一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構及施工方法與流程
2023-05-14 19:42:01
本發明屬於公路橋梁建築技術領域，涉及混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構及施工方法。
背景技術：
橋梁伸縮縫作為高速公路混凝土橋梁結構中的一個重要附屬結構，其過渡區結構性能的優劣不僅對橋梁結構服役性能有著重要的影響，並對行車安全有著直接影響。因此，對高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區的日常運營維護，長期以來一直是世界各國高速公路養護管理中心日常工作的重中之重。
目前對高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區採用的修複方法主要是：先鑿除橋梁伸縮縫過渡區原充填材料，然後向其預留槽內澆注一定厚度的微膨脹高強普通混凝土或鋼纖維增強混凝土等修復材料，最後收光、抹面，養護一定時間後即開通交通。但大量工程實踐表明，這種簡單的修複方法往往治標不治本，並沒有很好解決當今高速公路橋梁伸縮縫過渡區混凝土時常過早發生鬆散剝落、疲勞斷裂等嚴重破損問題。概括起來，目前的修複方法主要存在如下兩個方面的問題：
（1）修復結構斷裂韌性不足、抗疲勞衝擊能力差。目前高速公路橋梁伸縮縫過渡區採用的修復材料尤其普通混凝土，不管斷裂韌性還是抗衝擊性能都很差，導致修復的結構無法承受車輛載荷頻繁衝擊作用，以致使其時常過早發生疲勞斷裂或衝擊破壞，從而不得不頻繁封橋翻修。
（2）修復結構與橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁之間的界面粘結力很差。目前對修復結構與橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁之間的結合面大多不加處理或僅簡單處理，導致修復的結構與橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁之間的粘結更多的是依靠修復材料自身的內聚力，然而目前採用的修復材料自身的內聚力一般都比較小，致使修復的結構因此而時常過早發生脫粘、鬆散剝落等破壞。
因此，必須從大幅度提高修復結構的斷裂韌性、抗衝擊性等綜合力學性能及其與橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁之間的粘結性能兩個方面考慮，對高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區目前所用採用的修複方法進行改進，才能顯著提高現有修復效果，進而大幅度減少對高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區日常運營維護成本和次數。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能快速修復高速公路混凝土橋梁既有伸縮縫過渡區的修復結構及施工方法，能顯著提高修復結構的斷裂韌性、抗衝擊性等綜合力學性能以及取得優異的耐久性能。
本發明是一種用於快速修復高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區的方法，其結構是根據功能/結構一體化設計思想，且採用兩次澆注的梯度結構複合技術製備而成。
為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的。
本發明所述的一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區快速修復結構，其特徵在於：它由高性能罩面磨耗層（1）和超高韌性自密實混凝土層（2）構成，高性能罩面磨耗層（1）覆設在超高韌性自密實混凝土層（2）的上方，超高韌性自密實混凝土層（2）內配有預應力鋼鉸線桁架（3）。
本發明所述的高性能罩面磨耗層（1）由市售的高速鐵路專用水泥瀝青砂漿澆築而成，高性能罩面磨耗層（1）澆注厚度為5.0～8.0cm。
本發明所述的超高韌性自密實混凝土層（2）由斷裂韌性大於30 KJ/m2、坍落擴展度不低於200mm、強度等級大於C80的超高韌性自密實混凝土澆築而成。
所述的超高韌性自密實混凝土主要由水泥、水、複合外加劑和粒徑小於0.30mm的石英砂製備而成，各原料所佔重量份數為：水泥1.00份、水0.15～0.20份、複合外加劑0.50～0.80份、粒徑小於0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的複合外加劑主要由比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰、鋼纖維、減水劑和減縮劑混合而成，各原料所佔重量份數為：比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、鋼纖維0.01～0.02份、減水劑0.01～0.03份、減縮劑0.08～0.15份。
