双曲拱桥加固用细石灌浆料配制技术与应用研究

徐海源 ，沙建芳 ，张亚梅 ，刘建忠 ，郭飞

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189）

0 引言

据统计，20世纪60年代后期至80年代中期，我国共修建了4000余座双曲拱桥。由于当时设计载荷低，致使大部分双曲拱桥在长期重荷载、大交通量的运营情况下出现了不同程度的病害，已不能满足现代交通发展的需要[1]。因此，有必要对众多存在损伤的双曲拱桥进行加固维修。在双曲拱桥加固中，拱肋加固用水泥基材料的配制与应用是一项关键技术[2]。

拱肋加固用细石灌浆料的性能需求主要体现在以下几个方面[3-5]：首先，在原拱肋上植筋，钢筋最小间距仅为50 mm，加固层厚度仅为50～80 mm（见图1），浇筑细石灌浆料时，在狭小空间内通过密集钢筋网并实现长距离自充填，需要其具有良好的流动性和填充性能；其次，拱肋作为双曲拱桥主拱圈的重要支撑骨架，参与拱圈共同承受全部恒载和活载，因而必须保证足够的强度和刚度；再次，拱肋加固一般采用三侧加固方案，水泥水化、干燥失水等易引起的细石灌浆料的收缩，过大的收缩可能导致新旧界面之间产生较大的脱空，影响加固体的协同受力，因此，如何减小收缩，提升其结构的体积稳定性是必须关注的另一重要问题。

鉴于此，本文针对拱肋加固细石灌浆料的技术要求，从灌浆料的工作性能、力学性能和体积稳定性方面开展拱肋加固细石灌浆料的配制研究，旨在获得满足拱肋加固使用要求的高流动度、无收缩的细石灌浆料配制与应用技术。

图1 拱肋加固示意

1 试验

1.1 原材料

（1）胶凝材料：小野田P·Ⅱ52.5水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；南京热电厂Ⅰ级粉煤灰，密度2.4 g/cm3；南京江南粉磨站生产的钟山牌S95级矿渣微粉，比表面积395 m2/kg，密度2.7 g/cm3；灵渠牌石灰石粉，CaCO3含量＞95%，细度≥500目。

（2）骨料：细骨料，粒径0～2.36 mm，细度模数2.15；细石，粒径5～10 mm，表观密度2.65 g/cm3，针片状含量1.0%。

（3）外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的灌浆料外加剂，1001F，粉体，减水率为12%，并具有一定的抗离析泌水作用。

1.2 试验方案与方法

1.2.1 试验方案

细石灌浆料采用砂浆（A组分）与细石（B组分）按一定比例混合后加水搅拌的方式进行配制。调整A、B组分中材料性能及配合比参数，系统考察胶凝材料组成、胶砂比、细石掺量对细石灌浆料性能的影响。

按照表1的配合比，采用水料比为0.17，初始流动度约为700 mm（通过外加剂调整）不变，分析胶凝材料组成对细石灌浆料性能的影响；选择表1中编号GF10为基准配合比，调整A 组分中胶凝材料与砂的质量比（胶砂比）为 4∶6、4.5∶5.5、5∶5、5.5∶4.5，分析其对细石灌浆料工作性能与力学性能的影响；按表1中GF10为基准配合比，保持A组分组成、水料比0.17不变，调整细石（B组分）内掺掺量（20%、25%、30%、35%、40%），分析细石掺量对细石灌浆料性能的影响。

表1 灌浆料试验配合比 kg

在细石灌浆料变形性能控制方面，以表1中GF10为基准配合比，保持A组分组成、水料比0.17不变，分析膨胀剂掺量（外掺）对体积变形性能的影响；采用细石内掺掺量为35%、膨胀剂掺量8%、水料比为0.17不变，将试件分别水养、标养至3 d、7 d、10 d后转移至干缩环境，模拟施工现场不同养护方式，研究其对细石灌浆料变形性能的影响。

1.2.2 试验方法

针对修补加固细石灌浆料的性能需求，分别开展了细石灌浆料工作性能、力学性能和变形性能3个方面的试验研究。工作性能按照CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》中规定的坍落扩展度、J环扩展度、T500扩展时间、V型漏斗通过时间、离析率、泌水率等来综合评价细石灌浆料的流动性、填充性和抗离析性能；抗压强度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；变形性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的干燥收缩测试方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 细石灌浆料配制技术研究

2.1.1 砂浆组分对细石灌浆料性能的影响

胶凝材料组成对细石灌浆料性能的影响见表2，以GF10组为基准配合比，胶砂比对细石灌浆料性能的影响见表3。

表2 胶凝材料组成对细石灌浆料性能的影响

表3 胶砂比对细石灌浆料性能的影响

从表2可以看出，提高粉煤灰掺量有利于改善细石灌浆料的工作性能，粉煤灰掺量从20%增至30%后，细石灌浆料的J环扩展度增大，T500扩展时间与V型漏斗通过时间均缩短，表明细石灌浆料的流动性与填充性能变好；在水泥-粉煤灰体系中加入10%矿粉后，细石灌浆料的工作性能可进一步得到改善，但矿粉掺量继续增加至15%后，细石灌浆料的粘度变大，流动速度变缓；采用20%粉煤灰、10%矿粉和5%的石灰石粉复掺后，灌浆料的流动性好，粘度适中，再继续提高石灰石粉掺量至10%后作用不大。综合以上试验结果表明，采用大掺量粉煤灰和小掺量矿粉及石灰石粉复掺后的胶凝材料体系，所配制的细石灌浆料工作性能最优。

