雙曲拱橋加固用細石灌漿料配制技術與應用研究

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 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

0 引言

據統計，20世紀60年代后期至80年代中期，我國共修建了4000余座雙曲拱橋。由于當時設計載荷低，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了不同程度的病害，已不能滿足現代交通發展的需要[1]。因此，有必要對眾多存在損傷的雙曲拱橋進行加固維修。在雙曲拱橋加固中，拱肋加固用水泥基材料的配制與應用是一項關鍵技術[2]。

拱肋加固用細石灌漿料的性能需求主要體現在以下幾個方面[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），澆筑細石灌漿料時，在狹小空間內通過密集鋼筋網并實現長距離自充填，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度和剛度；再次，拱肋加固一般采用三側加固方案，水泥水化、干燥失水等易引起的細石灌漿料的收縮，過大的收縮可能導致新舊界面之間產生較大的脫空，影響加固體的協同受力，因此，如何減小收縮，提升其結構的體積穩定性是必須關注的另一重要問題。

鑒于此，本文針對拱肋加固細石灌漿料的技術要求，從灌漿料的工作性能、力學性能和體積穩定性方面開展拱肋加固細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、無收縮的細石灌漿料配制與應用技術。

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%，細度≥500目。

（2）骨料：細骨料，粒徑0～2.36 mm，細度模數2.15；細石，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

細石灌漿料采用砂漿（A組分）與細石（B組分）按一定比例混合后加水攪拌的方式進行配制。調整A、B組分中材料性能及配合比參數，系統考察膠凝材料組成、膠砂比、細石摻量對細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（通過外加劑調整）不變，分析膠凝材料組成對細石灌漿料性能的影響；選擇表1中編號GF10為基準配合比，調整A 組分中膠凝材料與砂的質量比（膠砂比）為 4∶6、4.5∶5.5、5∶5、5.5∶4.5，分析其對細石灌漿料工作性能與力學性能的影響；按表1中GF10為基準配合比，保持A組分組成、水料比0.17不變，調整細石（B組分）內摻摻量（20%、25%、30%、35%、40%），分析細石摻量對細石灌漿料性能的影響。

表1 灌漿料試驗配合比 kg

在細石灌漿料變形性能控制方面，以表1中GF10為基準配合比，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；采用細石內摻摻量為35%、膨脹劑摻量8%、水料比為0.17不變，將試件分別水養、標養至3 d、7 d、10 d后轉移至干縮環境，模擬施工現場不同養護方式，研究其對細石灌漿料變形性能的影響。

1.2.2 試驗方法

針對修補加固細石灌漿料的性能需求，分別開展了細石灌漿料工作性能、力學性能和變形性能3個方面的試驗研究。工作性能按照CCES 02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》中規定的坍落擴展度、J環擴展度、T500擴展時間、V型漏斗通過時間、離析率、泌水率等來綜合評價細石灌漿料的流動性、填充性和抗離析性能；抗壓強度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；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準》中的干燥收縮測試方法進行測試。

2 結果與討論

2.1 細石灌漿料配制技術研究

2.1.1 砂漿組分對細石灌漿料性能的影響

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

表2 膠凝材料組成對細石灌漿料性能的影響

表3 膠砂比對細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石灌漿料的工作性能，粉煤灰摻量從20%增至30%后，細石灌漿料的J環擴展度增大，T500擴展時間與V型漏斗通過時間均縮短，表明細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，細石灌漿料的工作性能可進一步得到改善，但礦粉摻量繼續增加至15%后，細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%的石灰石粉復摻后，灌漿料的流動性好，粘度適中，再繼續提高石灰石粉摻量至10%后作用不大。綜合以上試驗結果表明，采用大摻量粉煤灰和小摻量礦粉及石灰石粉復摻后的膠凝材料體系，所配制的細石灌漿料工作性能最優。

由表3可知，隨著膠砂比的增加，細石灌漿料的J環擴展度逐漸增大，T500擴展時間、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，漿體較富裕時細石灌漿料流動性能得到提升，填充性能更優，抗離析性能增強。綜合工作性能與力學性能考慮，確定膠砂比為5∶5較合適。

2.1.2 細石摻量對細石灌漿料性能的影響

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

表4 細石摻量對細石灌漿料性能的影響

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

圖2 不同細石摻量時細石灌漿料的表面狀態

2.2 細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。當膨脹劑摻量提高至10%時，材料的體積穩定性得到改善，各齡期的變形值約降低0.01%。

按表1中GF10為基準配合比成型試件，分別水養（20℃水中養護）、標養（溫度20℃、相對濕度90%）、灑水養護（溫度20℃、灑水保持試件表面濕潤的狀態至設定的齡期后轉移至干燥環境）后，模擬了現場早期采用不同養護方式對變形性能的影響，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，現場養護方式對細石灌漿料變形性能的影響非常顯著。水養3 d后放入干燥環境中養護160 d時，試件仍處于微膨脹狀態?？紤]現場缺乏水養條件，采用更接近現場的灑水養護和高飽和濕度養護，在測試的140 d齡期內試件變形值仍可控制在無收縮范圍內，表明在實際施工條件下，完全可實現修補材料的無收縮，大幅降低修補層開裂失效的風險。這是因為在早期高濕度環境下，當內部含水量隨著水化反應減少時，內外將會形成濕度梯度，在濕度梯度與外部充分養護的補水作用下，修補材料內部相對濕度較高，其收縮應力也較小?？梢?，采取合適的養護方式，延長試件早期濕養護時間，可有利于膨脹效能的發揮，降低修補材料的開裂風險。

2.3 工程應用

南京長江大橋引橋為雙曲拱橋結構，由于修造年代相對較早，加上當初的設計交通量、荷載標準、材料選擇與現行標準相差較遠，并且雙曲拱結構體系本身存在缺陷等都已不能滿足當前運營安全和舒適性的要求。同時，拱肋混凝土原強度等級僅為C20～C25，總體狀況雖然良好，但經過近半個世紀的服役和風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。經綜合檢測評估，決定對其進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行加固，通過增大原混凝土結構的截面面積和配筋[見圖5（a）]，以提高拱肋的截面承載力、剛度、穩定性和抗裂性。通過試驗研究和現場模擬，采用研制的細石灌漿料工作性能及變形性能優（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件填充密實、表面平整光滑，未產生裂縫[見圖5（b）]。

圖4 養護方式對細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場施工照片

表5 灌漿料性能測試結果

3 結論

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

（2）采取合適的養護方式，延長試件早期濕養護時間，有利于膨脹效能的發揮，在實際施工條件下，可實現修補材料的無收縮。

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

[1] 許漢錚，黃平明，韓萬水.雙曲拱橋病害分析與加固方法研究[J].公路，2004，（8）：28-33.

[2] 劉志華，陳宇新.結構截面改變在既有雙曲拱橋加面中的應用探討[J].北方交通，2012（6）：126-128.

[3] 胡鐵剛，田甜，彭勃.水泥基灌漿料抗泌水離析性能的研究[J].新型建筑材料，2015，42（4）：33-36.

[4] 桑國臣，劉加平.水泥基無收縮復合灌漿料的實驗研究[J].新型建筑材料，2007，34（12）：4-7.

[5] 周華新，崔鞏，劉建忠.超早強水泥基快速修補加固材料的試驗研究及應用[J].混凝土，2014（8）：157-160.