橋梁裂縫化學材料灌漿修復技術創新研究

劉海彎 朱彥姿

摘要：以橋梁裂縫修復為目標，進行化學材料灌漿處理時，提出一種新的橋梁裂縫化學材料灌漿修復技術，并展開實例應用分析。在橋梁裂縫兩側布置多個灌漿孔，并結合裂縫寬度和單孔理論灌漿料用量，確定鉆孔深度和寬度。對待修復區域表面進行清理和修補，通過灌漿機向鉆孔填充化學灌漿材料，完成橋梁裂縫灌漿施工。運用電熱補償原理，對灌漿材料進行保溫養護，得到最優的裂縫修復效果。分析結果表明，應用該技術進行裂縫修復后，橋梁在12 h 內最大撓度值僅為0.97 mm，相比修復前橋梁撓度值降低了31.69%。

關鍵詞：橋梁裂縫；灌漿修復；施工工藝；材料配制

中圖分類號：U445.6??????? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1001-5922（2023）03-0127-05

Innovation research on chemical material grouting repair technology for bridge cracks

LIU Haiwan1，ZHU Yanzi2

（1. Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China；

2. Zhejiang Communications Group Inspection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：Aiming at the repair of bridge cracks，when grouting with chemical materials，a new chemical material grouting repair technology for bridge cracks is proposed，and an example application analysis is carried out.Multiple grouting holes are arranged on both sides of the bridge crack，and the depth and width of the drilling hole are deter? mined in combination with the crack width and the amount of grouting material used in the single hole theory. The surface of the area to be repaired shall be cleaned and repaired，and the chemical grouting materials shall be filled into the boreholes through the grouting machine to complete the bridge crack grouting construction. Finally，the principle of electrothermal compensation is used to maintain the grouting material and obtain the optimal crack re? pair effect. The results of case analysis show that the maximum deflection of the bridge in 12 hours is only 0.97mm， which is 31.69% lower than that of the bridge before repair.

Keywords：bridge cracks；grouting repair；construction technology；material preparation

經濟的快速發展，使得人們對道路交通的需求越來越大，道路交通建設過程中，橋梁的搭建實現了天然障礙物與人工障礙物的跨越[1]。但是，在橋梁設計和施工過程中，會受到多種因素的影響出現病害，而且在交通量不斷增加的環境下，橋梁裂縫問題越來越嚴重，直接損害了橋梁的安全性與耐久性[2]。因此，如何實現橋梁裂縫的修復與加固，是許多科研人員關注的熱點問題，各種修復技術也開始涌現出來。

有研究將礦化微生物放置于堿性溶液中，根據 pH 值、鈣化速率等數據的變化，明確此種微生物的礦化模式，再以此為核心設計混凝土裂縫修復方案。試驗結果表明，該修復方法的局限性較大[3]。深入分析常規鉆孔灌漿工藝，獲取該模式下的裂縫修復效果。以加強耐久性為目標，對常規鉆孔灌漿工藝進行優化，計算最優鉆孔間距、鉆孔深度，提高橋梁裂縫灌漿修復質量。但是，該修復技術應用后橋梁撓度依舊較高[4]。運用微生物修復理念，選定芽胞桿菌作為混凝土裂縫修復的主要工具，結合芽胞修復機理，開發混凝土修復劑，將其規?；瘧弥链迯蛥^域，完成裂縫加固處理。但應用該技術進行修復后，建筑物耐久性較差[5]。

為了加強現代化交通運行的穩定性，針對橋梁裂縫問題，研究一種以化學材料灌漿為基礎的修復技術。配置滿足流動性要求的化學材料漿體，將其填充至裂縫附近的灌漿孔內，實現橋梁裂縫的修復處理。從實例分析結果可知，應用該技術進行裂縫修復后，橋梁底板跨中處撓度大幅度降低，有效提升了橋梁穩定性。

1 橋梁裂縫化學材料灌漿修復技術

1.1 化學灌漿材料的選取與配制

選擇硅酸鹽水泥、粉煤灰、砂和早強劑，作為化學灌漿主要原材料，按照合適的比例配制出高強度的混合化學材料。再向其中添加減水劑，提升化學灌漿材料的流動性。最后，為了減少漿體收縮導致的灌漿不飽滿，在材料選取過程中，添加膨脹劑使得漿體出現微弱的膨脹，保證橋梁裂縫附近的混凝土與漿體更好地粘接[6-8]。

針對選定的幾種原材料，按照不同比例進行配制，攪拌均勻后澆入成型模具，得到多個固化物，再進行拉伸強度和伸長率的計算：

式中：“表示拉伸強度；w 表示最大荷載；c 表示化學灌漿材料凝結試件的寬度；g 表示化學灌漿材料凝結試件的厚度；β表示伸長率；L 表示標距長度；ΔL 表示標距伸長量。根據式（1）和式（2），得出不同配制比例下，化學灌漿材料固化物的拉伸強度和伸長率，確定性能最優的材料配制比例。

