摘要 橋梁養(yǎng)護材料性能和應用技術(shù)的改進是當前交通基礎(chǔ)設(shè)施維護的重要課題，該文以湖雷十二駁橋為研究對象，針對混凝土裂縫、碳化和鋼筋銹蝕等典型病害，開展養(yǎng)護材料性能改進研究。通過研發(fā)改性環(huán)氧樹脂注漿材料、聚合物改性修補砂漿和水性環(huán)氧防護涂料，結(jié)合真空輔助注漿、智能養(yǎng)護系統(tǒng)等創(chuàng)新工藝開展工程應用，研究結(jié)果表明：該項目裂縫修復密實度達95%以上，修補強度提升35%，碳化速率降低65%。實踐證明：改進的材料體系和施工工藝可有效解決傳統(tǒng)養(yǎng)護材料的局限性，延長結(jié)構(gòu)使用壽命8～10年，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

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

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0179-03

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中面臨著荷載、環(huán)境等多重因素影響，導致各類病害的產(chǎn)生，傳統(tǒng)養(yǎng)護材料在抗裂性、耐久性等方面存在不足，難以滿足現(xiàn)代橋梁養(yǎng)護要求。目前，新型復合材料、智能材料等在橋梁養(yǎng)護領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應用前景，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、應用技術(shù)創(chuàng)新和效果評估等方面開展系統(tǒng)研究，對推動橋梁養(yǎng)護技術(shù)發(fā)展具有重要的理論價值和工程意義。

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105.27 m，采用6×16 m空心板結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計基準年為100年，按公路－級荷載設(shè)計，設(shè)計洪水頻率為1/100。橋址地基條件復雜，從一號臺至二號臺依次為花崗巖外露、中風化花崗巖、卵石層和中風化粉砂巖，設(shè)計地基承載力取500 kPa。結(jié)構(gòu)采用多種等級混凝土：空心板采用C35預制，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，一號臺采用重力式臺，一、二號墩采用柱式擴大基礎(chǔ)，三至五號墩及六號臺采用柱式端承樁基礎(chǔ)。

2 技術(shù)應用

2.1 材料性能改進

2.1.1 裂縫修復材料

雙組份改性環(huán)氧樹脂注漿材料在橋梁裂縫處理中展現(xiàn)出優(yōu)異性能。材料通過添加5%親水性改性劑提升濕面黏結(jié)性能，經(jīng)正交試驗優(yōu)化配比為主劑與固化劑2∶1，注漿材料中加入10%反應性稀釋劑調(diào)節(jié)黏度，使材料在0.10.3 mm裂縫中具有良好流動性[2]。試驗表明：改性后材料25℃時黏度為0.5 Pa·s，凝膠時間120 min，7 d抗壓強度達85 MPa，與混凝土基體黏結(jié)強度3.2 MPa，在潮濕環(huán)境下黏結(jié)強度保持率達到85%，遠高于普通環(huán)氧樹脂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度超過95%。

2.1.2 混凝土修補材料

聚合物改性修補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%膨脹劑補償收縮，并通過添加聚丙烯纖維（0.6 kg/m3）控制開裂，改性砂漿的配合比為水泥∶砂=1∶2.5，水膠比0.4。試驗結(jié)果顯示，修補材料28d抗壓強度達52.6 MPa，抗折強度7.8 MPa，與基體混凝土黏結(jié)強度2.2 MPa。砂漿塑性收縮率控制在0.018%以內(nèi)，彈性模量與基體混凝土相近，應變協(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，固含量達到68%。涂料由水性環(huán)氧樹脂、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2.8 MPa。耐候性試驗結(jié)果顯示：經(jīng)2000 h老化后涂層無明顯粉化和剝落現(xiàn)象，保光率維持在85%以上。涂層對混凝土基體具有優(yōu)異的保護作用，抗氯離子滲透系數(shù)小于1×10-12 m2/s，碳化深度年進展率降低65%，該防腐體系在提供長效防護的同時，滿足環(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)，提高裂縫修復質(zhì)量，系統(tǒng)由真空泵、負壓腔和密封裝置組成[3]。施工時，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，通過真空泵在裂縫內(nèi)部形成-0.08 MPa負壓環(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)系滿足經(jīng)驗公式：

