高速公路橋梁養護與維修加固施工技術研究

孫啟亮

（山東高速德州發展有限公司，山東 德州 253000）

0 引言

公路橋梁是公路交通系統的重要組成部分，其安全性和耐用性直接影響到公路交通的正常運行和民眾生活的便利性。然而，由于各種自然和人為因素的影響，公路橋梁在使用過程中會出現諸如裂縫、露筋、腐蝕等病害，不僅會影響橋梁的使用性能，還可能對公路交通安全產生嚴重威脅。對公路橋梁進行定期的養護維修和必要的加固，對保證公路橋梁的安全性、耐用性和高效運行有重要意義[1]。

1 工程概況

某橋梁全長為77.8m，鋼筋混凝土實心板簡支梁引橋結構與主橋一座3 跨鋼筋混凝土雙曲拱橋相連接。整個橋梁布置為（22+22+22）m 的跨距。

主橋跨徑為22m，矢高為3.363m，橋面寬度為10.4m，矢高比為0.153。主橋的上部結構采用重力式橋墩，下部結構為鋼筋混凝土雙曲拱。該結構設計充分考慮了主橋的荷載和受力情況，能夠承受較大的交通荷載。

兩側的人行道和車行道寬度分別為1.7m 和7m，設計合理，寬度足以滿足行人及車輛的通行需求，同時為應急停車和路邊停車留有足夠空間。橋墩和橋拱為主要承重結構，采用鋼筋混凝土材料，其強度和穩定性能夠滿足橋梁的使用需求。橋墩設計為重力式結構，能夠提供強大的支撐力，保證橋梁的穩定性[2]。

2 橋梁病害與成因分析

2.1 板、梁病害

在調研過程中，注意到許多橋梁的板、梁出現明顯的裂縫，且在一些區域內發現鋼筋銹蝕和裸露等問題。其中，一些裂縫的寬度最大達1mm。通過詳細分析，確定這些裂縫是車輛荷載引起的。車輛荷載導致板、梁產生彎矩，當彎矩超過板、梁的抗彎極限時，就會出現裂縫。

目前，雖然這些裂縫尚未出現滲水現象，但并不能因此忽略其嚴重性。這些裂縫雖然未完全貫穿，但寬度已超過安全標準值，對結構的整體性產生了嚴重影響。如果不及時處理，在車輛荷載的持續作用下，裂縫可能會貫穿整個結構層，導致橋面出現滲水現象，進一步破壞橋梁結構的穩定性。

針對以上觀察到的問題，需要盡快對這些裂縫進行修補。首先，需要使用專用的混凝土修補材料或高強度砂漿來填補裂縫。其次，需要對修補后的裂縫進行保護，以防止裂縫再次擴大。最后，針對鋼筋銹蝕和裸露等問題，需要進行防腐處理，并重新涂覆保護層，以防止銹蝕進一步發展。

2.2 墩、臺病害

墩、臺作為橋梁的基礎支撐結構，主要承受兩種類型的荷載：一是來自橋梁上部結構的荷載，二是風荷載。然而，在車輛超載和重載的影響下，墩、臺可能出現一些病害，如基礎不均勻沉降、混凝土裂縫及鋼筋銹蝕等。

基礎不均勻沉降主要是由于土壤承載力的不均勻分布，導致橋墩、橋臺在受力后產生不均勻下沉現象，進而引發結構裂縫、橋面不平整等問題。在極端情況下，可能會導致橋梁失穩甚至倒塌。

混凝土裂縫是多種因素引起的，如混凝土配合比不當、固化過程中水分蒸發過快以及荷載超過混凝土抗拉強度等。一旦產生裂縫，不僅會降低橋梁的承載能力，還可能加速混凝土及鋼筋的銹蝕速度，影響橋梁的穩定性。

鋼筋銹蝕主要是水分和氧氣侵入混凝土內部，與內部鋼筋發生化學反應導致的，銹蝕會使鋼筋斷裂，導致橋梁承載能力下降，嚴重情況下可能引發結構破壞。

2.3 橋面病害

橋面是直接承受交通荷載并將其傳遞至橋梁支撐結構的關鍵部位，其病害主要表現為裂縫、斷裂等。這些病害的產生主要與橋面板剛度不足、外部荷載過大以及環境惡劣等因素有關[3]。

