超韌性混凝土在橋梁隧道加固維修中的應用

摘要 超韌性混凝土STC是超高性能混凝土（uhpc）的一種，主要特點是添加了較多的纖維，該材料對抗拉、抗折強度有更高的要求，在一定的使用環(huán)境下，抗壓強度可以適當降低至100 Mp以下。文章結合幾個已經(jīng)完工的工程實踐，從橋隧養(yǎng)護、加固維修施工的角度較詳細地介紹超韌性混凝土在橋隧加固中的具體應用，并根據(jù)施工過程中的實際情況總結優(yōu)缺點及施工過程中的注意事項。

關鍵詞 超韌性混凝土；STC；橋隧加固實踐；橋隧養(yǎng)護

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0124-03

0 引言

鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁、新奧法施工的隧道二襯混凝土，在使用年限內會出現(xiàn)較多的裂縫病害。混凝土表面的裂縫對鋼筋混凝土的耐久性產(chǎn)生較大影響，甚至影響到結構安全。目前，混凝土表面裂縫的處理方案，大多采用環(huán)氧膠泥材料進行裂縫封閉。隨著裂縫數(shù)量的增多，很多橋隧結構物表面布滿密集的封閉線條，不但嚴重影響結構物的外觀，而且由于環(huán)氧膠泥這種材料屬于有機物，其有效期限與水泥基材料并不相同，在有效期內也存在脫落情況，所以采用環(huán)氧膠泥封閉較密集的混凝土表面裂縫，不是一種完善的處理方案。超韌性混凝土STC是近年出現(xiàn)的一種新型材料，屬于水泥基材料，主要組成成分為水泥、礦粉、細集料（石英砂）、鋼纖維（聚酯纖維）和減水劑等材料（組分中沒有粗骨料），經(jīng)加水拌和凝固后形成。該材料具有高抗彎強度、高韌性和高耐久性的特點，在橋隧加固中有較好的發(fā)展前景，目前這種材料已經(jīng)可以做到采用噴射混凝土的工藝施工[1]。采用這種新型材料對橋梁和隧道的密集裂縫進行封閉，是一種較為新型、經(jīng)濟的處理方案，且一勞永逸，封閉后裂縫基本不會出現(xiàn)，極大地提高了混凝土結構的耐久性和美觀程度。

1 STC超韌性混凝土在橋梁加固維修方面的應用

1.1 工程背景

浙江某高速公路樞紐匝道橋，已經(jīng)通車運營10年以上，該橋上部結構為跨徑20 m的非預應力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，2020橋梁定期檢查上部結構評定為3類構件，主要病害為箱梁底板裂縫。自通車以來，該橋每次定期檢查均發(fā)現(xiàn)箱梁底板及腹板有較多的裂縫。管養(yǎng)單位根據(jù)病害程度每2～3年對裂縫進行一次維修處理，主要采取了常規(guī)的環(huán)氧膠泥封閉裂縫和低壓灌漿加環(huán)氧膠泥封閉的處理方法。經(jīng)過多次維修處理，箱梁底板布滿了密密麻麻的橫向裂縫，平均1條/延米，大部分裂縫已經(jīng)封閉，新的裂縫還在繼續(xù)出現(xiàn)。

1.2 結構分析

對于普通鋼筋混凝土箱梁，底板橫縫屬于正常現(xiàn)象，鋼筋混凝土結構本身就是帶裂縫工作的。當板梁高度偏小、荷載通行量大時，容易出現(xiàn)橫向裂縫。此類橋梁的主要受力部件為底板鋼筋，因此裂縫對橋梁承載力的影響不大，主要為橋梁耐久性及外觀影響[2]。根據(jù)以上實際情況，設計單位與管養(yǎng)單位進行了方案比選，最后選擇在裂縫密集的幾跨采用噴射超韌性混凝土的維修處理方式。經(jīng)過工程實踐，證明該方案的選擇是正確有效的[3]。設計處理方案見圖1，設計的噴射STC指標見表1。

1.3 主要施工過程及控制要點

1.3.1 主要施工過程

超韌性混凝土采用噴射法施工，主要施工流程為原混凝土表面鑿毛→混凝土制備→混凝土噴射施工→表面平整收光→養(yǎng)護。

1.3.2 主要的施工控制要點

（1）箱梁底板及腹板鑿毛：設計方案建議采用的是高壓水槍鑿毛，經(jīng)現(xiàn)場試驗，高壓水槍鑿毛達不到設計要求的表面粗糙度（凸凹差5～6 mm）。經(jīng)過現(xiàn)場實際檢驗對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電錘鑿毛效果良好，但是工作效率較低。該工序是新舊混凝土界面結合效果的關鍵工序，必須保證鑿毛到位，否則達不到預期效果。超韌性材料噴射前必須對鑿毛的表面進行高壓水槍沖洗，保證混凝土表面干凈和濕潤，噴射過程中可根據(jù)進度及時對噴射結合面進行補噴水保持表面的濕潤。

