环氧树脂胶在节段预制拼装桥梁接缝的应用

徐晓晨

（华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450045）

0 引言

节段预制拼装桥梁具有施工效率高、质量耐久可靠、有利于环保等优点，桥型选用节段预制拼装桥梁可最大程度上缩短施工期，减少施工现场工人用工量，极大地降低了城市项目建设对交通和民众生活造成的干扰，减少对大气环境和道路交通的影响，有效解决了扬尘治理的难题。现场施工作业时间比现浇混凝土施工明显缩短，施工对地面道路交通的影响明显减少。即便是在项目现场拼装过程中，经过合理的组织，桥梁投影面内的一定区域仍然可以保证限时或全天开放交通。拼装施工中基本不使用现浇混凝土，不会产生大量污水和灰尘，对城市环境造成的影响较小。值得注意的是我国近年来的人工费用呈现直线上升趋势，这些因素均对节段预制拼装技术在城市桥梁建设中的推广应用起到了关键性的作用。

1 节段预制拼装桥梁发展历程

节段预制胶拼桥梁最早开始应用在欧洲地区，国内对于此项技术的研究相比于欧美等西方国家起步较晚，在我国最早将节段预制拼装技术应用于20世纪60年代的成昆铁路建设中，当时由于工期紧迫，首次在国内的铁路建设上采用了箱形截面和悬臂挂篮、节段预制胶拼施工等一系列节段预制拼装技术，在成昆铁路上分别建了两座预应力混凝土悬臂梁桥：即旧庄河一号桥和孙水河五号桥。旧庄河一号桥采用的是预制节段悬臂拼装施工法；孙水河五号桥采用的是预制节段逐跨拼装施工法[1]。由于当时施工技术和施工机具的相对落后，致使此项技术在我国没有得到大力的推广和应用。随着节段预制技术的发展，它在国内逐渐成熟，越来越多的节段预制拼装桥梁工程采用环氧树脂胶。例如厦门集美大桥、郑阜铁路周淮特大桥、上海5号线南段延伸工程高架桥、芜湖长江公路二桥引桥、黄韩侯铁路芝水河特大桥、上海沪闵高架道路二期工程、虎门二桥、广州市轨道交通四号线桥梁、郑州四环快速路等桥梁工程均采用节段预制拼装技术施工。节段预制箱梁通常在预制梁厂制作和储存一段时间。施工前，将其运至项目桥址，由架桥机吊装施工。节段之间的接缝需要涂上环氧树脂胶，以粘结节段箱梁。这种先“化整为零”再“化零为整”，最后施加预应力使之成为整体桥梁结构的新型施工技术越来越引起人们的重视，特别是选址在城市既有道路上的项目，采用此施工技术可以大大减少对既有道路交通的影响，现已成为当前城市桥梁设计、施工技术的重要发展方向，我国桥梁建设正向着标准化、快速化的方向发展。综上所述，节段预制拼装技术具有广阔的发展前景[2]。

1.1 节段预制拼装桥梁接缝现状分析

节段预制拼装桥梁无论在施工阶段还是在运营阶段，接缝的特性直接关系到预制装配桥的总体力学特性。接缝形式的差异对节段的总体力学和受力有很大的影响。上部结构的桥面接缝一般可分成干接缝、湿接缝和胶接缝三种形式。干接缝是指在节段之间没有使用任何黏合物质而将其连接起来的接缝处；湿接缝是在梁桥闭合或装配过程中出现错误的纠正部位，使用的是现浇混凝土；而胶接缝则是将胶粘剂在节段接缝处涂上环氧胶后进行黏合，采用的是环氧胶黏合剂。《规范》中指出，在体外设置有预应力钢筋的桥面时，应该使用胶接缝，而在体外没有加预应力钢筋的，则可以考虑使用干接缝法设计和施工。

干接缝施工无须额外的接缝处理，是最为简单的接缝处理方法。李国平[3]在做了大量相关试验的基础上总结了干接缝在节段预制拼装桥梁施工方面的特点：综合来看，这种方法既省去了环氧黏合剂涂抹工作，又节省了环氧树脂胶的固化周期，减少了预埋件组装的耗时。同时，由于采用干节节段的结构形式，不需要在箱梁体中设置预应力钢筋，可以大大地改善结构的工作效果。从另一个角度来看，采用全体外预应力混凝土梁桥，可根据设计要求进行更换、检测和调节，使预应力钢筋从施工开始到全部受控，其工作性能和使用寿命得到最大限度的改善。

湿接缝一般是在节段之间留下75～100 mm的间隙，然后在现场上用水泥或混凝土填充。在我国，对于湿接缝拼装施工简支箱梁技术的研究工作起步较早，单线、双线、多线等大跨度预制湿接缝拼装施工简支箱梁已广泛应用于众多客运铁路桥梁中，对于采用湿接缝的预制拼装结构，采用节段箱梁作为一种新型的结构形式已逐渐被采用，并形成了大量的结构工程实践。由于采用湿接缝连接，在高处采用钢筋混凝土加固梁，施工过程复杂、机械设备的使用率不高、对环境不利，而且工程建设工期较长，工程质量不稳定，工程的外观品质较差。另外，在不同的施工工艺条件下，现浇混凝土和预制混凝土的不同龄期会有很大的差别，而且很难对其进行线型的调控。

