目前, 国内外对于环氧沥青钢桥面铺装鼓包病害的处治方法比较单一, 多采用直接开挖并回填树脂混凝土、沥青混凝土等修补材料。随着红外热成像仪、探地雷达等无损探测技术在钢桥面铺装鼓包病害探测上的成功应用, 目前已经实现了对处于发展早期鼓包病害的探测。对于处于发展早期的鼓包病害或铺装整体性较好的鼓包病害, 若采用开挖回填的处治方法不仅费用较高, 而且会引入坑槽接缝, 从而破坏铺装的整体受力情况。

本文基于醛酮缩合原理自制了一种耐水固化剂, 并在此基础上研制了一种可在室温快速固化的、具有一定弹性的耐水注浆材料。通过对凝胶时间、指干时间、拉伸性能、拉拔强度、湿粘结性等性能的测试, 系统研究了耐水注浆材料在高压注浆法鼓包病害处治中的适应性, 并依托崇启大桥养护工程对耐水注浆材料处治效果进行了跟踪观测。

将250.4g (2.5mol) 甲基异丁基酮 (MIBK) 、170.2g (1mol) 异佛尔酮二胺 (IPDA) 以及250ml甲苯投入带分水器、温度计及搅拌器的1 000ml三口烧瓶中, 逐渐升温至120℃, 并维持2h以除去醛酮缩合产生的水。反应完成后, 采用常压蒸馏进一步除去烧瓶内的水、甲苯及过量的甲基异丁基酮 (MIBK) , 即可得到耐水固化剂IPDA-MIBK, 如图1所示。

将双酚A型环氧树脂E-51、线型酚醛多缩水甘油醚、C8-10烷基缩水甘油醚以及偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷依次投入搅拌机中搅拌混合, 得到耐水注浆材料主剂A。

将端氨基聚醚D-230、耐水固化剂IPDA-MIBK、苯甲醇以及偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷依次投入搅拌机中搅拌混合得到耐水注浆材料固化剂B。

将得到的耐水注浆材料主剂A与耐水注浆材料固化剂B按2∶1的比例搅拌混合, 并进行相关性能测试。

如表1所示, 耐水注浆材料的凝胶时间仅为30min左右。耐水注浆材料的固化属“正反馈”过程, 由于测定凝胶时间时所用耐水注浆材料的量较多, 前期固化所产生的热量来不及散发, 增加了未反应基团间的反应速率, 并产生大量热量, 产生“爆聚”现象。鉴于耐水注浆材料的凝胶时间较短, 现场应用时需遵循“少量多次”的原则, 避免由注浆材料爆聚而导致注浆设备及管道的堵塞。

由于测定指干时间时注浆材料堆积厚度较薄, 能实现与空气间的快速传热, 故不会发生爆聚现象。与凝胶时间不同的是, 耐水注浆材料的指干时间由20℃时的380min降至40℃时的170min, 即环境温度对指干时间的影响远远大于凝胶时间。由于耐水注浆材料的指干时间均<7h, 故能满足“当日养护、当日开放交通”的实际养护需求。

按照GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》对耐水注浆材料拉伸性能进行检测, 该耐水注浆材料的拉伸强度高达15.7MPa, 断裂延伸率达20.1%, 在保持较高强度的同时具有一定的弹性, 从而保证注入鼓包位置空腔内的耐水注浆材料能够承受上层铺装的压力, 实现上层铺装与下层钢板间的协同受力。

按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉开法附着力试验》对耐水注浆材料在钢板及环氧沥青混合料表面的拉拔强度进行检测, 如表2所示。

如表2所示, 耐水注浆材料对钢板的常温拉拔强度超过20.68MPa (超过附着力拉拔仪量程) , 且在70℃下的拉拔强度达3.42MPa, 这表明耐水注浆材料能在20～70℃范围内实现与钢板间的良好粘结。当耐水注浆材料与环氧沥青混合料粘接时, 其破坏面均位于环氧沥青混合料上, 这表明耐水注浆材料与环氧沥青混合料将间的粘接强度超过环氧沥青混合料的自身强度。综上所述, 该耐水注浆材料能实现对钢板及环氧沥青混合料的良好粘结, 从而保证钢板与环氧沥青混合料间的协同受力。

