雙曲拱橋加固用細(xì)石灌漿料配制技術(shù)與應(yīng)用研究

徐海源 ，沙建芳 ，張亞梅 ，劉建忠 ，郭飛

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210008；2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)60年代后期至80年代中期，我國共修建了4000余座雙曲拱橋。由于當(dāng)時設(shè)計載荷低，致使大部分雙曲拱橋在長期重荷載、大交通量的運營情況下出現(xiàn)了不同程度的病害，已不能滿足現(xiàn)代交通發(fā)展的需要[1]。因此，有必要對眾多存在損傷的雙曲拱橋進(jìn)行加固維修。在雙曲拱橋加固中，拱肋加固用水泥基材料的配制與應(yīng)用是一項關(guān)鍵技術(shù)[2]。

拱肋加固用細(xì)石灌漿料的性能需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面[3-5]：首先，在原拱肋上植筋，鋼筋最小間距僅為50 mm，加固層厚度僅為50～80 mm（見圖1），澆筑細(xì)石灌漿料時，在狹小空間內(nèi)通過密集鋼筋網(wǎng)并實現(xiàn)長距離自充填，需要其具有良好的流動性和填充性能；其次，拱肋作為雙曲拱橋主拱圈的重要支撐骨架，參與拱圈共同承受全部恒載和活載，因而必須保證足夠的強(qiáng)度和剛度；再次，拱肋加固一般采用三側(cè)加固方案，水泥水化、干燥失水等易引起的細(xì)石灌漿料的收縮，過大的收縮可能導(dǎo)致新舊界面之間產(chǎn)生較大的脫空，影響加固體的協(xié)同受力，因此，如何減小收縮，提升其結(jié)構(gòu)的體積穩(wěn)定性是必須關(guān)注的另一重要問題。

鑒于此，本文針對拱肋加固細(xì)石灌漿料的技術(shù)要求，從灌漿料的工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性方面開展拱肋加固細(xì)石灌漿料的配制研究，旨在獲得滿足拱肋加固使用要求的高流動度、無收縮的細(xì)石灌漿料配制與應(yīng)用技術(shù)。

圖1 拱肋加固示意

1 試驗

1.1 原材料

（1）膠凝材料：小野田P·Ⅱ52.5水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；南京熱電廠Ⅰ級粉煤灰，密度2.4 g/cm3；南京江南粉磨站生產(chǎn)的鐘山牌S95級礦渣微粉，比表面積395 m2/kg，密度2.7 g/cm3；靈渠牌石灰石粉，CaCO3含量＞95%，細(xì)度≥500目。

（2）骨料：細(xì)骨料，粒徑0～2.36 mm，細(xì)度模數(shù)2.15；細(xì)石，粒徑5～10 mm，表觀密度2.65 g/cm3，針片狀含量1.0%。

（3）外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的灌漿料外加劑，1001F，粉體，減水率為12%，并具有一定的抗離析泌水作用。

1.2 試驗方案與方法

1.2.1 試驗方案

細(xì)石灌漿料采用砂漿（A組分）與細(xì)石（B組分）按一定比例混合后加水?dāng)嚢璧姆绞竭M(jìn)行配制。調(diào)整A、B組分中材料性能及配合比參數(shù)，系統(tǒng)考察膠凝材料組成、膠砂比、細(xì)石摻量對細(xì)石灌漿料性能的影響。

按照表1的配合比，采用水料比為0.17，初始流動度約為700 mm（通過外加劑調(diào)整）不變，分析膠凝材料組成對細(xì)石灌漿料性能的影響；選擇表1中編號GF10為基準(zhǔn)配合比，調(diào)整A 組分中膠凝材料與砂的質(zhì)量比（膠砂比）為 4∶6、4.5∶5.5、5∶5、5.5∶4.5，分析其對細(xì)石灌漿料工作性能與力學(xué)性能的影響；按表1中GF10為基準(zhǔn)配合比，保持A組分組成、水料比0.17不變，調(diào)整細(xì)石（B組分）內(nèi)摻摻量（20%、25%、30%、35%、40%），分析細(xì)石摻量對細(xì)石灌漿料性能的影響。

