高速公路桥梁养护与维修加固施工技术研究

孙启亮

（山东高速德州发展有限公司，山东 德州 253000）

0 引言

公路桥梁是公路交通系统的重要组成部分，其安全性和耐用性直接影响到公路交通的正常运行和民众生活的便利性。然而，由于各种自然和人为因素的影响，公路桥梁在使用过程中会出现诸如裂缝、露筋、腐蚀等病害，不仅会影响桥梁的使用性能，还可能对公路交通安全产生严重威胁。对公路桥梁进行定期的养护维修和必要的加固，对保证公路桥梁的安全性、耐用性和高效运行有重要意义[1]。

1 工程概况

某桥梁全长为77.8m，钢筋混凝土实心板简支梁引桥结构与主桥一座3 跨钢筋混凝土双曲拱桥相连接。整个桥梁布置为（22+22+22）m 的跨距。

主桥跨径为22m，矢高为3.363m，桥面宽度为10.4m，矢高比为0.153。主桥的上部结构采用重力式桥墩，下部结构为钢筋混凝土双曲拱。该结构设计充分考虑了主桥的荷载和受力情况，能够承受较大的交通荷载。

两侧的人行道和车行道宽度分别为1.7m 和7m，设计合理，宽度足以满足行人及车辆的通行需求，同时为应急停车和路边停车留有足够空间。桥墩和桥拱为主要承重结构，采用钢筋混凝土材料，其强度和稳定性能够满足桥梁的使用需求。桥墩设计为重力式结构，能够提供强大的支撑力，保证桥梁的稳定性[2]。

2 桥梁病害与成因分析

2.1 板、梁病害

在调研过程中，注意到许多桥梁的板、梁出现明显的裂缝，且在一些区域内发现钢筋锈蚀和裸露等问题。其中，一些裂缝的宽度最大达1mm。通过详细分析，确定这些裂缝是车辆荷载引起的。车辆荷载导致板、梁产生弯矩，当弯矩超过板、梁的抗弯极限时，就会出现裂缝。

目前，虽然这些裂缝尚未出现渗水现象，但并不能因此忽略其严重性。这些裂缝虽然未完全贯穿，但宽度已超过安全标准值，对结构的整体性产生了严重影响。如果不及时处理，在车辆荷载的持续作用下，裂缝可能会贯穿整个结构层，导致桥面出现渗水现象，进一步破坏桥梁结构的稳定性。

针对以上观察到的问题，需要尽快对这些裂缝进行修补。首先，需要使用专用的混凝土修补材料或高强度砂浆来填补裂缝。其次，需要对修补后的裂缝进行保护，以防止裂缝再次扩大。最后，针对钢筋锈蚀和裸露等问题，需要进行防腐处理，并重新涂覆保护层，以防止锈蚀进一步发展。

2.2 墩、台病害

墩、台作为桥梁的基础支撑结构，主要承受两种类型的荷载：一是来自桥梁上部结构的荷载，二是风荷载。然而，在车辆超载和重载的影响下，墩、台可能出现一些病害，如基础不均匀沉降、混凝土裂缝及钢筋锈蚀等。

基础不均匀沉降主要是由于土壤承载力的不均匀分布，导致桥墩、桥台在受力后产生不均匀下沉现象，进而引发结构裂缝、桥面不平整等问题。在极端情况下，可能会导致桥梁失稳甚至倒塌。

混凝土裂缝是多种因素引起的，如混凝土配合比不当、固化过程中水分蒸发过快以及荷载超过混凝土抗拉强度等。一旦产生裂缝，不仅会降低桥梁的承载能力，还可能加速混凝土及钢筋的锈蚀速度，影响桥梁的稳定性。

钢筋锈蚀主要是水分和氧气侵入混凝土内部，与内部钢筋发生化学反应导致的，锈蚀会使钢筋断裂，导致桥梁承载能力下降，严重情况下可能引发结构破坏。

2.3 桥面病害

桥面是直接承受交通荷载并将其传递至桥梁支撑结构的关键部位，其病害主要表现为裂缝、断裂等。这些病害的产生主要与桥面板刚度不足、外部荷载过大以及环境恶劣等因素有关[3]。