（2）混合料的制備：該材料為配合比保密的專利材料，根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的配合比加入纖維及水現(xiàn)場拌和而成。拌和機械采用進口型的拌和噴射成套設備，纖維為聚酯纖維。施工過程要嚴格按照纖維的設計用量進行加入。現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，若按照設計量加入，則超韌性混合料堵管的概率會增加；若施工現(xiàn)場監(jiān)督不到位，操作人員為了節(jié)省時效，往往會減少纖維的摻入量。所以，現(xiàn)場必須采取有效措施，保證纖維按照設計用量摻入，否則會大幅度地降低混凝土的韌性。

（3）噴射混凝土過程：此工序噴槍的持槍作業(yè)人員為高空作業(yè)，施工中需要注意以下兩點。一是噴射管口距受噴面距離應保持20 cm以內，以減少混合料的回彈。槍頭堵塞后應立即停止供料并反轉噴射機，防止產(chǎn)生爆管并有利于疏通槍頭及管道。二是由于是高空作業(yè)，且槍頭的后坐力很大，如果施工人員操作姿勢不正確，極易站立不穩(wěn)，所以務必要按安全規(guī)定使用可移動支架或登高車，并嚴格佩戴安全防護用具。

（4）質量控制要點：一是厚度控制。現(xiàn)場采取植入鋼筋頭的方式，使用砂輪機打磨成長度2 cm外露。二是表面收光。由于材料的特殊性能及外加纖維等原因，噴射的收面工作量大于普通混凝土施工，且收光時還要人工涂抹厚度不足的地方，所以，收光工作需要增加作業(yè)人員，與噴射速度匹配。圖2為噴混凝土過程照片。

圖2 噴射過程

（5）養(yǎng)護：根據(jù)高速公路的施工環(huán)境，設計要求的養(yǎng)護條件很難達到，無論是灑水養(yǎng)護還是使用薄膜覆蓋。根據(jù)實踐經(jīng)驗，在不養(yǎng)護的條件下該材料也沒有表面缺陷，但不知道其性能是否有所降低，后期材料研發(fā)人員應考慮開發(fā)免養(yǎng)護型的材料。

2 STC超韌性混凝土在隧道加固維修方面的應用

2.1 工程背景

浙江某通車20年以上的高速公路山嶺隧道，襯砌結構形式為新奧法復合式襯砌，具體支護情況如下：Ⅱ類圍巖采用大管棚進行超前支護，鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土（部分含鋼纖維）形成初期支護，模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌；Ⅲ類圍巖采用超前錨桿進行超前支護，鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土形成初期支護，模筑素混凝土作為二次襯砌；Ⅳ類圍巖主要采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土（形成初期支護），模筑素混凝土作為二次襯砌。在2021年運營過程中發(fā)現(xiàn)有二襯掉塊現(xiàn)象，后經(jīng)過雷達掃描（二襯厚度），發(fā)現(xiàn)該隧道部分區(qū)段存在二襯厚度不足、襯砌脫空等情況，突發(fā)混凝土掉落，嚴重影響隧道的安全通行。

2.2 結構分析

掉塊段位于洞中的Ⅲ類、Ⅳ類圍巖段落，該區(qū)段二襯采用的40 cm厚素混凝土。主要原因為二襯厚度不足、襯砌空洞、環(huán)形裂縫未及時發(fā)現(xiàn)和整治，導致在外力作用下襯砌空洞處混凝土脫落掉下。而隧道拱頂二襯厚度不足、強度不足和脫空等現(xiàn)象為隧道常規(guī)病害。病害成因此處不做分析。

根據(jù)以上實際情況，設計單位與管養(yǎng)單位進行了方案比選，最后確定采用以下處理方案：對以下段落的病害采取短錨桿+鋼筋網(wǎng)片+噴射5 cm超韌性混凝土的處置方案。襯砌脫空且襯砌厚度小于設計值的1/2、縱向連續(xù)長度＞1.5 m的段落；襯砌不脫空，但厚度不足1/2且縱向連續(xù)長度＞5 m的段落；襯砌不欠厚，但背后空洞縱向連續(xù)長度＞3 m的段落。設計方案如圖3所示。

