橋梁養(yǎng)護(hù)中材料性能改進(jìn)與應(yīng)用技術(shù)研究

摘要 橋梁養(yǎng)護(hù)材料性能和應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)是當(dāng)前交通基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)的重要課題，該文以湖雷十二駁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，針對(duì)混凝土裂縫、碳化和鋼筋銹蝕等典型病害，開(kāi)展養(yǎng)護(hù)材料性能改進(jìn)研究。通過(guò)研發(fā)改性環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料、聚合物改性修補(bǔ)砂漿和水性環(huán)氧防護(hù)涂料，結(jié)合真空輔助注漿、智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)等創(chuàng)新工藝開(kāi)展工程應(yīng)用，研究結(jié)果表明：該項(xiàng)目裂縫修復(fù)密實(shí)度達(dá)95%以上，修補(bǔ)強(qiáng)度提升35%，碳化速率降低65%。實(shí)踐證明：改進(jìn)的材料體系和施工工藝可有效解決傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)材料的局限性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命8～10年，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 橋梁養(yǎng)護(hù)；材料性能；改性材料；施工工藝；耐久性評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0179-03

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中面臨著荷載、環(huán)境等多重因素影響，導(dǎo)致各類(lèi)病害的產(chǎn)生，傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)材料在抗裂性、耐久性等方面存在不足，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代橋梁養(yǎng)護(hù)要求。目前，新型復(fù)合材料、智能材料等在橋梁養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景，但其性能優(yōu)化和施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)仍需深入研究，因此該文圍繞材料性能提升、應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新和效果評(píng)估等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究，對(duì)推動(dòng)橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

1 工程概況

湖雷十二駁橋位于福建省永定縣瀨雷鎮(zhèn)，跨越永定河，全橋長(zhǎng)105.27 m，采用6×16 m空心板結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年為100年，按公路－級(jí)荷載設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。橋址地基條件復(fù)雜，從一號(hào)臺(tái)至二號(hào)臺(tái)依次為花崗巖外露、中風(fēng)化花崗巖、卵石層和中風(fēng)化粉砂巖，設(shè)計(jì)地基承載力取500 kPa。結(jié)構(gòu)采用多種等級(jí)混凝土：空心板采用C35預(yù)制，濕接縫和橋面鋪裝選用C40混凝土，橋墩柱等構(gòu)件采用C25現(xiàn)澆[1]。下部結(jié)構(gòu)中，一號(hào)臺(tái)采用重力式臺(tái)，一、二號(hào)墩采用柱式擴(kuò)大基礎(chǔ)，三至五號(hào)墩及六號(hào)臺(tái)采用柱式端承樁基礎(chǔ)。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 材料性能改進(jìn)

2.1.1 裂縫修復(fù)材料

雙組份改性環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料在橋梁裂縫處理中展現(xiàn)出優(yōu)異性能。材料通過(guò)添加5%親水性改性劑提升濕面黏結(jié)性能，經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化配比為主劑與固化劑2∶1，注漿材料中加入10%反應(yīng)性稀釋劑調(diào)節(jié)黏度，使材料在0.10.3 mm裂縫中具有良好流動(dòng)性[2]。試驗(yàn)表明：改性后材料25℃時(shí)黏度為0.5 Pa·s，凝膠時(shí)間120 min，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)85 MPa，與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度3.2 MPa，在潮濕環(huán)境下黏結(jié)強(qiáng)度保持率達(dá)到85%，遠(yuǎn)高于普通環(huán)氧樹(shù)脂60%的保持率，材料具有優(yōu)異的滲透性和耐久性，注漿后裂縫充填密實(shí)度超過(guò)95%。

2.1.2 混凝土修補(bǔ)材料

聚合物改性修補(bǔ)砂漿體系采用普通硅酸鹽水泥為基料。材料中摻入5%丙烯酸酯乳液改善工作性能，加入2%膨脹劑補(bǔ)償收縮，并通過(guò)添加聚丙烯纖維（0.6 kg/m3）控制開(kāi)裂，改性砂漿的配合比為水泥∶砂=1∶2.5，水膠比0.4。試驗(yàn)結(jié)果顯示，修補(bǔ)材料28d抗壓強(qiáng)度達(dá)52.6 MPa，抗折強(qiáng)度7.8 MPa，與基體混凝土黏結(jié)強(qiáng)度2.2 MPa。砂漿塑性收縮率控制在0.018%以?xún)?nèi)，彈性模量與基體混凝土相近，應(yīng)變協(xié)調(diào)性好，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的體積穩(wěn)定性和耐久性能，適用于橋梁混凝土構(gòu)件的修補(bǔ)加固。