橋面板剛度不足是裂縫產生的直接原因。當橋面板受到車輛荷載作用時，如果其剛度不足，會產生過大的彎曲變形，從而引發表面裂縫，且裂縫的發展速度通常會比較快，尤其是在過大的外部荷載作用下，裂縫將迅速擴展，并可能引發更嚴重的結構病害，如橋面板斷裂等。

環境惡劣也是橋面病害產生的主要原因。例如，溫度變化會引發橋面材料的熱膨脹和冷收縮，從而引發裂縫；凍融循環則可能導致橋面材料脫落和破損。

橋面病害會對橋梁的整體性能產生嚴重影響。首先，裂縫的產生和擴展會改變橋面的荷載分布，導致橋梁下部結構受到非均勻荷載的作用，從而影響橋梁的整體穩定性。其次，裂縫會破壞橋面的防水層，使雨水侵入橋梁內部，可能引發混凝土及鋼筋銹蝕，降低橋梁的耐久性。最后，橋面的破損會直接影響公路行車的安全性和舒適性。

2.4 拱波露筋病害及成因

拱波露筋是一種常見的橋梁病害，主要成因是混凝土保護層厚度不足或混凝土老化破損。混凝土保護層的主要作用是保護鋼筋混凝土結構中的鋼筋免受環境因素的影響，如氧化和侵蝕。混凝土保護層的厚度和質量對鋼筋的抗腐蝕能力有直接影響，如果混凝土保護層厚度不足或混凝土老化破損，會導致鋼筋暴露在外，增加鋼筋銹蝕風險，從而影響橋梁結構的安全性和耐久性。

2.5 拱波裂縫病害及成因

拱波裂縫是指在拱波位置出現一些微小的橫向裂縫，其寬度一般不超過0.15mm，短時間內不會對橋梁結構產生重大影響。然而，這些裂縫反映出拱波受到了過大的荷載作用，尤其是當荷載的方向和拱波的形狀不符時，就可能導致裂縫產生。這些裂縫得不到及時的修復和處理，就可能進一步擴展，導致橋梁結構的安全性下降。

3 橋梁維修加固施工技術

3.1 粘貼碳纖維加固

3.1.1 技術要求

粘貼碳纖維加固是一種新型的加固方法，主要通過粘貼碳纖維板材來提高橋梁結構的承載能力、延長其使用壽命。碳纖維具有高強度、高模量、低自重以及良好的耐候性、耐腐蝕性、耐疲勞性等特點，是理想的加固材料。

（1）碳纖維片材

選擇的碳纖維片材需要具備足夠的強度和剛度，常用的碳纖維片材的拉伸強度通常在2300～2900MPa之間，模量在200～230 之間，厚度在1.2～1.4mm之間。

（2）膠黏劑

所使用的膠黏劑需要具有良好的黏接性能和耐久性。常用的是環氧樹脂膠黏劑，其黏結強度通常大于17MPa，與混凝土及碳纖維的相容性良好，且在各種環境條件下都能保持穩定的性能。

（3）混凝土表面處理

粘貼碳纖維之前，需要對混凝土表面進行清理和修復，去除雜物和疏松部分，保證表面干凈、平整。同時，應將混凝土表面的相對濕度控制在75%以下，pH 值則應在7～9 之間。粘貼碳纖維加固工藝流程如圖1 所示。

圖1 粘貼碳纖維加固工藝流程

3.1.2 施工工藝流程

碳纖維加固流程如下：混凝土表面清理—涂刷底膠—作業修補—粘貼纖維片材—成品保護。

（1）混凝土表面處理

使用專用工具對混凝土表面進行清理，去除雜物和疏松部分，修復混凝土表面的裂縫、孔洞等缺陷。

（2）底層膠黏劑涂刷

在清理干凈的混凝土表面均勻涂刷一層底層膠黏劑，厚度應在0.2～0.5mm 之間。

（3）碳纖維片材粘貼

涂刷底層膠黏劑后，按設計要求的長度、寬度裁剪碳纖維片材，并將之粘貼在混凝土表面，確保粘貼方向與受力方向一致。

（4）壓實和固化

粘貼碳纖維片材后，使用專用工具對其進行壓實，以確保碳纖維片材與混凝土表面緊密貼合，無氣泡和褶皺。然后在適宜的條件下進行固化，固化時間通常為24～48h。

（5）面層膠黏劑涂刷

固化后在碳纖維片材上涂刷一層面層膠黏劑，用于保護碳纖維片材，防止其受到環境因素的影響。

3.2 混凝土表面缺陷處理

在橋梁維修工程中，混凝土表面缺陷的處理至關重要，主要包括清理、修補和保護等步驟。

3.2.1 清理

表面清理是所有混凝土修復項目的初始步驟。需要將混凝土表面的疏松、碎裂、腐爛、污染及不牢固部分徹底清理。可以采用機械打磨、噴砂清理、高壓水射流等方法。清理后，混凝土表面應平整、無雜物，表面粗糙度（Ra）應達到50～75μm。