桥面板刚度不足是裂缝产生的直接原因。当桥面板受到车辆荷载作用时，如果其刚度不足，会产生过大的弯曲变形，从而引发表面裂缝，且裂缝的发展速度通常会比较快，尤其是在过大的外部荷载作用下，裂缝将迅速扩展，并可能引发更严重的结构病害，如桥面板断裂等。

环境恶劣也是桥面病害产生的主要原因。例如，温度变化会引发桥面材料的热膨胀和冷收缩，从而引发裂缝；冻融循环则可能导致桥面材料脱落和破损。

桥面病害会对桥梁的整体性能产生严重影响。首先，裂缝的产生和扩展会改变桥面的荷载分布，导致桥梁下部结构受到非均匀荷载的作用，从而影响桥梁的整体稳定性。其次，裂缝会破坏桥面的防水层，使雨水侵入桥梁内部，可能引发混凝土及钢筋锈蚀，降低桥梁的耐久性。最后，桥面的破损会直接影响公路行车的安全性和舒适性。

2.4 拱波露筋病害及成因

拱波露筋是一种常见的桥梁病害，主要成因是混凝土保护层厚度不足或混凝土老化破损。混凝土保护层的主要作用是保护钢筋混凝土结构中的钢筋免受环境因素的影响，如氧化和侵蚀。混凝土保护层的厚度和质量对钢筋的抗腐蚀能力有直接影响，如果混凝土保护层厚度不足或混凝土老化破损，会导致钢筋暴露在外，增加钢筋锈蚀风险，从而影响桥梁结构的安全性和耐久性。

2.5 拱波裂缝病害及成因

拱波裂缝是指在拱波位置出现一些微小的横向裂缝，其宽度一般不超过0.15mm，短时间内不会对桥梁结构产生重大影响。然而，这些裂缝反映出拱波受到了过大的荷载作用，尤其是当荷载的方向和拱波的形状不符时，就可能导致裂缝产生。这些裂缝得不到及时的修复和处理，就可能进一步扩展，导致桥梁结构的安全性下降。

3 桥梁维修加固施工技术

3.1 粘贴碳纤维加固

3.1.1 技术要求

粘贴碳纤维加固是一种新型的加固方法，主要通过粘贴碳纤维板材来提高桥梁结构的承载能力、延长其使用寿命。碳纤维具有高强度、高模量、低自重以及良好的耐候性、耐腐蚀性、耐疲劳性等特点，是理想的加固材料。

（1）碳纤维片材

选择的碳纤维片材需要具备足够的强度和刚度，常用的碳纤维片材的拉伸强度通常在2300～2900MPa之间，模量在200～230 之间，厚度在1.2～1.4mm之间。

（2）胶黏剂

所使用的胶黏剂需要具有良好的黏接性能和耐久性。常用的是环氧树脂胶黏剂，其黏结强度通常大于17MPa，与混凝土及碳纤维的相容性良好，且在各种环境条件下都能保持稳定的性能。

（3）混凝土表面处理

粘贴碳纤维之前，需要对混凝土表面进行清理和修复，去除杂物和疏松部分，保证表面干净、平整。同时，应将混凝土表面的相对湿度控制在75%以下，pH 值则应在7～9 之间。粘贴碳纤维加固工艺流程如图1 所示。

图1 粘贴碳纤维加固工艺流程

3.1.2 施工工艺流程

碳纤维加固流程如下：混凝土表面清理—涂刷底胶—作业修补—粘贴纤维片材—成品保护。

（1）混凝土表面处理

使用专用工具对混凝土表面进行清理，去除杂物和疏松部分，修复混凝土表面的裂缝、孔洞等缺陷。

（2）底层胶黏剂涂刷

在清理干净的混凝土表面均匀涂刷一层底层胶黏剂，厚度应在0.2～0.5mm 之间。

（3）碳纤维片材粘贴

涂刷底层胶黏剂后，按设计要求的长度、宽度裁剪碳纤维片材，并将之粘贴在混凝土表面，确保粘贴方向与受力方向一致。

（4）压实和固化

粘贴碳纤维片材后，使用专用工具对其进行压实，以确保碳纤维片材与混凝土表面紧密贴合，无气泡和褶皱。然后在适宜的条件下进行固化，固化时间通常为24～48h。

（5）面层胶黏剂涂刷

固化后在碳纤维片材上涂刷一层面层胶黏剂，用于保护碳纤维片材，防止其受到环境因素的影响。

3.2 混凝土表面缺陷处理

在桥梁维修工程中，混凝土表面缺陷的处理至关重要，主要包括清理、修补和保护等步骤。

3.2.1 清理

表面清理是所有混凝土修复项目的初始步骤。需要将混凝土表面的疏松、碎裂、腐烂、污染及不牢固部分彻底清理。可以采用机械打磨、喷砂清理、高压水射流等方法。清理后，混凝土表面应平整、无杂物，表面粗糙度（Ra）应达到50～75μm。