环氧沥青鼓包病害位置往往伴随鸡爪形裂缝、环形裂缝、U形裂缝等形式存在, 因此雨水会沿上述裂缝逐渐渗至环氧沥青铺装层与钢板间的空腔内。由于高压注浆是一种微创式养护方式, 即使采用压缩空气也难以彻底排除鼓包病害空腔内残存的水分, 因此, 有必要研究耐水注浆材料在潮湿界面的粘结性能。

本文设计了一种评价该耐水注浆材料湿粘结性能的方法:采用湿毛巾对折断后的环氧沥青弯曲试件的新鲜断面进行擦拭, 使其断面保持潮湿状态, 然后立即采用耐水注浆材料对小梁试件进行粘结, 待耐水注浆材料完全固化后, 对粘结后的弯曲试件进行低温 (-10℃) 弯曲试验。

如表3所示, 当不掺加耐水固化剂IPDA-MIBK时, 注浆材料在潮湿界面粘接的弯曲试件的弯拉强度由27.9MPa迅速降低至18.6MPa, 降幅达33.3%, 极限弯拉应变由4 313με降至1 952με, 降幅达54.7%;当掺加耐水固化剂IPDA-MIBK后, 注浆材料在潮湿界面粘接的弯曲试件的弯拉强度由32.3MPa降至31.3MPa, 降幅为3.7%, 极限弯拉应变由4 677με降至3 705με, 降幅为20.8%。

事实上, 耐水固化剂IPDA-MIBK能按照图1所示反应进行“逆反应”, 从而吸收潮湿界面上残留的水, 并释放IPDA, 最终实现在潮湿环境下对弯曲试件的粘接。在IPDA中加入MIBK, 并在适当条件脱水, 其目的是将IPDA上的活泼氢保护起来, 然后在潮湿界面吸收水分, 并释放活泼氢, 从而实现IPDA的智能释放。

崇启大桥建成于2011年12月, 是沪陕高速 (G40) 连接上海崇明岛与江苏启东市的重要组成部分。崇启大桥主桥全长944m, 采用102m+4×185m+102m的六跨连续钢箱梁结构, 是目前国内联长最长, 跨径最大的连续钢箱梁桥。崇启大桥主桥采用了双层环氧沥青铺装方案, 铺装结构为“下层2.5cm环氧沥青混凝土+上层3.0cm环氧沥青混凝土”。

使用手电钻对鼓包病害处的铺装进行钻孔, 应根据铺装层厚度选择合适的钻头长度, 钻至铺装层底部后立刻停止, 不允许伤及钢板。根据鼓包病害面积的大小合理安排注浆孔及排气孔的个数及排布方式。

采用压缩空气经注浆孔及排气孔对鼓包病害位置的空腔进行除水、除灰处理。一般先对上游注浆孔进行吹气, 下游排气孔出水、出灰, 然后再以相反的顺序进行, 反复多次, 确保空腔内无明显流动水, 并保证注浆通道的通畅。

清孔完成后, 采用高压注浆机将耐水注浆材料经注浆孔灌入鼓包病害位置的空腔内, 待注浆料溢出排气孔后, 停止注浆, 并立即采用布条或木塞封闭注浆孔及排气孔。

注浆完毕后对注浆处的铺装表面进行清理, 然后进行养护, 待其强度达设计值后方可开放交通。

如图2所示, 使用1年后, 经耐水注浆材料处理后的鼓包病害处铺装未出现新的裂缝, 鼓包病害得到了有效处治。通过对使用1年后的经耐水注浆材料处理后的铺装进行开挖, 结果表明, 该耐水注浆材料能够完全充满鼓包病害处的空腔, 且与下层钢板及上层铺装间的粘结性能良好, 从而恢复了钢板与上层铺装间的协同受力。

1) 采用高压注浆对环氧沥青钢桥面铺装的鼓包病害进行微创式处理, 避免了对处于发展早期或整体性较好的鼓包病害进行挖除、回填处理, 在最大限度恢复钢板与铺装间协同受力的同时节约了大量人力、财力。

2) 基于醛酮缩合反应制备的耐水固化剂可吸收潮湿界面处残存的水分并释放固化成分, 从而实现注浆材料在潮湿钢板与铺装间的良好粘接, 解决了高压注浆材料在鼓包空腔内的湿粘结问题。

3) 现场跟踪观测结果表明, 采用高压注浆可将耐水注浆材料注满鼓包病害处铺装空腔内, 具有湿粘结效应的耐水注浆材料与钢板及铺装间的粘接情况良好, 恢复了钢板与铺装间的协同受力。