胶接缝是在节段之间涂上一种非常薄的环氧树脂胶，一般为3 mm，将邻近的部件连接起来，再对其进行张拉，从而保障节段拼装桥梁结构的整体性。环氧树脂胶粘剂可使在接缝过程中的两个节段间的接触面紧密结合。杨雷[4]采用力学性能试验和有限元分析的方法，对胶接接头的抗湿、热老化特性进行了研究，发现胶接接头的耐高温性能很低，而且由于接缝部位还有一个界面，所以其寿命要远高于普通的环氧树脂；而与胶体相比，接缝截面的改变更加复杂，所以难以获取科学、准确和有说服力的信息。大量的实验结果表明，在接缝部位的环氧树脂胶粘剂的失效形式可以从内部聚合转变为界面失效。卢文良[5]从胶拼弯折破坏的试验中得出了弯曲断裂的过程发展速度很快，是一种脆性断裂。与其他类型的接缝形式相比，胶接缝具有以下特点：结构的受力模式更为优化，各预制节段间的剪力由剪力键齿的咬合力、预应力钢束的拉力以及节段间的摩擦力共同作用；在黏结截面之间的缝隙可以起到很好的防护作用，提高其抗腐蚀性能；因胶结拼接工程工期短，对周边建筑环境的影响不大。此外，采用湿接缝施工的混凝土浇筑过程会对周边产生噪声的影响，采用涂抹环氧树脂胶工艺可以很好地防止这种情况发生；而与此相区别的是，预制节段是在厂房内预制好后储存在梁厂，具有足够的养护周期，可以有效地减少因混凝土的收缩和徐变问题而带来的影响；在建造过程中无须担心水化热量，而且涂抹环氧树脂黏合剂对节段位置的定位更为有利，而且更易于掌握桥面的线形。

2 环氧树脂胶的组成

环氧树脂胶主要由环氧树脂基料和固化剂两部分组成，具有良好的黏结物理性能，在实际施工过程中操作较为简便。

2.1 环氧树脂基料

环氧树脂也按其化学结构进行分类，一般大体上可分为六类：脂肪族环氧树脂类、新型的环氧树脂类、缩水甘油酯类、环氧化烯烃类、缩水甘油醚类和缩水甘油胺类。环氧树脂基料如果不添加固化剂，加热也不会发生固化反应。由于加入固化剂，环氧树脂基料发生交联反应，反应生成三向网状高分子聚合物。这是因为环氧树脂本质上是在大分子骨架上有两个或两个以上环氧基团的缩聚物。在此基础上加入固化剂通过反应就变为环氧树脂胶粘剂，固化后的环氧树脂材料具有优异的化学和物理性能，对混凝土、金属、木材等材料具有良好的附着力。环氧树脂胶黏结的原理本质就是由于其中有羟基、醚键以及极性基团环氧基，能够使环氧树脂胶展现出更强的黏结力，从而具有更好的力学性能，并且能高效、广泛地投入节段预制拼装桥梁胶接缝的应用。

2.2 固化剂

固化剂，影响固化后的环氧树脂胶的耐介质、高强、耐腐蚀等性能，对环氧树脂胶起着至关重要的作用。由于对未加入固化剂的环氧树脂基料单独加热不会固化，未固化的环氧树脂胶粘剂不能在节段预制装配桥梁中，所以必须在制备过程中加入环氧树脂固化剂，这样在一定条件下就能发生固化反应，环氧树脂胶粘剂的反应就变成了三向网状结构的高聚合物，它表现出优异的工作能力，从而成为一种环氧树脂胶粘剂，可在节段装配式桥梁的胶粘剂接头中表现出良好的工作性能。

3 环氧树脂胶的黏结机理

涂抹环氧树脂胶与传统的机械连接方式相比，前者有着诸多明显的优势，并且正逐步被广泛地应用于各个行业领域。由于环氧胶是液体并且充分地浸润在所述被黏着的固体表面上，因此，在所述黏合的结构中，环氧树脂胶的内部和所述要结合的结构的表面空隙之间产生了一个互相的应力效应。环氧树脂是环氧树脂胶的基料，实质是环氧树脂中的活性环氧基分子，以脂环族、脂肪族、芳香族等有机化合物为载体，与环氧基发生化学反应，形成具有热固化产品的高分子低聚物。根据受热环境的影响，可以将环氧胶分为冷固化胶、热固化胶和光固化胶。它是一种很好的黏合剂，用于金属、非金属，以及热固化的塑胶。在两种不同类型的黏合介质中，不同的界面上的应力值会随着不同的应力强度系数而增加，当应力强度因子的数值超过3后，界面破裂的强度逐渐变得平稳。

