石拱橋病害整治工程中新型材料的研發(fā)與應(yīng)用

李 賀，袁善文

（1.北京眷誠鐵道工程技術(shù)有限公司，北京，100055 2.中鐵二局股份有限公司，成都，610031）

石拱橋因其具有造型優(yōu)美、取材方便、造價低廉、承載潛力大等優(yōu)點(diǎn)，在我國被廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)有石拱橋大多建于20世紀(jì)50年代和60年代,隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展,交通量的不斷增長,重型車過橋數(shù)量增多,導(dǎo)致現(xiàn)有石拱橋中已有一些出現(xiàn)了不同程度的病害。

現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于石拱橋的研究中，大多是關(guān)于石拱橋結(jié)構(gòu)加固或承載力的研究，對于石拱橋其它病害的研究較少，相關(guān)的材料也較為少見。本文通過某一石拱橋病害整治工程，介紹了石拱橋?qū)Ｓ锰胤N注漿材料——JC-21特種灌漿料的研發(fā)與應(yīng)用。

1 工程概況

本石拱橋位于寶成線觀音山至青石崖區(qū)間，其中心里程為K29+811，該橋始建于1955年5月23日，于1955年11月13日竣工。1997年6月至7月期間，本拱橋重新增設(shè)道碴槽排水系統(tǒng)和重新鋪設(shè)防水層，2010年對本橋石砌墩臺進(jìn)行了抱箍加固。本石拱橋所采用石料均為堅硬花崗巖，拱部采用M25水泥砂漿砌毛方石，拱座采用C15混凝土，墩臺采用M10水泥砂漿砌毛方石，其基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

目前，本石拱橋拱跨局部出現(xiàn)裂縫，部分灰縫已經(jīng)脫落，在拱腳、拱腰間出現(xiàn)滲水、流白漿和鐘乳狀結(jié)晶現(xiàn)象，石拱橋拱腰處設(shè)有四個泄水孔，現(xiàn)在已經(jīng)失效，另據(jù)設(shè)備管理單位人員介紹，在雨季，石拱橋上部線路會出現(xiàn)冒白漿現(xiàn)象。

2 病害分析

經(jīng)過調(diào)查和相關(guān)資料的分析、研究，我們得出如下過程：大氣降水在石拱橋道碴槽內(nèi)匯集，由于石拱橋防水層已經(jīng)破壞，匯集的水會穿過防水層進(jìn)入石拱橋內(nèi)部填充的漿砌片石中，又由于石拱橋既有的泄水孔已經(jīng)失效，流入石拱橋的水無法及時排出，致使流入的水在石拱橋內(nèi)部形成水囊，而形成的水囊浸泡著石拱橋內(nèi)部填充的漿砌片石和灰縫。由于石拱橋采用的石材主要是花崗巖，花崗巖本身耐腐蝕性非常好，不易被水腐蝕，但是連接它們的灰縫卻易被腐蝕。

由于水的長期浸泡，漿砌片石中的灰漿逐漸腐蝕，其中的氧化鈣與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氫氧化鈣，氫氧化鈣溶于水，其中的鈣離子會通過水的流動穿過外部漿砌毛方石的灰縫，被帶出橋體外部，與空氣中的二氧化碳和水發(fā)生反應(yīng)最終形成白色晶體碳酸鈣。

由于列車長期作用，石拱橋上部的部分道碴被磨成細(xì)粉，由于拱橋排水不暢，因此在雨季，拱橋中的水會漫過橋面流入道碴，這也會把磨細(xì)的石粉帶到道碴表面形成翻白漿現(xiàn)象。

3 整治原則

由于石拱橋內(nèi)部的灰縫被水腐蝕，其中的鈣離子逐漸流失，如不及時進(jìn)行整治，石塊與石塊之間的間隙越來越大，尤其是成拱的毛方石之間將失去約束，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也將會受到很大影響。因此，我們的整治原則主要有兩個：

一是采用有效的方法填充石拱橋內(nèi)部的所有空隙，填充材料要有一定的強(qiáng)度，確保石塊之間的灰縫強(qiáng)度滿足受力要求；

二是通過阻止和疏導(dǎo)的方式從根本上隔絕水與灰縫的接觸，減少鈣離子的流失，防止灰縫進(jìn)一步腐蝕。

4 新型材料的研發(fā)