由表3可知，随着胶砂比的增加，细石灌浆料的J环扩展度逐渐增大，T500扩展时间、V型漏斗通过时间及离析率均逐渐降低。表明随着胶材用量的增多，浆体较富裕时细石灌浆料流动性能得到提升，填充性能更优，抗离析性能增强。综合工作性能与力学性能考虑，确定胶砂比为5∶5较合适。

2.1.2 细石掺量对细石灌浆料性能的影响

细石掺量对细石灌浆料性能的影响见表4，不同细石掺量时细石灌浆料的表面状态见图2。

表4 细石掺量对细石灌浆料性能的影响

由表4可以看出，随着细石掺量的增加，灌浆料的初始流动度及J环扩展度均逐渐降低，T500扩展时间与V型漏斗通过时间均逐渐增大。当细石掺量不超过35%时，修补材料自流平和粘聚性极佳，易于实现狭小空隙和密集钢筋网的密实填充；细石掺量达到40%时，J环扩展度测试时中间出现石子堆积现象（见图2），此时石子过多可能极易导致加固材料在拱肋外围空间灌注不均匀性和局部不密实。同时随着细石掺量的增加，抗压强度逐渐降低，细石掺量从20%逐渐增加到40%时，28 d抗压强度降低了14.6%。因此，为了保证材料具有较好的填充性能与后期强度，确定细石内掺掺量为35%较合适。

图2 不同细石掺量时细石灌浆料的表面状态

2.2 细石灌浆料变形性能的研究

膨胀剂掺量对灌浆料变形性能的影响见图3。

图3 膨胀剂掺量对灌浆料变形性能的影响

图3 表明，细石灌浆料的收缩率随着膨胀剂掺量的增加而逐渐降低，膨胀剂掺量为6%与8%时，各龄期的变形值相差很小，体积变形曲线基本重合。当膨胀剂掺量提高至10%时，材料的体积稳定性得到改善，各龄期的变形值约降低0.01%。

按表1中GF10为基准配合比成型试件，分别水养（20℃水中养护）、标养（温度20℃、相对湿度90%）、洒水养护（温度20℃、洒水保持试件表面湿润的状态至设定的龄期后转移至干燥环境）后，模拟了现场早期采用不同养护方式对变形性能的影响，结果如图4所示。

从图4可以看出，现场养护方式对细石灌浆料变形性能的影响非常显著。水养3 d后放入干燥环境中养护160 d时，试件仍处于微膨胀状态。考虑现场缺乏水养条件，采用更接近现场的洒水养护和高饱和湿度养护，在测试的140 d龄期内试件变形值仍可控制在无收缩范围内，表明在实际施工条件下，完全可实现修补材料的无收缩，大幅降低修补层开裂失效的风险。这是因为在早期高湿度环境下，当内部含水量随着水化反应减少时，内外将会形成湿度梯度，在湿度梯度与外部充分养护的补水作用下，修补材料内部相对湿度较高，其收缩应力也较小。可见，采取合适的养护方式，延长试件早期湿养护时间，可有利于膨胀效能的发挥，降低修补材料的开裂风险。

2.3 工程应用

南京长江大桥引桥为双曲拱桥结构，由于修造年代相对较早，加上当初的设计交通量、荷载标准、材料选择与现行标准相差较远，并且双曲拱结构体系本身存在缺陷等都已不能满足当前运营安全和舒适性的要求。同时，拱肋混凝土原强度等级仅为C20～C25，总体状况虽然良好，但经过近半个世纪的服役和风雨侵蚀后局部混凝土有疏松剥落等病害，已不能满足交通流量倍增的承载需求。经综合检测评估，决定对其进行彻底的维修与改造。

在维修方案中，对拱肋部分采取增大截面法进行加固，通过增大原混凝土结构的截面面积和配筋[见图5（a）]，以提高拱肋的截面承载力、刚度、稳定性和抗裂性。通过试验研究和现场模拟，采用研制的细石灌浆料工作性能及变形性能优（见表5），已成功用于大桥拱肋加固，拆模后可观察到浇筑的构件填充密实、表面平整光滑，未产生裂缝[见图5（b）]。

图4 养护方式对细石灌浆料的变形性能的影响

图5 南京长江大桥引桥加固现场施工照片

表5 灌浆料性能测试结果

3 结论

（1）以大掺量粉煤灰与小掺量矿粉、石灰石粉复掺后的胶凝材料体系，采用适宜的胶砂比与细石含量，配制的细石灌浆料具有优异的工作性能与后期强度。

（2）采取合适的养护方式，延长试件早期湿养护时间，有利于膨胀效能的发挥，在实际施工条件下，可实现修补材料的无收缩。

（3）研制的细石灌浆料已成功应用于南京某大桥的拱肋加固，其工作性能优，浇筑后构件填充密实、未产生裂缝。

[1] 许汉铮，黄平明，韩万水.双曲拱桥病害分析与加固方法研究[J].公路，2004，（8）：28-33.

[2] 刘志华，陈宇新.结构截面改变在既有双曲拱桥加面中的应用探讨[J].北方交通，2012（6）：126-128.

[3] 胡铁刚，田甜，彭勃.水泥基灌浆料抗泌水离析性能的研究[J].新型建筑材料，2015，42（4）：33-36.

[4] 桑国臣，刘加平.水泥基无收缩复合灌浆料的实验研究[J].新型建筑材料，2007，34（12）：4-7.

[5] 周华新，崔巩，刘建忠.超早强水泥基快速修补加固材料的试验研究及应用[J].混凝土，2014（8）：157-160.