2.1.3 防腐涂層材料

水性環(huán)氧防腐涂料作為防腐體系的主要材料，固含量達(dá)到68%。涂料由水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、防腐顏料和水分散助劑組成，VOC含量低于50 g/L。涂層采用雙道涂裝工藝，總厚度控制在220±30 μm，涂層附著力達(dá)2.8 MPa。耐候性試驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)2000 h老化后涂層無(wú)明顯粉化和剝落現(xiàn)象，保光率維持在85%以上。涂層對(duì)混凝土基體具有優(yōu)異的保護(hù)作用，抗氯離子滲透系數(shù)小于1×10-12 m2/s，碳化深度年進(jìn)展率降低65%，該防腐體系在提供長(zhǎng)效防護(hù)的同時(shí)，滿(mǎn)足環(huán)保和施工安全要求，顯著提升了結(jié)構(gòu)耐久性。

2.2 施工工藝創(chuàng)新

2.2.1 智能注漿技術(shù)

（1）真空輔助系統(tǒng)

該工程創(chuàng)新采用真空輔助注漿系統(tǒng)，提高裂縫修復(fù)質(zhì)量，系統(tǒng)由真空泵、負(fù)壓腔和密封裝置組成[3]。施工時(shí)，首先沿裂縫每隔200 mm安裝注漿嘴，采用環(huán)氧膠泥密封裂縫表面，在注漿前，通過(guò)真空泵在裂縫內(nèi)部形成-0.08 MPa負(fù)壓環(huán)境，抽除裂縫內(nèi)游離水和空氣[2]。真空度與裂縫寬度關(guān)系滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)公式：

（1）

式中：P——真空度（MPa），w——裂縫寬度（mm）。實(shí)測(cè)表明：采用真空輔助后，0.25 mm寬裂縫內(nèi)部含水率從12%降至3%，顯著改善了環(huán)氧樹(shù)脂與裂縫壁面的接觸條件。

（2）壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控

開(kāi)發(fā)注漿壓力智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確注漿，系統(tǒng)包括壓力傳感器、流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集模塊。在注漿過(guò)程中，每個(gè)注漿點(diǎn)安裝微型壓力傳感器，采樣頻率2 Hz，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控終端。注漿壓力計(jì)算公式：

（2）

式中：Pi——實(shí)時(shí)注漿壓力（MPa），p0——設(shè)定壓力（MPa），k——流動(dòng)系數(shù)，t——注漿時(shí)間（s）。當(dāng)實(shí)測(cè)壓力超出理論曲線(xiàn)±15%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并調(diào)整注漿參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)壓力監(jiān)控成功發(fā)現(xiàn)5處異常注漿點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整避免了串漿和壓力過(guò)大導(dǎo)致的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

（3）注漿參數(shù)優(yōu)化

基于工程實(shí)踐建立注漿參數(shù)優(yōu)化模型，針對(duì)不同位置、不同寬度的裂縫，通過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳注漿參數(shù)[4]?？紤]材料黏度、裂縫特征和環(huán)境溫度等因素，建立注漿速率計(jì)算公式：

（3）

式中 ：v——注漿速率（ml/min），α——修正系數(shù)，h——裂縫深度（mm），w——裂縫寬度（mm），μ——材料黏度（Pa·s），L——注漿點(diǎn)間距（mm），ΔP——壓力差（MPa）。對(duì)于該工程腹板斜裂縫，當(dāng)環(huán)境溫度23℃時(shí)，優(yōu)化后的注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，注漿速率8～12 ml/min，這些參數(shù)的應(yīng)用使得修復(fù)材料充分滲透至裂縫深處。

