致密。這是因?yàn)榧尤胨原h(huán)氧樹(shù)脂乳液后，水泥水化不單是原來(lái)的水化硬化過(guò)程，而是變成與水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液共同作用下的水化硬化過(guò)程。在水化初期，尺寸較小的水性環(huán)氧樹(shù)脂顆粒均勻分散于水泥漿體之中，沉積在未水化水泥顆粒表面，延緩了水泥的水化，使誘導(dǎo)期和加速期逐漸后移，同時(shí)水性環(huán)氧樹(shù)脂顆粒阻礙了水化相與未水化相之間的相互連接。隨著水化進(jìn)行，毛細(xì)孔隙中的水性環(huán)氧樹(shù)脂失水逐漸團(tuán)聚在一起，與黏結(jié)的水化產(chǎn)物與水泥顆粒一起封閉了漿體內(nèi)的較大孔隙。進(jìn)而提高了混凝土抗裂性。

圖6 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)水泥漿體孔隙形貌的影響

圖7為水性環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土斷面掃描電鏡圖。在水性環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土的斷面裂口處存在著明顯的被撕裂開(kāi)的聚合物膜，這表明聚合物膜能有效地橋聯(lián)于微裂縫之間，使得裂縫處乃至整個(gè)基體的應(yīng)力重新分布。水性環(huán)氧樹(shù)脂膜的柔性鏈結(jié)構(gòu)與水泥石的剛性鏈結(jié)構(gòu)相互交織纏繞，當(dāng)外界荷載作用時(shí)，柔性鏈的吸能作用，兩種結(jié)構(gòu)之間的牽制作用和黏結(jié)作用可以有效地分散荷載的應(yīng)力集中，減少混凝土內(nèi)部細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)的損傷，使得橋面板混凝土抵抗荷載能力大幅提高。

圖7 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土斷面掃描電鏡圖片

3 結(jié)論

(1) 濕熱環(huán)境對(duì)橋梁混凝土裂縫的擴(kuò)展有促進(jìn)作用。相比荷載單場(chǎng)作用，耦合作用組的裂縫面積密度增加了21.2%，平均寬度增加了31.24%，最大長(zhǎng)度增加了9.9%，盒分形維數(shù)增加了0.2%，應(yīng)在橋梁混凝土設(shè)計(jì)時(shí)考慮濕熱環(huán)境帶來(lái)的影響。

(2) 無(wú)論是在荷載單場(chǎng)作用下還是在耦合作用下，加入水性環(huán)氧樹(shù)脂都使得裂縫平均寬度、最大長(zhǎng)度、盒分形維數(shù)和面積密度減小。其中單場(chǎng)下分別為減小幅度分別為34.9%、29.9%、1.4%和23.6%，雙場(chǎng)下分別為26.4%、33.2%、1.6%和23.4%，說(shuō)明加入水性環(huán)氧樹(shù)脂能有效提高橋梁混凝土抗裂能力，提升橋梁混凝土的耐久性，延長(zhǎng)其使用壽命。

(3) 水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土微觀形貌分析結(jié)果表明，在荷載-濕熱耦合下，橋梁混凝土細(xì)觀裂縫結(jié)構(gòu)演化過(guò)程主要為壓縮變形，裂縫擴(kuò)展和裂縫貫通三個(gè)階段。此外，水性環(huán)氧樹(shù)脂能在混凝土內(nèi)部形成柔性聚合物膜，橋聯(lián)于微裂縫之間，從而有效抑制混凝土細(xì)微觀裂縫的延伸與擴(kuò)展，可以提高混凝土抵抗荷載-濕熱耦合作用的能力。