表1 灌漿料試驗配合比 kg

在細(xì)石灌漿料變形性能控制方面，以表1中GF10為基準(zhǔn)配合比，保持A組分組成、水料比0.17不變，分析膨脹劑摻量（外摻）對體積變形性能的影響；采用細(xì)石內(nèi)摻摻量為35%、膨脹劑摻量8%、水料比為0.17不變，將試件分別水養(yǎng)、標(biāo)養(yǎng)至3 d、7 d、10 d后轉(zhuǎn)移至干縮環(huán)境，模擬施工現(xiàn)場不同養(yǎng)護(hù)方式，研究其對細(xì)石灌漿料變形性能的影響。

1.2.2 試驗方法

針對修補加固細(xì)石灌漿料的性能需求，分別開展了細(xì)石灌漿料工作性能、力學(xué)性能和變形性能3個方面的試驗研究。工作性能按照CCES 02—2004《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的坍落擴(kuò)展度、J環(huán)擴(kuò)展度、T500擴(kuò)展時間、V型漏斗通過時間、離析率、泌水率等來綜合評價細(xì)石灌漿料的流動性、填充性和抗離析性能；抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；變形性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的干燥收縮測試方法進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)石灌漿料配制技術(shù)研究

2.1.1 砂漿組分對細(xì)石灌漿料性能的影響

膠凝材料組成對細(xì)石灌漿料性能的影響見表2，以GF10組為基準(zhǔn)配合比，膠砂比對細(xì)石灌漿料性能的影響見表3。

表2 膠凝材料組成對細(xì)石灌漿料性能的影響

表3 膠砂比對細(xì)石灌漿料性能的影響

從表2可以看出，提高粉煤灰摻量有利于改善細(xì)石灌漿料的工作性能，粉煤灰摻量從20%增至30%后，細(xì)石灌漿料的J環(huán)擴(kuò)展度增大，T500擴(kuò)展時間與V型漏斗通過時間均縮短，表明細(xì)石灌漿料的流動性與填充性能變好；在水泥-粉煤灰體系中加入10%礦粉后，細(xì)石灌漿料的工作性能可進(jìn)一步得到改善，但礦粉摻量繼續(xù)增加至15%后，細(xì)石灌漿料的粘度變大，流動速度變緩；采用20%粉煤灰、10%礦粉和5%的石灰石粉復(fù)摻后，灌漿料的流動性好，粘度適中，再繼續(xù)提高石灰石粉摻量至10%后作用不大。綜合以上試驗結(jié)果表明，采用大摻量粉煤灰和小摻量礦粉及石灰石粉復(fù)摻后的膠凝材料體系，所配制的細(xì)石灌漿料工作性能最優(yōu)。

由表3可知，隨著膠砂比的增加，細(xì)石灌漿料的J環(huán)擴(kuò)展度逐漸增大，T500擴(kuò)展時間、V型漏斗通過時間及離析率均逐漸降低。表明隨著膠材用量的增多，漿體較富裕時細(xì)石灌漿料流動性能得到提升，填充性能更優(yōu)，抗離析性能增強(qiáng)。綜合工作性能與力學(xué)性能考慮，確定膠砂比為5∶5較合適。

2.1.2 細(xì)石摻量對細(xì)石灌漿料性能的影響

細(xì)石摻量對細(xì)石灌漿料性能的影響見表4，不同細(xì)石摻量時細(xì)石灌漿料的表面狀態(tài)見圖2。

表4 細(xì)石摻量對細(xì)石灌漿料性能的影響

由表4可以看出，隨著細(xì)石摻量的增加，灌漿料的初始流動度及J環(huán)擴(kuò)展度均逐漸降低，T500擴(kuò)展時間與V型漏斗通過時間均逐漸增大。當(dāng)細(xì)石摻量不超過35%時，修補材料自流平和粘聚性極佳，易于實現(xiàn)狹小空隙和密集鋼筋網(wǎng)的密實填充；細(xì)石摻量達(dá)到40%時，J環(huán)擴(kuò)展度測試時中間出現(xiàn)石子堆積現(xiàn)象（見圖2），此時石子過多可能極易導(dǎo)致加固材料在拱肋外圍空間灌注不均勻性和局部不密實。同時隨著細(xì)石摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，細(xì)石摻量從20%逐漸增加到40%時，28 d抗壓強(qiáng)度降低了14.6%。因此，為了保證材料具有較好的填充性能與后期強(qiáng)度，確定細(xì)石內(nèi)摻摻量為35%較合適。

圖2 不同細(xì)石摻量時細(xì)石灌漿料的表面狀態(tài)