（4）溫度場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

為確保環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料的固化質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注漿材料的固化放熱過(guò)程。在裂縫修復(fù)區(qū)域每隔1.5 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采樣頻率為5 min/次。通過(guò)建立溫度－時(shí)間曲線(xiàn)模型，預(yù)測(cè)材料固化程度：

（4）

式中T（t）——t時(shí)刻溫度（℃），T0——初始溫度（℃），ΔT——最大溫升（℃），k——固化速率常數(shù)。當(dāng)實(shí)測(cè)溫度與理論曲線(xiàn)偏差超過(guò)±3℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，實(shí)踐表明：該系統(tǒng)可有效避免因溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致的固化不充分問(wèn)題。

2.2.2 修補(bǔ)加固工藝

針對(duì)支座區(qū)混凝土剝落修補(bǔ)，首先采用超聲波表面處理技術(shù)進(jìn)行基面處理，使用24 kHz、功率2.4 kW的超聲波清洗設(shè)備，配備直徑50 mm振頭，與基面保持15 mm距離，以0.5 m/min的速度移動(dòng)，處理后基面微觀粗糙度由0.6 mm提升至1.2 mm。修補(bǔ)采用分層澆筑技術(shù)，第一層厚度控制在20～25 mm，使用1∶2.5水泥砂漿配置并添加5%膠乳；第二層采用1∶2聚合物改性砂漿，摻入0.6 kg/m3聚丙烯纖維。澆筑時(shí)使用φ25 mm小型振動(dòng)棒振搗15～20 s，振點(diǎn)間距不超過(guò)30 cm，層間間隔2～3 h。為確保修補(bǔ)質(zhì)量，研發(fā)了自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置8個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)相對(duì)濕度低于92%或表面溫度高于25℃時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)噴淋[5]。噴頭間距600 mm，壓力0.2 MPa，白天每2 h噴淋3 min，夜間每4h噴淋5 min，通過(guò)這套工藝，修補(bǔ)區(qū)域7 d內(nèi)保持穩(wěn)定濕度，無(wú)干縮裂紋，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 防護(hù)施工工藝

工程采用等離子表面活化技術(shù)進(jìn)行混凝土基面處理，使用3.6 kW等離子發(fā)生器、12 mm噴頭和氬氣作為工作氣體，氣壓控制在0.4 MPa。施工時(shí)噴頭與基面保持25 mm距離，移動(dòng)速度為0.8 m/min，處理帶寬100 mm，每道搭接20 mm，基面溫度控制在60～80℃。處理后2 h內(nèi)進(jìn)行防護(hù)涂料施工，采用60 kV靜電噴涂設(shè)備，配備φ 1.2mm噴嘴，涂料中加入5%導(dǎo)電劑，黏度控制在35s（NK-2杯，25℃），噴涂時(shí)與基面保持200 mm垂直距離，噴涂壓力0.35 MPa，采用“S”形搭接方式，搭接寬度50 mm。防護(hù)系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)：底層使用改性環(huán)氧富鋅底漆（60 μm），中層為環(huán)氧云鐵中層漆（100 μm），面層采用氟碳面漆（60 μm）。各層間隔24h施工，在伸縮縫、棱角等易損部位增加一道加強(qiáng)層[5]。

2.2.4 智能養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)

為提高修復(fù)質(zhì)量，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、養(yǎng)護(hù)控制模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊采用DHT22溫濕度傳感器，測(cè)量精度±0.5℃和±2%RH，每5 min采集一次數(shù)據(jù)，養(yǎng)護(hù)控制模塊通過(guò)PLC控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴淋，根據(jù)測(cè)得的溫濕度數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整噴淋參數(shù)。系統(tǒng)還建立了養(yǎng)護(hù)工況數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化養(yǎng)護(hù)方案提供依據(jù)。

3 效果評(píng)估

3.1 材料性能評(píng)估

3.1.1 物理力學(xué)性能

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，對(duì)修復(fù)材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，對(duì)修補(bǔ)砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行28 d、90 d齡期檢測(cè)，如表1所示。結(jié)果表明：修補(bǔ)材料的力學(xué)性能顯著優(yōu)于普通砂漿，其中抗壓強(qiáng)度比設(shè)計(jì)值提高了35%，抗折強(qiáng)度提升28%，與基體混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到2.8 MPa。同時(shí)對(duì)注漿材料的流動(dòng)性、黏度和力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，裂縫修復(fù)后的超聲波檢測(cè)顯示，修復(fù)區(qū)域波速與完整混凝土基本一致，填充密實(shí)度達(dá)到95%以上。

