石拱橋病害整治工程中新型材料的研發與應用

李 賀，袁善文

（1.北京眷誠鐵道工程技術有限公司，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美、取材方便、造價低廉、承載潛力大等優點，在我國被廣泛應用，而現有石拱橋大多建于20世紀50年代和60年代,隨著交通運輸事業的發展,交通量的不斷增長,重型車過橋數量增多,導致現有石拱橋中已有一些出現了不同程度的病害。

現有文獻關于石拱橋的研究中，大多是關于石拱橋結構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，介紹了石拱橋專用特種注漿材料——JC-21特種灌漿料的研發與應用。

1 工程概況

本石拱橋位于寶成線觀音山至青石崖區間，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，本拱橋重新增設道碴槽排水系統和重新鋪設防水層，2010年對本橋石砌墩臺進行了抱箍加固。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，其基礎為擴大基礎。

目前，本石拱橋拱跨局部出現裂縫，部分灰縫已經脫落，在拱腳、拱腰間出現滲水、流白漿和鐘乳狀結晶現象，石拱橋拱腰處設有四個泄水孔，現在已經失效，另據設備管理單位人員介紹，在雨季，石拱橋上部線路會出現冒白漿現象。

2 病害分析

經過調查和相關資料的分析、研究，我們得出如下過程：大氣降水在石拱橋道碴槽內匯集，由于石拱橋防水層已經破壞，匯集的水會穿過防水層進入石拱橋內部填充的漿砌片石中，又由于石拱橋既有的泄水孔已經失效，流入石拱橋的水無法及時排出，致使流入的水在石拱橋內部形成水囊，而形成的水囊浸泡著石拱橋內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生化學反應形成氫氧化鈣，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生反應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，這也會把磨細的石粉帶到道碴表面形成翻白漿現象。

3 整治原則

由于石拱橋內部的灰縫被水腐蝕，其中的鈣離子逐漸流失，如不及時進行整治，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，整體結構發生變形，結構穩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部的所有空隙，填充材料要有一定的強度，確保石塊之間的灰縫強度滿足受力要求；

二是通過阻止和疏導的方式從根本上隔絕水與灰縫的接觸，減少鈣離子的流失，防止灰縫進一步腐蝕。

4 新型材料的研發

石拱橋灌漿料，是用來填充石拱橋內部的所有空隙，由于石拱橋結構形式以及石拱橋內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。

根據我們對石拱橋病害現狀的分析，以及由此提出的整治原則和方案，通過材料技術人員的不懈努力，經過反復試驗和研究，終于研發出了適合本石拱橋病害整治所需石拱橋專用特種灌漿料——JC-21特種灌漿料。JC-21特種灌漿料是由優質水泥、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，充分攪拌即可使用。

JC-21特種灌漿料是具有早期強度高、收縮率低、粘結力好、流動度大、施工快速等優點。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部回填片石之間縫隙，石拱橋內部注漿時，石拱橋前后壁并無更多約束，所以不能靠壓力進行壓注密實，必須靠材料的高流動、自流平特性達到注漿密實的目的。

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

（3）收縮率低、強粘接性。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生一定收縮，這使得原本粘接產生裂縫，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，所以材料應具備抗凍性能。

填充材料要有一定的強度，確保石塊之間的灰縫強度滿足受力要求。

5 新型材料的應用

5.1 注漿加固方案

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

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

（1）注漿孔應鉆在片石中心面上，避免在片石勾縫上進行鉆孔。

（2）注漿時采用花管跳孔注漿，注漿時應同跨兩側對稱進行。

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

（4）橋身注漿時應嚴格控制注漿壓力，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，應特別留意拱頂裂縫是否變化。

（5）加強施工的安全檢查，做到邊監測邊施工，根據監測信息，對可能發生的問題提前采取措施，確保運營鐵路的行車安全。

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

6 整治效果的檢驗

本石拱橋施工質量檢測分別采用超聲波透射法和CT法。

石拱橋兩側為石砌結構，橋體內部為填充的片石。通過對現場部分材質進行試驗性測試，得到橋體密實材質的波速范圍在3500～4500m/s之間。由于橋體內部病害的存在，導致橋體內部局部結構密實度大大下降，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部密實度的差異。對比石拱橋剖面波速差異，得出剖面中存在的不密實體、風化嚴重、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為超聲波透射法進行施工質量檢測圖，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高速區，相應的石拱石料完整；其它部分基本呈現小于2800m/s的中低速區，特別是在圖上明顯的可以看出兩個低速區，紅色矩形框內及其附近波速小于2600m/s，初步判斷為橋體內部巖石風化含水，松散不密實，是治理的重點區域。

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，檢測區域呈現整體性，沒有明顯的低速即不密實的區域。注漿前的兩個低速異常區也得到了很好的處理，波速顯著提升達25%以上，即相應的密實度得到很大提升。在左側有一個相對低速（2400-2800m/s）的區域，判斷為上排左側第一個注漿孔的注漿量不夠，或者因為比較靠近隔水層，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法進行施工質量檢測圖，通過注漿前剖面的速度等值線圖，可以看到中間區域存在一個大范圍的低速區（1800～2200m/s），通過詢問現場施工人員及查閱相關資料，推斷中間為原來填充的片石，經過多年的雨水滲漏沖刷及風化，結構變的比較松散；外圍的一圈高速區為比較完整的砌石，反演結果與實際情況比較符合。

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已經得到很好的處理，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（2800～3000m/s），可能是注漿時水泥漿滲透到這個區域的量小，但是較注漿前也有較大的改善。

超聲波透射法和CT法檢測結果，可以看出中間大面積的低速區已經得到很好的處理，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，和整治方案相適應的新型材料的研發與應用。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法進行無損檢測，其結果證實注漿方案效果明顯。整治方案以及與其相配套新型材料，通過本工程實際實施和應用，得到了很好的治理效果。

[1]茅以升，唐襄澄.中國古橋技術史[M]，北京:人民交通出版社，1986(5)：63.

[2]羅英，唐寰澄.中國石拱橋研究[M，北京:人民交通出版社，1993(6)：89-91.

[3]顏向群，李海梁.石拱橋常見病害與預防措施［J］.公路與汽運，2003（6）：69-71.

[4]王國華.石拱橋常見病害與技術改造［J］.廣東交通職業技術學院學報，2005（2）：48-49，106.

[5]劉荻，李賀.物探檢測方法在石拱橋病害整治工程中的應用[J].物探與化探，2012（S1）：119-123.

[6]周建廷，郝義，劉國金，劉思孟，劉慶陽，王鵬，周科文，龐國棟.石拱橋合理加固工序及內里分析[J]，公路 .2005(4)：33-35.

[7]周建庭，劉思孟，李躍軍.石拱橋加固改造技術［M］.北京：人民交通出版社，2008.