（1）

式中：P——真空度（MPa），w——裂縫寬度（mm）。實測表明：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)氧樹脂與裂縫壁面的接觸條件。

（2）壓力實時監(jiān)控

開發(fā)注漿壓力智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)精確注漿，系統(tǒng)包括壓力傳感器、流量計和數(shù)據(jù)采集模塊。在注漿過程中，每個注漿點安裝微型壓力傳感器，采樣頻率2 Hz，通過無線傳輸將數(shù)據(jù)實時上傳至監(jiān)控終端。注漿壓力計算公式：

（2）

式中：Pi——實時注漿壓力（MPa），p0——設(shè)定壓力（MPa），k——流動系數(shù)，t——注漿時間（s）。當實測壓力超出理論曲線±15%時，系統(tǒng)自動報警并調(diào)整注漿參數(shù)，實際應用中，通過壓力監(jiān)控成功發(fā)現(xiàn)5處異常注漿點，及時調(diào)整避免了串漿和壓力過大導致的開裂風險。

（3）注漿參數(shù)優(yōu)化

基于工程實踐建立注漿參數(shù)優(yōu)化模型，針對不同位置、不同寬度的裂縫，通過正交試驗確定最佳注漿參數(shù)[4]。考慮材料黏度、裂縫特征和環(huán)境溫度等因素，建立注漿速率計算公式：

（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——注漿點間距（mm），ΔP——壓力差（MPa）。對于該工程腹板斜裂縫，當環(huán)境溫度23℃時，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)的應用使得修復材料充分滲透至裂縫深處。

（4）溫度場監(jiān)控系統(tǒng)

為確保環(huán)氧樹脂注漿材料的固化質(zhì)量，開發(fā)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度場監(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，實時監(jiān)測注漿材料的固化放熱過程。在裂縫修復區(qū)域每隔1.5 m布設(shè)一個測點，采樣頻率為5 min/次。通過建立溫度－時間曲線模型，預測材料固化程度：

（4）

式中T（t）——t時刻溫度（℃），T0——初始溫度（℃），ΔT——最大溫升（℃），k——固化速率常數(shù)。當實測溫度與理論曲線偏差超過±3℃時，系統(tǒng)自動報警并啟動應急預案，實踐表明：該系統(tǒng)可有效避免因溫度控制不當導致的固化不充分問題。

2.2.2 修補加固工藝

針對支座區(qū)混凝土剝落修補，首先采用超聲波表面處理技術(shù)進行基面處理，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，處理后基面微觀粗糙度由0.6 mm提升至1.2 mm。修補采用分層澆筑技術(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。澆筑時使用φ25 mm小型振動棒振搗15～20 s，振點間距不超過30 cm，層間間隔2～3 h。為確保修補質(zhì)量，研發(fā)了自動噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)，設(shè)置8個溫濕度監(jiān)測點，當相對濕度低于92%或表面溫度高于25℃時自動啟動噴淋[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，通過這套工藝，修補區(qū)域7 d內(nèi)保持穩(wěn)定濕度，無干縮裂紋，28 d抗壓強度達到設(shè)計要求。

2.2.3 防護施工工藝

工程采用等離子表面活化技術(shù)進行混凝土基面處理，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。施工時噴頭與基面保持25 mm距離，移動速度為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)進行防護涂料施工，采用60 kV靜電噴涂設(shè)備，配備φ 1.2mm噴嘴，涂料中加入5%導電劑，黏度控制在35s（NK-2杯，25℃），噴涂時與基面保持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層[5]。