石拱橋灌漿料，是用來填充石拱橋內(nèi)部的所有空隙，由于石拱橋結(jié)構(gòu)形式以及石拱橋內(nèi)部回填所采用的石材主要是花崗巖，所需要的注漿材料必須滿足很多要求。

根據(jù)我們對石拱橋病害現(xiàn)狀的分析，以及由此提出的整治原則和方案，通過材料技術(shù)人員的不懈努力，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和研究，終于研發(fā)出了適合本石拱橋病害整治所需石拱橋?qū)Ｓ锰胤N灌漿料——JC-21特種灌漿料。JC-21特種灌漿料是由優(yōu)質(zhì)水泥、填料、合成聚合物和精選添加劑等配制而成，使用時加入粉料重量的16%～17%的水，充分?jǐn)嚢杓纯墒褂谩?/p>

JC-21特種灌漿料是具有早期強(qiáng)度高、收縮率低、粘結(jié)力好、流動度大、施工快速等優(yōu)點(diǎn)。并具有以下特性。

（1）高流動、自流平特性。由于此次注漿，主要是填充石拱橋內(nèi)部回填片石之間縫隙，石拱橋內(nèi)部注漿時，石拱橋前后壁并無更多約束，所以不能靠壓力進(jìn)行壓注密實(shí)，必須靠材料的高流動、自流平特性達(dá)到注漿密實(shí)的目的。

（2）早期強(qiáng)度高。這是由于既有鐵路施工，不中斷行車，所以注漿材料的早強(qiáng)能夠更好地達(dá)到加固效果。

（3）收縮率低、強(qiáng)粘接性。眾所周知，一般水泥類材料，特別是灌漿材料在固化后體積會產(chǎn)生一定收縮，這使得原本粘接產(chǎn)生裂縫，不利于加固成整體以及防水隔水效果。

（4）防水、耐水性好。由于此石拱橋病害為水害，根本目的還是隔絕水，所以注入的材料必須具有耐水和防水性能。

（5）抗凍性。此石拱橋處在秦嶺半山腰，冬季氣溫較低，所以材料應(yīng)具備抗凍性能。

填充材料要有一定的強(qiáng)度，確保石塊之間的灰縫強(qiáng)度滿足受力要求。

5 新型材料的應(yīng)用

5.1 注漿加固方案

本石拱橋病害整治，根據(jù)整治原則，利用JC-21特種灌漿料，早強(qiáng)、耐水、高流動度、自流平等特性，通過注漿達(dá)到密實(shí)、封閉石拱橋內(nèi)部片石縫隙的目的。

橋身上平行布置兩排注漿孔，其平面布置圖如圖1所示，注漿孔水平間距為1m，梅花形左右對稱布置。注漿孔深2m，注漿壓力控制在0.3-0.5Mpa。

橋身注漿施工步驟：橫向孔定位→確定橫向孔的打孔角度→打橫向孔眼→埋設(shè)注漿管并封堵縫隙→注漿→封堵。

圖1 注漿孔平面布置圖

5.2 施工注意事項(xiàng)

（1）注漿孔應(yīng)鉆在片石中心面上，避免在片石勾縫上進(jìn)行鉆孔。

（2）注漿時采用花管跳孔注漿，注漿時應(yīng)同跨兩側(cè)對稱進(jìn)行。

（3）注漿壓力控制在0.3-0.5Mpa，注漿時應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止由于注漿引起較大偏壓，注漿時應(yīng)注意觀察拱橋變化,應(yīng)特別注意第一孔拱頂處裂縫變化情況。

（4）橋身注漿時應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，對稱同步施工，防止因漿液自重壓力造成偏壓，同時做好橋梁狀況觀察，應(yīng)特別留意拱頂裂縫是否變化。

（5）加強(qiáng)施工的安全檢查，做到邊監(jiān)測邊施工，根據(jù)監(jiān)測信息，對可能發(fā)生的問題提前采取措施，確保運(yùn)營鐵路的行車安全。