上述選取的原材料混合過程中，自來水是不可缺少的輔助材料，但傳統修復技術并未深入研究自來水添加量，導致化學灌漿材料自身黏度較大，最終修復效果不佳。文中從灌漿材料流動性入手，深入分析不同用水量條件下化學漿體流動性[9-10]，將滿足流動性要求的化學灌漿材料灌入灌漿機內，通過泥漿泵壓入橋梁縫隙，實現裂縫灌漿修復?？紤]到一般的稠度儀難以得出準確的流動性測試結果，文中在化學灌漿材料配制階段，應用的化學漿體流動性測試裝置如圖1所示。

圖1所示的測試裝置在實際應用時，需要先浸泡玻璃板和漏斗，瀝干多余水分后，將按合適比例配制的化學漿體倒入漏斗內進行攪拌，再觀察漿體的自由下落情況，獲取下落漿體的攤鋪直徑，作為坍落直徑[11-12]，以此作為漿體流動性評價標準。觀察不同用水量環境下坍落直徑變化情況，直到漿體呈現出較好的流動性和觸變性，應用此時對應的用水量進行化學灌漿材料配制。

1.2 建立灌漿孔鉆孔方案

應用化學灌漿材料，進行橋梁裂縫灌漿修復，需要建立灌漿孔鉆孔方案[13-14]，在裂縫周圍布置多個灌漿孔。橋梁裂縫附近的灌漿孔，均是合理布置在裂縫兩側?？紤]到灌漿孔的數量、深度和間距，都會影響化學材料灌漿修復效果，實際灌漿孔分布方案建立過程中，結合施工操作標準，對多項鉆孔參數進行優化。

由于灌漿孔深度、灌漿孔直徑，都會影響灌漿料用量，為了避免不同灌漿孔之間的灌漿料用量出現差異，需要根據試件特性、裂縫寬度等參數信息，計算總灌漿料量[15-16]；再獲取每個灌漿孔的標準灌漿量，作為約束灌漿孔鉆孔方案的關鍵條件。

式中：δ為橋梁裂縫修復所需的總灌漿量；F 為裂縫寬度；k1、k2、k3、k4為表面裂縫長度；π為灌漿孔標準面積；p 為灌漿長度；m為灌漿孔總數量。引入數理統計概念，將待修復的裂縫寬度計算公式表示為：

式中：τ1、τ2、τ3分別表示鋼筋形狀系數、荷載作用系數和構件形式系數；S 為受拉鋼筋的應力；ε為鋼筋的彈性模量；e 為裂縫附近受拉鋼筋直徑；r 為截面配筋率。

以式（3）為基礎，可以計算出每個灌漿孔的漿料用量為：

式中：J 為單孔灌漿用量。根據單孔灌漿用量計算結果，確定每個灌漿孔的直徑，結合上述灌漿孔分布方案，完成化學材料灌漿修復的準備工作。

1.3 設計橋梁裂縫灌漿施工工藝

為了提升橋梁裂縫修復效果，文中結合施工要求和質量檢驗要求，設計橋梁裂縫灌漿施工工藝。工藝流程主要包括6個環節，分別是裂縫表面處理、裂縫基層處理、刷涂底層界面劑、殘缺修補、化學材料灌漿、灌漿養護。

首先，對橋梁裂縫表面的脆裂、軟質等物質完全清除，作出基本的防銹處理，并將環氧樹脂涂抹在裂縫內。再針對存在殘缺部分的橋梁裂縫基層進行處理，運用高強度的混凝土修補，保持橋梁裂縫附近區域的表面平整。并在建筑表面刷環氧樹脂涂料，等待涂料干后，進行化學材料灌漿修復處理。

實際灌漿過程中，先填充裂縫兩端的灌漿孔，再不斷向橋梁裂縫中間移動，確?；瘜W材料密實灌注將灌漿機的噴嘴放置于灌漿孔內[17]，將灌漿機的壓力泵設置到合理數值，并由工人全程手扶著開始灌漿，避免漿體材料溢出?？紤]到化學灌漿材料具有優越的流變性，可以通過牛頓流變模型描述化學灌漿材料的擴散情況。

式中：I 表示切應力；f 表示切變速度；λ表示化學材料的動力黏度。

實際操作過程中，光滑裂隙填充過程中，可以應用立方定律表示單寬流量。而面對具有一定粗糙度的待填充裂縫，根據流量等效原理，得出粗糙裂隙寬度[18-19]。為了便于計算，通常采用等效水力隙寬，描述灌漿材料擴散情況。

式中：u1表示等效水力隙寬；u2表示粗糙裂隙物理隙寬；σ表示修正因子。結合式（6）與式（7），可得出如下所示灌漿材料擴散模型：

式中：V 表示單寬流量；ξ表示灌漿材料的密度；q 表示流體擴散的重力加速度；y 表示梯度。

按照上述建立的灌漿材料擴散模型，明確裂縫填充完畢時灌漿機壓力特征，確定灌漿孔完全灌滿后，關閉壓力泵并將噴嘴插入至下一個灌漿孔，重復展開灌漿處理，直至裂縫鍍金所有灌漿孔均灌滿化學灌漿材料。