3.2.2 修补

需要对缺陷部位进行修补。针对裂缝和孔洞，需根据裂缝的宽度、深度和位置选择合适的修补材料，如高性能修补砂浆或环氧树脂等。例如，对于宽度为0.2～0.5mm 的裂缝，可以使用低黏度环氧树脂进行注射处理。修补完成后，修补材料的抗压强度应达到30MPa 以上。

3.2.3 保护

需要对处理过的混凝土表面进行保护处理，防止二次破坏。通常在其表面涂刷防水、防腐蚀的保护涂料。涂料应有良好的附着性，且能够与混凝土及修补材料兼容。可以选用具有良好防水性和耐碱性的环氧树脂涂料，确保涂刷应均匀，无漏涂、流淌、褶皱等现象。

3.3 植筋施工

植筋施工是桥梁修复和加固的一个重要环节，主要过程如下。

3.3.1 凿孔

在预定位置使用电动钻具打孔，孔径应与植筋的直径相匹配，一般为钢筋直径的1.3～1.5 倍。孔深的设计需要根据工程需求和钢筋直径来决定，通常为钢筋直径的20～40 倍。例如，对于直径为20mm 的钢筋，孔深应为400～800mm。

3.3.2 清孔

凿孔完成后，可使用高压风枪或高压水枪对孔内进行清洗，以清除水、油、灰尘和碎屑。

3.3.3 灌注胶黏剂

清孔后，将两组分的环氧树脂胶黏剂进行混合，并立即灌入孔内。灌注胶黏剂应从孔底开始，避免形成气泡。灌注量以孔内充满但不溢出为宜。

3.3.4 插入钢筋

胶黏剂灌注完成后，应立即插入钢筋，插入过程中应避免钢筋与孔壁直接摩擦，以免刮掉胶黏剂。插入后，钢筋应处于设计位置，直至胶黏剂固化。

3.3.5 固化

保持适当的温度和湿度条件，等待胶黏剂固，固化时间可参照胶黏剂的产品说明书。固化后，植筋部位的抗拉强度应达到设计值[4]。

3.4 灌缝、灌封

灌缝、灌封施工的主要目的是防止环境因素对混凝土的进一步侵蚀，以下是具体的施工步骤和要求。

3.4.1 清理裂缝

使用高压空气或水清理裂缝和孔洞内的杂物和灰尘，清理后的裂缝和孔洞应保持干燥。

3.4.2 选择灌注材料

灌注材料的选择应根据裂缝和孔洞的宽度、深度、位置等因素来决定。一般对于宽度大于0.2mm 的裂缝和孔洞，可以使用高强度砂浆或聚合物灌注材料；对于宽度小于0.2mm 的裂缝和孔洞，可以使用低黏度环氧树脂或聚合物灌注材料。

3.4.3 灌注

将混合均匀的灌注材料从裂缝或孔洞的一端慢慢注入，直到材料从另一端流出，表示裂缝或孔洞已被填充满。此外，灌注过程中应避免气泡产生。

3.4.4 密封

灌注完成后，应立即用水泥砂浆或环氧树脂涂料等密封材料将裂缝和孔洞的开口密封，以防灌注材料流失和空气进入。

3.4.5 养护

密封完成后应进行养护，保持适当的温度和湿度，使灌注材料充分硬化。养护期一般为7～28d，具体可参照灌注材料的产品说明书。

4 结语

在自然环境和使用过程中的多种因素的影响下，桥梁结构中的板、梁、墩、台等主要部位容易出现裂缝、露筋、腐蚀等病害。针对这些病害，可以采用粘贴碳纤维加固、混凝土表面缺陷处理、植筋施工以及灌缝、灌封等技术进行维修和加固。合理应用这些技术能够有效恢复桥梁的使用性能，延长桥梁的使用寿命。