环氧树脂胶的正常使用时间分别包括可涂胶时间和可黏结时间。可涂胶时间指的是环氧树脂胶能够保持正常工作性能的时间，此时间应满足涂抹环氧树脂胶和完成临时预应力张拉所需时间；可黏结时间即环氧树脂胶的初步固化时间，指的是从环氧树脂胶黏结剂被涂抹在预制节段拼接面时起，到黏结剂固化后失去黏性的一段时间。根据不同的施工工艺、不同施工环境温度，对使用期的要求各不相同。

4 环氧树脂胶在预制拼装桥梁的作用

节段预制拼装桥与整体式现浇桥最大的区别在于纵向普通钢筋与混凝土的整体不连续。接缝依靠剪力键、黏结力和由预应力提供的摩擦力来传递剪力。弯矩由预应力产生的压力传递。胶缝由环氧树脂胶与混凝土两面黏合而成。对于节段预制拼装桥梁，胶接缝是其关键结构，也是梁的薄弱环节[6]。环氧树脂胶粘剂的使用可以有效地解决段间粘接和力传递的问题，由于环氧树脂胶粘剂的抗拉、抗压性能和弹性模量都不低于常规桥梁中使用等级的混凝土，可以有效地传递钢束张拉后引起的压应力和主梁弯矩、剪力引起的弯剪应力。预制节段拼装时箱梁截面上的凸键应嵌入凹键内。施工过程中完成涂胶工作后，环氧树脂胶处于黏性状态。环氧树脂胶的润滑作用有利于截面的凸键顺利接入凹键进行梁段定位。节段箱梁在预应力作用下用环氧树脂胶粘合成整体。在各种工况下，预制节段之间的节点原则上应处于压缩状态。环氧树脂胶的粘接抗拉能力没有得到充分利用，但粘接作用大大提高了接缝的抗剪性能。环氧树脂胶解决了粘接层表面湿气等问题，开拓了环氧树脂胶应用的新市场，得到了广泛的使用。经过多年现场施工的实际应用，确认了在环氧树脂胶粘剂作用下预制节段拼装桥梁的可靠性和稳定的粘接效果，同时节段之间的力学效果作用保护钢筋混凝土开裂部位的损伤不受腐蚀，采用环氧树脂胶粘剂对预制节段进行粘接，加强结构的整体性。环氧树脂胶材料应用于节段拼装桥梁的主要性能是触变性。胶体的触变性是指在一定的剪切速率作用下，环氧树脂胶体的剪应力随时间变化而减小的特性。环氧树脂胶在黏结过程中的性能如下：在快速搅拌作用下，胶体的黏度迅速下降，易于施工操作，胶体黏度迅速增加，不会随意流淌。

5 环氧树脂胶的施工流程

首先施工操作人员在施工前要检查材料，根据现场气候条件和环境温度确定准确的施工配合比，制定详细的施工作业指导书。所有的操作和施工人员在施工前必须经过专业的培训。施工人员最需要注意的是，固化剂是有毒的，所以在配制环氧树脂胶粘剂时，一定要戴上防护面罩和防护手套，而且一定要在空气流通的地方配制，避免引起操作人员中毒事件。如果在进行施工操作时环氧树脂胶不慎与皮肤接触，应立即擦拭干净，然后用温水和肥皂清洗。调配使用的稀释剂为挥发性液体，不得靠近火源，防止发生火灾。配制的环氧树脂胶数量应严格按照配合比准备。配制过程中使用的所有工具均应在使用后立即清洗。如果胶水长时间附着在工具上会造成胶的固化，导致无法正常使用。其次在接缝截面涂环氧树脂胶前，应将接缝混凝土表面的浮浆、油迹等彻底清除，并对接缝截面进行喷砂或抛光处理，以确保预制段之间的正常黏合。在预应力通道口周围采用环形垫圈粘贴，以避免梁段在拼装和挤压时过量的胶体进入预应力通道，造成通道堵塞，影响后续预应力钢束的穿束工作。接缝截面的涂胶工作应由上至下，均匀涂抹，涂胶时应将混合好的胶水涂在接缝截面的混凝土表面，保证厚度均匀，应严格控制在3 mm，且保证无断胶现象。最后建议在预制节段的梁顶安装防雨、防晒设施，从而避免涂装工艺和拼装后的2 h内雨水侵入和阳光直射，以免影响环氧树脂胶的施工质量。

6 结语

综上所述，本文通过介绍环氧树脂胶的主要组成和黏结机理，根据已有的研究提出了节段预制拼装桥梁施工涂抹环氧树脂胶的相关注意事项，由于环氧树脂胶材料的特殊性，应当将施工操作流程化和规范化，施工前准备时应特别注意环氧树脂胶可能对操作人员造成的不利影响，避免造成施工安全事故，施工时应注意环氧树脂胶涂抹厚度和固化时间，从而提高施工质量。鉴于节段预制拼装技术有较好的技术、经济及社会效益，在节段预制拼装桥梁施工过程中，应严格执行国家相关的施工规范，改进优化施工流程，从而提高施工质量。该方法可以作为城市高架建设优选的设计方案，相关技术和施工方案已相对成熟，已较为广泛地应用到了更多的城市高架的建设中，值得推广应用。