3.1.2 耐久性指標(biāo)

為評(píng)估修復(fù)材料的耐久性能，開(kāi)展了抗?jié)B性、抗氯離子滲透性和抗碳化性等試驗(yàn)，采用快速氯離子滲透法測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，通過(guò)RCM法測(cè)定混凝土碳化系數(shù)，如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：改性修補(bǔ)材料具有良好的耐久性，其抗氯離子滲透性和抗碳化性均優(yōu)于普通修補(bǔ)材料，修復(fù)區(qū)域的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了65%，碳化深度年進(jìn)展率降至0.5 毫米/年，顯著提升了結(jié)構(gòu)耐久性。

3.1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡（SEM）和X射線(xiàn)衍射（XRD）等手段對(duì)修復(fù)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。SEM觀察表明：改性環(huán)氧樹(shù)脂與混凝土基體之間形成了致密的過(guò)渡區(qū)，界面結(jié)合緊密，無(wú)明顯缺陷。XRD分析顯示：聚合物改性砂漿中形成了網(wǎng)絡(luò)狀聚合物膜結(jié)構(gòu)，有效改善材料的力學(xué)性能和耐久性能。通過(guò)壓汞試驗(yàn)測(cè)定材料孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果表明：改性后材料的總孔隙率降低了25%，孔徑分布更加集中，有利于提高材料的抗?jié)B性能。

3.2 工程效果評(píng)價(jià)

3.2.1 結(jié)構(gòu)性能

通過(guò)靜態(tài)加載試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)修復(fù)后結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估，在支座區(qū)、腹板裂縫修復(fù)部位布設(shè)應(yīng)變片和位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，同時(shí)利用超聲波檢測(cè)和回彈法檢測(cè)修復(fù)區(qū)域的強(qiáng)度恢復(fù)情況，如表3所示。結(jié)果表明：修復(fù)后結(jié)構(gòu)剛度顯著提升，撓度恢復(fù)率達(dá)到95%，裂縫修復(fù)部位應(yīng)變分布均勻，結(jié)構(gòu)整體性良好，支座區(qū)混凝土強(qiáng)度達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)材料與基體結(jié)合緊密，檢測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)承載能力滿(mǎn)足使用要求。

3.2.2 使用性能

對(duì)橋梁使用性能進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，重點(diǎn)評(píng)估行車(chē)舒適性、防水性能和噪聲控制效果，采用加速度傳感器測(cè)試行車(chē)振動(dòng)，用紅外熱像儀檢測(cè)防水效果，使用噪聲儀監(jiān)測(cè)交通噪聲，如表4所示。結(jié)果顯示：修復(fù)后橋面平整度明顯改善，車(chē)輛通過(guò)時(shí)振動(dòng)加速度降低40%，防水層完好，雨季無(wú)滲水現(xiàn)象，橋面噪聲較修復(fù)前降低8 dB，使用效果顯著提升。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)湖雷十二駁橋梁養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)踐研究，驗(yàn)證了橋梁養(yǎng)護(hù)材料性能改進(jìn)及其應(yīng)用技術(shù)的可行性和有效性，采用改性環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料、聚合物改性修補(bǔ)砂漿及水性環(huán)氧防護(hù)涂料等新型材料，結(jié)合真空輔助注漿、智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)等創(chuàng)新工藝，實(shí)現(xiàn)了裂縫修復(fù)密實(shí)度95%以上，修補(bǔ)強(qiáng)度提升35%，碳化速率降低65%等技術(shù)指標(biāo)。修復(fù)后橋梁結(jié)構(gòu)性能和使用功能得到明顯改善，延長(zhǎng)使用壽命8～10年的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，研究成果可為同類(lèi)工程提供參考，但仍需進(jìn)一步研究材料的環(huán)境適應(yīng)性，完善施工工藝標(biāo)準(zhǔn)，建立長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)評(píng)估機(jī)制。

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