季凍區(qū)公路混凝土橋梁臺身開裂加固行為研究

屈志英，趙 堃

（1.陜西建工安裝集團有限公司，陜西 西安 710068； 2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)化進程的快速推進，我國改革開放已取得矚目的成就，其中，作為路網(wǎng)咽喉的跨江海橋梁建設(shè)也隨著高速公路網(wǎng)推進而發(fā)展迅速。在過去的40 a中，共新建公路橋梁51萬多座，合計總長4.8萬km，相當(dāng)于現(xiàn)有公路橋梁總量的80%總長的93.6%。然而，在我國東北、內(nèi)蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等嚴(yán)寒地區(qū)，季凍區(qū)公路混凝土橋梁臺身開裂現(xiàn)象較為突出。這些臺身裂縫的出現(xiàn)會對臺身整體結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響，并造成嚴(yán)重安全隱患，對已經(jīng)出現(xiàn)的橋梁臺身裂縫進行治理已顯得尤為必要［1-2］。目前國內(nèi)外對季凍區(qū)公路混凝土橋梁臺身開裂修復(fù)的報道較少，具體可行的修補方法及對混凝土力學(xué)性能的影響也不清楚［3］。在此基礎(chǔ)上，對比分析了不同混凝土試件的裂縫修補方法，以期為治理季凍區(qū)公路混凝土橋梁臺身開裂提供參考。

1 試驗材料與方法

實驗原料包括強度等級42.5R的硅酸鹽水泥（比 表 面 積332 m2／kg、28 d抗 彎 強 度57 MPa、28 d抗折強度為8.3 MPa）、Ⅱ區(qū)中砂 （細(xì)度模數(shù)2.6、松散堆積密度1 516 kg／m3、含泥量0.15%、含水率2.3%）、石子 （粒徑12 mm、松散堆積密度1 499 kg／m3、含泥量0.25%）、減水率32%的YJ型聚羧酸減水劑和自來水。修復(fù)加固材料包括水泥砂漿、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、碳纖維布和浸漬膠等；試驗設(shè)備包括SW-LF2型裂縫測寬儀、YBXX型低壓注漿器、JBS-125T型萬能壓力機、GSB500RE SET型沖擊鉆和TDR-28F型混凝土快速凍融試驗機。

季凍區(qū)公路混凝土配合比參數(shù)為：強度等級C45、水灰比0.50、水泥32.5 kg／m3、砂640 kg／m3、石子1 298 kg／m3、水128 kg／m3、減 水 劑1.62 kg／m3。試件都制備成100 m3立方塊，溫度20℃、濕度大于96%條件下養(yǎng)護24 h后脫模，并繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中機型28 d氧化處理。混凝土拆除模具后使用萬能壓力機進行施加壓力，肉眼可見一定寬度裂縫后停止施壓，使試件表面產(chǎn)生裂縫［4］。

分別采用表1所示的6種修補方法對裂縫進行加固修復(fù)，其中，對照組試樣為不進行修補的試樣；按照GB／T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)對試件進行季凍環(huán)境下的凍融試驗，具體凍融環(huán)境次數(shù)見表1，試驗過程中每間隔25次進行一次混凝土試件的失重率測試。按照GB／T50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行混凝土試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗［5］。

表1 季凍區(qū)混凝土裂縫修補實驗方案Table 1 Experimental scheme for crack repair of concrete in seasonally frozen area

2 結(jié)果及討論

2.1 質(zhì)量損失率

圖1為季凍區(qū)凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系曲線。對比分析可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0增至150，6種不同修補方案的混凝土試件質(zhì)量損失率都逐漸增大，質(zhì)量損失率都要低于對照組試樣，且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，環(huán)氧樹脂修補法和碳纖維布修補法試件的質(zhì)量損失率要相對較低，具有相對較好的抵抗季凍環(huán)境的能力，這主要與環(huán)氧樹脂和碳纖維布具有更好的低溫耐久性有關(guān)［6-7］。

2.2 抗壓強度

圖1 季凍區(qū)質(zhì)量損失率的變化曲線Figure 1 Change curve of mass loss rate in seasonal frozen area

圖2為抗壓強度試驗過程中凍融循環(huán)修補加固試件的破壞形態(tài)。對比分析可知，6組試件在抗壓強度試驗過程中都發(fā)生了不同程度開裂，且A組試樣表面裂縫數(shù)量相對較多、裂縫相對較寬，而其它試件的表面裂縫數(shù)量相對較少、裂縫寬度較窄。雖然D組試件表面出現(xiàn)了一定程度的剝落，但是在試件中并未發(fā)現(xiàn)較深的裂縫。