1.4 灌漿材料養護與修復

灌漿結束后一周內，在灌漿材料表面全方位粘貼塑料薄膜，確保灌漿材料濕潤。當凝結水附著在薄膜后，需要暫停澆水，并向裸露在外的部分噴灑養護劑，完成為期7 d的基礎養護。

考慮到化學材料灌漿施工對環境溫度有要求，當與灌漿料接觸的建筑物表面溫度過低時，無法達到良好的裂縫修復效果。因此，橋梁裂縫化學材料灌漿修復的最后一個環節，就是對灌漿材料進行保溫養護[20]。通常情況下，可以采用電熱毯加保溫覆蓋的方式維持構筑物溫度，但考慮到橋梁體積龐大，電熱毯布置難度較大，成本較高。因此，文中引入電熱補償原理，提出電伴熱養護技術，實現灌漿材料養護與修復。

在灌漿區域均勻埋設電伴熱線路，建立扁平狀分布的電伴熱帶，當施工區域環境溫度過低時，通過智能溫控器開啟電伴熱帶，為灌漿區域不斷供熱，確保建筑物表面溫度始終保持在目標范圍內，保證橋梁裂縫灌漿修復效果良好。

2 實例分析

2.1 工程概況

本次選定的施工對象是位于涪陵區的分離式橋梁，開展裂縫化學材料灌漿修復施工。通過實地考察可知，該橋位區所處地形為峽谷，為了保證橋梁穩定性，橋梁主體結構為T 梁結構，且橋梁跨徑為6 m×50 m，橋梁全長為756 m，項目施工總成本超過1億元。以第5跨中梁為例，當前梁底存在多道裂縫，具體如圖2所示。

通過查閱施工材料可知，分離式橋梁的結構總體受力情況復雜。其中，當前T 梁結構應用整體式錨杯模式完成定型，橋梁每個部位的彎拉應力、主應力，均高于規范容許值，并且已經存在裂縫的箱梁，和沒有接縫的箱梁，具有相同的錨下局部應力，基本可以確定該裂縫不屬于結構受力裂縫。圖2所示的5條橋梁梁底裂縫，主要情況如表1所示。

應用文中提出的灌漿修復方法，針對表1所示的梁底裂縫進行施工處理。

2.2 灌漿材料配制

采用化學材料進行灌漿時，按照工程施工環境和橋梁裂縫情況，依據文中研究內容，確定表2所示的灌漿材料配制比。

按照表2所示的配制比例，混合攪拌得到化學灌漿材料后。將其倒入灌漿壓力為0.5 MPa的灌漿機內。并將裝滿化學灌漿材料的灌漿機噴嘴插入灌漿孔內，實現橋梁裂縫的灌漿修復。

2.3 灌漿修復結果

通過設置灌漿深度定義耐久性指標，在此基礎上確定鉆孔深度與鉆孔間距，形成圖3所示的灌漿修復工藝查詢結果。

從圖3可以看出，如果要求灌漿深度高于20 cm，此時所有鉆孔間距和鉆孔深度實時實施方案都可以滿足要求。但是，當灌漿深度要求為25～30 cm、30～35 cm 時，鉆孔深度分別為18 cm 和26 cm。灌漿深度高于45 cm 時，可以適當減小鉆孔間距。按照上述灌漿工藝，對當前橋梁裂縫進行修復處理，得到圖4所示的橋梁裂縫灌漿修復效果。

采用文中研究的技術，對圖4（a）所示的橋梁裂縫進行處理，得到圖4（b）所示的灌漿修復結果。從對比結果來看，所提技術的應用，可以實現橋梁箱梁裂縫的良好修復。

2.4 修復后橋梁力學性能分析

為了判斷所提裂縫修復技術的應用效果，針對裂縫修復區域布置多個監測點，并在每個監測點安裝電子位移計，對在修復之前箱梁底板跨中處撓度進行連續12 h 的監測。并在化學材料灌漿修復裂縫后，同樣對箱梁底板跨中處撓度監測12 h，對比裂縫修復前后撓度監測數據，形成圖5所示的對比結果。

從圖5可以看出，橋梁裂縫修復之前，12 h 內箱梁底板跨中處撓度值最大值達到了1.42 mm；而裂縫修復后底板跨中處撓度有了明顯降低，最大撓度值僅為0.97 mm。

綜上所述，應用化學材料對橋梁裂縫進行灌漿修復處理后，使得橋梁撓度值降低了31.69%，表明所提裂縫修復技術的應用，提升了橋梁后續承載能力。

3 結語

為了滿足人們越來越高的道路交通安全要求，針對橋梁結構裂縫問題進行研究，參考傳統的裂縫加固技術，設計一種基于化學材料灌漿的裂縫修復技術。利用具有流體性較好的化學灌漿材料，填充橋梁各個裂縫，有效抑制裂縫的發展，提升橋梁的承載能力和耐久性。

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