2.2 細(xì)石灌漿料變形性能的研究

膨脹劑摻量對灌漿料變形性能的影響見圖3。

圖3 膨脹劑摻量對灌漿料變形性能的影響

圖3 表明，細(xì)石灌漿料的收縮率隨著膨脹劑摻量的增加而逐漸降低，膨脹劑摻量為6%與8%時，各齡期的變形值相差很小，體積變形曲線基本重合。當(dāng)膨脹劑摻量提高至10%時，材料的體積穩(wěn)定性得到改善，各齡期的變形值約降低0.01%。

按表1中GF10為基準(zhǔn)配合比成型試件，分別水養(yǎng)（20℃水中養(yǎng)護(hù)）、標(biāo)養(yǎng)（溫度20℃、相對濕度90%）、灑水養(yǎng)護(hù)（溫度20℃、灑水保持試件表面濕潤的狀態(tài)至設(shè)定的齡期后轉(zhuǎn)移至干燥環(huán)境）后，模擬了現(xiàn)場早期采用不同養(yǎng)護(hù)方式對變形性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)方式對細(xì)石灌漿料變形性能的影響非常顯著。水養(yǎng)3 d后放入干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)160 d時，試件仍處于微膨脹狀態(tài)?？紤]現(xiàn)場缺乏水養(yǎng)條件，采用更接近現(xiàn)場的灑水養(yǎng)護(hù)和高飽和濕度養(yǎng)護(hù)，在測試的140 d齡期內(nèi)試件變形值仍可控制在無收縮范圍內(nèi)，表明在實際施工條件下，完全可實現(xiàn)修補材料的無收縮，大幅降低修補層開裂失效的風(fēng)險。這是因為在早期高濕度環(huán)境下，當(dāng)內(nèi)部含水量隨著水化反應(yīng)減少時，內(nèi)外將會形成濕度梯度，在濕度梯度與外部充分養(yǎng)護(hù)的補水作用下，修補材料內(nèi)部相對濕度較高，其收縮應(yīng)力也較小?？梢姡扇『线m的養(yǎng)護(hù)方式，延長試件早期濕養(yǎng)護(hù)時間，可有利于膨脹效能的發(fā)揮，降低修補材料的開裂風(fēng)險。

2.3 工程應(yīng)用

南京長江大橋引橋為雙曲拱橋結(jié)構(gòu)，由于修造年代相對較早，加上當(dāng)初的設(shè)計交通量、荷載標(biāo)準(zhǔn)、材料選擇與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相差較遠(yuǎn)，并且雙曲拱結(jié)構(gòu)體系本身存在缺陷等都已不能滿足當(dāng)前運營安全和舒適性的要求。同時，拱肋混凝土原強(qiáng)度等級僅為C20～C25，總體狀況雖然良好，但經(jīng)過近半個世紀(jì)的服役和風(fēng)雨侵蝕后局部混凝土有疏松剝落等病害，已不能滿足交通流量倍增的承載需求。經(jīng)綜合檢測評估，決定對其進(jìn)行徹底的維修與改造。

在維修方案中，對拱肋部分采取增大截面法進(jìn)行加固，通過增大原混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積和配筋[見圖5（a）]，以提高拱肋的截面承載力、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性。通過試驗研究和現(xiàn)場模擬，采用研制的細(xì)石灌漿料工作性能及變形性能優(yōu)（見表5），已成功用于大橋拱肋加固，拆模后可觀察到澆筑的構(gòu)件填充密實、表面平整光滑，未產(chǎn)生裂縫[見圖5（b）]。

圖4 養(yǎng)護(hù)方式對細(xì)石灌漿料的變形性能的影響

圖5 南京長江大橋引橋加固現(xiàn)場施工照片

表5 灌漿料性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）以大摻量粉煤灰與小摻量礦粉、石灰石粉復(fù)摻后的膠凝材料體系，采用適宜的膠砂比與細(xì)石含量，配制的細(xì)石灌漿料具有優(yōu)異的工作性能與后期強(qiáng)度。

（2）采取合適的養(yǎng)護(hù)方式，延長試件早期濕養(yǎng)護(hù)時間，有利于膨脹效能的發(fā)揮，在實際施工條件下，可實現(xiàn)修補材料的無收縮。

（3）研制的細(xì)石灌漿料已成功應(yīng)用于南京某大橋的拱肋加固，其工作性能優(yōu)，澆筑后構(gòu)件填充密實、未產(chǎn)生裂縫。

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