圖2 抗壓強度試驗過程中凍融循環(huán)修補加固試件的破壞形態(tài)Figure 2 Failure mode of freeze-thaw cyclic repair and reinforcement specimen

圖3為抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系曲線。對比分析可知，6組試件的抗壓強度都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，但相同凍融循環(huán)次數(shù)下，未修復(fù)的對照組試件抗壓強度值一直處于最低，而環(huán)氧樹脂修補試件的抗壓強度值一直處于最高。此外，對比對照組和其它5組經(jīng)過修補的試件可知：經(jīng)過表面修補的試件，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強度值都要高于未修復(fù)的試件，這也表明實際應(yīng)用中，如果季凍區(qū)公路混凝土橋梁臺身發(fā)生開裂，應(yīng)對開裂處進行及時修復(fù)，以增強其抵抗凍融環(huán)境能力。

圖3 季凍區(qū)抗壓強度的變化曲線Figure 3 Change curve of compressive strength in seasonal frozen area

2.3 劈裂抗拉強度

圖4為劈裂抗拉強度試驗過程中凍融循環(huán)修補加固試件的破壞形態(tài)。對比分析可知：試件A、B、C、D、E和F在劈裂抗拉強度試驗過程中都會不同程度地出現(xiàn)裂縫，但與抗壓強度試驗過程中試件表面裂縫相似的是，經(jīng)過修補后的試件B、C、D、E和F的裂縫數(shù)量要比未修復(fù)試件A的裂縫數(shù)量更少、裂縫更窄。這也表明，在季凍區(qū)域?qū)炷猎嚰M行表面修復(fù)有助于提升試樣的劈裂抗拉強度，從而提升混凝土構(gòu)件的安全儲備能力［8］。

對6組試件在凍融條件下的劈裂抗拉強度進行測試，劈裂抗拉強度變化曲線如圖5。與6組試件的抗壓強度測試結(jié)果相似的是，隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0增加至150，6組試件的劈裂抗拉強度逐漸降低，且未修復(fù)的對照組試件劈裂抗拉強度值一直處于最低 （相同凍融循環(huán)次數(shù)），而環(huán)氧樹脂修補試件和碳纖維布修補試件的劈裂抗拉強度值較高。對比對照組和其它5組經(jīng)過修補的試件可知：經(jīng)過表面修補后的試件在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的劈裂抗拉強度值都要高于未修復(fù)的試件。

圖4 凍融循環(huán)修補加固試件的破壞形態(tài)Figure 4 Failure mode of freeze-thaw cyclic repair and reinforcement specimen

圖5 季凍區(qū)劈裂抗拉強度的變化曲線Figure 5 Change curve of splitting tensile strength in seasonal frozen zone

圖6 劈裂抗拉強度損失量的變化曲線Figure 6 Change curve of splitting tensile strength loss

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從0增加至150時，6組試件的劈裂抗拉強度損失量測試結(jié)果如圖6。6組試件在開始階段的劈裂抗拉強度損失速率較大，而后逐漸趨于平緩，并在凍融循環(huán)次數(shù)超高100次時再次出現(xiàn)增大趨勢。尤其是當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次及以上時，6組試件的劈裂抗拉強度損失量急劇增加，這也表明季凍區(qū)域有必要對混凝土試件的裂縫進行修復(fù)［9］；此外，對比分析還發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次以上時，經(jīng)過表面修復(fù)試件的劈裂抗拉強度損失量要低于未修復(fù)的試件，這與前述經(jīng)過修復(fù)的試件在相同凍融循環(huán)次數(shù)下具有較高的劈裂抗拉強度是一致的。

3 結(jié)論

a.表面修補法、環(huán)氧樹脂修補法、聚氨酯修補法、碳纖維布修補法和錨桿修補法的質(zhì)量損失率都要低于對照組試樣，且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，環(huán)氧樹脂修補法和碳纖維布修補法試件的質(zhì)量損失率相對較低，具有相對較好的抵抗季凍環(huán)境能力。

b.6組試件的抗壓強度都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，但在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，未修復(fù)的對照組試件抗壓強度值一直處于最低，而環(huán)氧樹脂修補試件抗壓強度值一直處于最高。

c.隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0增加至150，6組試件的劈裂抗拉強度都逐漸降低，且未修復(fù)的對照組試件劈裂抗拉強度值一直處于最低 （相同凍融循環(huán)次數(shù)），而環(huán)氧樹脂修補試件和碳纖維布修補試件劈裂抗拉強度值較高。