（6）橋身鉆注漿孔時，在注漿完畢后，應(yīng)再度疏通注漿孔，以保證它能作泄水孔使用。

6 整治效果的檢驗(yàn)

本石拱橋施工質(zhì)量檢測分別采用超聲波透射法和CT法。

石拱橋兩側(cè)為石砌結(jié)構(gòu)，橋體內(nèi)部為填充的片石。通過對現(xiàn)場部分材質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)性測試，得到橋體密實(shí)材質(zhì)的波速范圍在3500～4500m/s之間。由于橋體內(nèi)部病害的存在，導(dǎo)致橋體內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)密實(shí)度大大下降，波速在1500～2500m/s之間，存在著較為明顯的波速差異。波速的差異反映出石拱橋內(nèi)部密實(shí)度的差異。對比石拱橋剖面波速差異，得出剖面中存在的不密實(shí)體、風(fēng)化嚴(yán)重、空洞等部位。對比注漿前和注漿后剖面波速，反映出注漿施工效果。

6.1 超聲波透射法

圖2為超聲波透射法進(jìn)行施工質(zhì)量檢測圖，從圖中可以看出注漿前速度等值線除了在深度2.0-2.5m及右邊石拱圈外延呈現(xiàn)高速區(qū)，相應(yīng)的石拱石料完整；其它部分基本呈現(xiàn)小于2800m/s的中低速區(qū)，特別是在圖上明顯的可以看出兩個低速區(qū)，紅色矩形框內(nèi)及其附近波速小于2600m/s，初步判斷為橋體內(nèi)部巖石風(fēng)化含水，松散不密實(shí)，是治理的重點(diǎn)區(qū)域。

注漿后的超聲波透射法速度等值線圖整體的速度值有很大提高，從1400-2800m/s，提升到3000m/s以上，檢測區(qū)域呈現(xiàn)整體性，沒有明顯的低速即不密實(shí)的區(qū)域。注漿前的兩個低速異常區(qū)也得到了很好的處理，波速顯著提升達(dá)25%以上，即相應(yīng)的密實(shí)度得到很大提升。在左側(cè)有一個相對低速（2400-2800m/s）的區(qū)域，判斷為上排左側(cè)第一個注漿孔的注漿量不夠，或者因?yàn)楸容^靠近隔水層，也可能是注漿孔打到了隔水層的上方。

圖2 超聲波透射法注漿前、后速度等值線圖

6.2 超聲波CT法

圖3為超聲波CT法進(jìn)行施工質(zhì)量檢測圖，通過注漿前剖面的速度等值線圖，可以看到中間區(qū)域存在一個大范圍的低速區(qū)（1800～2200m/s），通過詢問現(xiàn)場施工人員及查閱相關(guān)資料，推斷中間為原來填充的片石，經(jīng)過多年的雨水滲漏沖刷及風(fēng)化，結(jié)構(gòu)變的比較松散；外圍的一圈高速區(qū)為比較完整的砌石，反演結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。

注漿后剖面的速度等值線圖，與注漿前比較可以看出中間大面積的低速區(qū)已經(jīng)得到很好的處理，整體速度值有明顯的提高，水平位置6m～7.5m，垂直位置0.5m～3.5m有一個相對低速區(qū)（2800～3000m/s），可能是注漿時水泥漿滲透到這個區(qū)域的量小，但是較注漿前也有較大的改善。

超聲波透射法和CT法檢測結(jié)果，可以看出中間大面積的低速區(qū)已經(jīng)得到很好的處理，整體速度值有明顯的提高，注漿效果明顯。

圖3 超聲波CT法剖面注漿前、后速度等值線圖

7 結(jié)束語

本文通過石拱橋病害整治工程，介紹了石拱橋病害整治過程中，和整治方案相適應(yīng)的新型材料的研發(fā)與應(yīng)用。石拱橋病害整治施工過程中，分別采用了超聲波透射法和CT法進(jìn)行無損檢測，其結(jié)果證實(shí)注漿方案效果明顯。整治方案以及與其相配套新型材料，通過本工程實(shí)際實(shí)施和應(yīng)用，得到了很好的治理效果。

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