2.2.4 智能養(yǎng)護控制系統(tǒng)

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

3 效果評估

3.1 材料性能評估

3.1.1 物理力學性能

通過現(xiàn)場取樣和實驗室檢測，對修復材料的物理力學性能進行系統(tǒng)評估，對修補砂漿的抗壓強度、抗折強度和黏結(jié)強度等關(guān)鍵指標進行28 d、90 d齡期檢測，如表1所示。結(jié)果表明：修補材料的力學性能顯著優(yōu)于普通砂漿，其中抗壓強度比設(shè)計值提高了35%，抗折強度提升28%，與基體混凝土的黏結(jié)強度達到2.8 MPa。同時對注漿材料的流動性、黏度和力學強度進行檢測，滿足設(shè)計要求，裂縫修復后的超聲波檢測顯示，修復區(qū)域波速與完整混凝土基本一致，填充密實度達到95%以上。

3.1.2 耐久性指標

為評估修復材料的耐久性能，開展了抗?jié)B性、抗氯離子滲透性和抗碳化性等試驗，采用快速氯離子滲透法測定氯離子擴散系數(shù)，通過RCM法測定混凝土碳化系數(shù)，如表2所示。試驗結(jié)果表明：改性修補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)于普通修補材料，修復區(qū)域的氯離子擴散系數(shù)降低了65%，碳化深度年進展率降至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射線衍射（XRD）等手段對修復材料的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。SEM觀察表明：改性環(huán)氧樹脂與混凝土基體之間形成了致密的過渡區(qū)，界面結(jié)合緊密，無明顯缺陷。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性能和耐久性能。通過壓汞試驗測定材料孔結(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 工程效果評價

3.2.1 結(jié)構(gòu)性能

通過靜態(tài)加載試驗和動態(tài)監(jiān)測，對修復后結(jié)構(gòu)性能進行評估，在支座區(qū)、腹板裂縫修復部位布設(shè)應變片和位移計進行監(jiān)測，采集結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，同時利用超聲波檢測和回彈法檢測修復區(qū)域的強度恢復情況，如表3所示。結(jié)果表明：修復后結(jié)構(gòu)剛度顯著提升，撓度恢復率達到95%，裂縫修復部位應變分布均勻，結(jié)構(gòu)整體性良好，支座區(qū)混凝土強度達到原設(shè)計標準，修復材料與基體結(jié)合緊密，檢測結(jié)果表明結(jié)構(gòu)承載能力滿足使用要求。

3.2.2 使用性能

對橋梁使用性能進行跟蹤檢測，重點評估行車舒適性、防水性能和噪聲控制效果，采用加速度傳感器測試行車振動，用紅外熱像儀檢測防水效果，使用噪聲儀監(jiān)測交通噪聲，如表4所示。結(jié)果顯示：修復后橋面平整度明顯改善，車輛通過時振動加速度降低40%，防水層完好，雨季無滲水現(xiàn)象，橋面噪聲較修復前降低8 dB，使用效果顯著提升。

4 結(jié)語

通過對湖雷十二駁橋梁養(yǎng)護工程的實踐研究，驗證了橋梁養(yǎng)護材料性能改進及其應用技術(shù)的可行性和有效性，采用改性環(huán)氧樹脂注漿材料、聚合物改性修補砂漿及水性環(huán)氧防護涂料等新型材料，結(jié)合真空輔助注漿、智能養(yǎng)護系統(tǒng)等創(chuàng)新工藝，實現(xiàn)了裂縫修復密實度95%以上，修補強度提升35%，碳化速率降低65%等技術(shù)指標。修復后橋梁結(jié)構(gòu)性能和使用功能得到明顯改善，延長使用壽命8～10年的目標得以實現(xiàn)，研究成果可為同類工程提供參考，但仍需進一步研究材料的環(huán)境適應性，完善施工工藝標準，建立長效監(jiān)測評估機制。

參考文獻

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