2.3 主要施工過程及控制要點

2.3.1 主要施工過程

超韌性混凝土采用噴射法施工。主要施工流程：原混凝土表面鑿毛→植筋（Φ16 mm用于掛網(wǎng)）→初噴超韌性混凝土2 cm→掛網(wǎng)（Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)片）→復噴超韌性混凝土3 cm→收光及養(yǎng)護。

2.3.2 控制要點

（1）原二襯鑿毛：經(jīng)過現(xiàn)場實際檢驗發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電錘鑿毛效果較好，缺點是效率較低。此工序的控制要點與前文的箱梁底板及腹板鑿毛相同，此處不再重復。

（2）混合料的制備：該過程的控制要點為嚴格按照纖維的設計用量進行加入。施工現(xiàn)場要采取有效的管理手段，防止一線操作人員為了施工方便而減少纖維的添加量。

（3）噴混凝土過程：在隧道中進行噴混凝土為有限空間的高空作業(yè)，除了按照橋梁噴混凝土施工的要求做好高空作業(yè)的防護設施外，還應加強對個體的防護，嚴格佩戴防塵口罩、護目鏡等。質量控制要注意兩方面。一是厚度控制，現(xiàn)場采取植入鋼筋頭的方式，用砂輪機打磨成長度5 cm外露；二是表面收光，由于材料的特殊性能及外加纖維等原因，噴射的收面工作大于普通混凝土較多，且收光時還要人工涂抹厚度不足的地方，所以，收光工作需要增加作業(yè)人員，與噴射速度匹配，根據(jù)現(xiàn)場的施工實際，若對外觀要求不是太高，建議在以后的設計中取消收光，以減小對噴射混凝土凝固的影響及干擾。

（4）養(yǎng)護：根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，該材料不養(yǎng)護對實際效果影響不大，在以后的同類施工中可以免去養(yǎng)護的環(huán)節(jié)。

3 噴射超韌性STC加固方案的優(yōu)缺點及展望

3.1 橋梁加固

（1）優(yōu)點：一是經(jīng)過該方案處理后，較大地提高了原混凝土的耐久性。二是因材料的韌性及纖維，梁底沒有明顯的裂縫，極大地提高了梁體的美觀性。三是施工方便。

（2）缺點：一是對原結構的承載力的沒有明顯的提升。二是材料價格較高，配合比保密，為特定廠家的專利產(chǎn)品。三是噴射機械為進口機械，價格較高。四是噴射過程中容易出現(xiàn)堵管的情況。

3.2 隧道加固

（1）優(yōu)點：一是通過錨桿與網(wǎng)片的配合使用，使噴射的超韌性材料與原襯砌結構共同受力，能顯著提高承載力，改善隧道襯砌的受力狀況。二是能有效阻止原二襯混凝土的裂縫及掉塊，提升了安全運營效率。三是施工方便，避免了重新澆筑二襯的大型臺車的制作及進出。

（2）缺點：需要在隧道中拌和及噴射，現(xiàn)場施工環(huán)境較臟。其他缺點與橋梁相同。

3.3 展望

（1）在橋梁加固中，該材料若能與體外預應力鋼絲或預應力碳板結合，能大大地提高橋梁的承載力、耐久性與美觀程度，可以發(fā)展為一種非常實用的加固方案。

（2）在隧道加固中，采用這種噴射STC的方案能顯著提高原二襯的整體性及美觀性，可以作為一種較優(yōu)秀的加固方案進行推廣。

（3）建議廠家進一步加強對材料進行研究，開發(fā)免養(yǎng)護的新型材料。

（4）原材料價格進一步下調，增加方案的經(jīng)濟性。

（5）根據(jù)現(xiàn)場的施工經(jīng)驗，對施工機械進行改良，減少機械的故障率。

（6）縮短專利保護期，將新技術新材料服務于社會的發(fā)展和進步。

4 結語

該文結合作者的幾個工程實踐、對超韌性混凝土在橋隧加固方面的應用進行總結及展望，可以作為同行同類工程的一個處置方案的參考，也對STC這種新材料的發(fā)展方向提出了一些改進措施，希望能對研究橋隧加固及加固材料的同行有所借鑒。

參考文獻

[1]邵旭東， 曹君輝. 面向未來的高性能橋梁結構研發(fā)與應用[J]. 建筑科學與工程學報， 2017（5）： 41-58.

[2]邵旭東， 邱明紅， 晏班夫， 等. 超高性能混凝土在國內外橋梁工程中的研究與應用進展[J]. 材料導報， 2017（23）： 33-43.

[3]邵旭東， 曹君輝， 張陽， 等. 基于超高性能混凝土lt;UHPCgt;的橋梁新結構——理論試驗與應用[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2022.