3.2.2 修補

需要對缺陷部位進行修補。針對裂縫和孔洞，需根據裂縫的寬度、深度和位置選擇合適的修補材料，如高性能修補砂漿或環氧樹脂等。例如，對于寬度為0.2～0.5mm 的裂縫，可以使用低黏度環氧樹脂進行注射處理。修補完成后，修補材料的抗壓強度應達到30MPa 以上。

3.2.3 保護

需要對處理過的混凝土表面進行保護處理，防止二次破壞。通常在其表面涂刷防水、防腐蝕的保護涂料。涂料應有良好的附著性，且能夠與混凝土及修補材料兼容。可以選用具有良好防水性和耐堿性的環氧樹脂涂料，確保涂刷應均勻，無漏涂、流淌、褶皺等現象。

3.3 植筋施工

植筋施工是橋梁修復和加固的一個重要環節，主要過程如下。

3.3.1 鑿孔

在預定位置使用電動鉆具打孔，孔徑應與植筋的直徑相匹配，一般為鋼筋直徑的1.3～1.5 倍。孔深的設計需要根據工程需求和鋼筋直徑來決定，通常為鋼筋直徑的20～40 倍。例如，對于直徑為20mm 的鋼筋，孔深應為400～800mm。

3.3.2 清孔

鑿孔完成后，可使用高壓風槍或高壓水槍對孔內進行清洗，以清除水、油、灰塵和碎屑。

3.3.3 灌注膠黏劑

清孔后，將兩組分的環氧樹脂膠黏劑進行混合，并立即灌入孔內。灌注膠黏劑應從孔底開始，避免形成氣泡。灌注量以孔內充滿但不溢出為宜。

3.3.4 插入鋼筋

膠黏劑灌注完成后，應立即插入鋼筋，插入過程中應避免鋼筋與孔壁直接摩擦，以免刮掉膠黏劑。插入后，鋼筋應處于設計位置，直至膠黏劑固化。

3.3.5 固化

保持適當的溫度和濕度條件，等待膠黏劑固，固化時間可參照膠黏劑的產品說明書。固化后，植筋部位的抗拉強度應達到設計值[4]。

3.4 灌縫、灌封

灌縫、灌封施工的主要目的是防止環境因素對混凝土的進一步侵蝕，以下是具體的施工步驟和要求。

3.4.1 清理裂縫

使用高壓空氣或水清理裂縫和孔洞內的雜物和灰塵，清理后的裂縫和孔洞應保持干燥。

3.4.2 選擇灌注材料

灌注材料的選擇應根據裂縫和孔洞的寬度、深度、位置等因素來決定。一般對于寬度大于0.2mm 的裂縫和孔洞，可以使用高強度砂漿或聚合物灌注材料；對于寬度小于0.2mm 的裂縫和孔洞，可以使用低黏度環氧樹脂或聚合物灌注材料。

3.4.3 灌注

將混合均勻的灌注材料從裂縫或孔洞的一端慢慢注入，直到材料從另一端流出，表示裂縫或孔洞已被填充滿。此外，灌注過程中應避免氣泡產生。

3.4.4 密封

灌注完成后，應立即用水泥砂漿或環氧樹脂涂料等密封材料將裂縫和孔洞的開口密封，以防灌注材料流失和空氣進入。

3.4.5 養護

密封完成后應進行養護，保持適當的溫度和濕度，使灌注材料充分硬化。養護期一般為7～28d，具體可參照灌注材料的產品說明書。

4 結語

在自然環境和使用過程中的多種因素的影響下，橋梁結構中的板、梁、墩、臺等主要部位容易出現裂縫、露筋、腐蝕等病害。針對這些病害，可以采用粘貼碳纖維加固、混凝土表面缺陷處理、植筋施工以及灌縫、灌封等技術進行維修和加固。合理應用這些技術能夠有效恢復橋梁的使用性能，延長橋梁的使用壽命。