本發明所述的預應力鋼鉸線桁架（3）用市售的15-7φ5預應力鋼鉸線按十字交叉焊接而成，其形狀可以是正四稜台或長方體，但優選設置成長方體以進一步增加修復結構的抗衝擊性能。
本發明所述的一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區快速修復結構的施工方法，其特徵在於：它包括如下步驟。
1）原充填材料鑿除：鑿除橋梁伸縮縫過渡區預留槽中的原充填材料。
2）結合面處理：將橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁的表面鑿成凹凸點陣式粗糙面，並在將殘渣、浮渣等汙染物清除後，噴灑一層混凝土界面粘結劑。
3）桁架定位和安裝：將預應力鋼鉸線桁架（3）平行放入橋梁伸縮縫過渡區預留槽內，並用膨脹螺栓將其固定在橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁上，同時使其下表面距橋梁伸縮縫過渡區預留槽底部20.0～40.0mm。
4）超高韌性自密實混凝土層澆註：向橋梁伸縮縫過渡區預留槽內澆注斷裂韌性大於30 KJ/m2、坍落擴展度不低於200mm、強度等級大於C80的超高韌性自密實混凝土至預應力鋼鉸線桁架（3）上方20.0～40.0mm處，然後收光、抹面，形成超高韌性自密實混凝土層（2）。
5）界面增強處理：採用直徑為25mm的螺紋鋼筋對超高韌性自密實混凝土層（2）的上表面進行壓痕，然後噴灑一層混凝土界面粘結劑。
6）高性能罩面磨耗層澆註：在超高韌性自密實混凝土層（2）頂面上澆注一層厚度為0.5～1.5cm、市售的高速鐵路專用水泥瀝青砂漿，然後收光、抹面，形成高性能罩面磨耗層（1）。
7）自然養護：在高性能罩面磨耗層（1）上鋪設稻草，然後不定期灑水，自然養護2天，完成施工。
上述技術方案中，所述的高性能罩面磨耗層（1）可以用市售的高速鐵路專用任一種類型水泥瀝青砂漿澆注而成，即本發明的技術方案具有廣泛的適應性，不會因為用於澆注高性能罩面磨耗層（1）水泥瀝青砂漿材料的差異性而影響到本發明技術方案的實施效果。
本發明由於採用了功能/結構一體化設計思想，對高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構進行設計和施工，因此，與現有技術方案相比，本發明技術方案具有如下突出優點。
其一，高性能罩面磨耗層（1）用高速鐵路專用水泥瀝青砂漿澆注而成，從而既可提高橋梁伸縮縫過渡區修復結構表面的耐磨性，又能增加橋梁伸縮縫過渡區修復結構與原橋面瀝青混凝土鋪裝層之間的粘結，從而可大大減少橋梁伸縮縫過渡區修復結構表面局部網裂、鬆散剝落以及與原橋面瀝青混凝土鋪裝層分離等病害。
其二，超高韌性自密實混凝土層（2）採用兼有流動性大、斷裂韌性高等優點的超高韌性自密實混凝土澆築而成，同時在其內配有預應力鋼鉸線桁架，從而可大幅提高橋梁伸縮縫過渡區修復結構的斷裂韌性和抗衝擊能力，大大減少高速公路橋梁伸縮縫過渡區修復結構的疲勞斷裂、車輛頻繁衝擊破壞等病害。
其三，由於對修復結構與橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁之間的結合面，以及高性能罩面磨耗層（1）和超高韌性自密實混凝土層（2）之間的結合面預先進行了界面增強處理，並在超高韌性自密實混凝土層（2）內配置預應力鋼鉸線桁架（3），從而可顯著提高高速公路橋梁伸縮縫過渡區修復結構的整體穩定性，延長橋梁伸縮縫結構使用壽命。
總之，本發明採用功能/結構一體化設計理念，設計和修築的一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構具有施工性能好、開放交通時間短、耐磨、斷裂韌性高、高抗衝擊性以及耐久性優異等優點，可廣泛應用於高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區的快速修復。
附圖說明
圖1是本發明高速公路橋梁伸縮縫過渡區修復結構的示意圖。其中，1為高性能罩面磨耗層，2為超高韌性自密實混凝土層，3為預應力鋼鉸線桁架。
圖2是本發明預應力鋼鉸線桁架的示意圖。
圖3是本發明高速公路橋梁伸縮縫過渡區修復結構的施工工藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構由高性能罩面磨耗層1和超高韌性自密實混凝土層2構成，超高韌性自密實混凝土層2內配有預應力鋼鉸線桁架3，高性能罩面磨耗層1覆設在超高韌性自密實混凝土層2的上方。
所述的高性能罩面磨耗層1用高速鐵路專用水泥瀝青砂漿澆注而成，澆注厚度為5.0～8.0cm。高速鐵路專用水泥瀝青砂漿可採用市售任一類型的高速鐵路專用水泥瀝青砂漿，實施過程中分別選用DRX-H10水泥瀝青砂漿和DRX-H12水泥瀝青砂漿進行對比。
所述的超高韌性自密實混凝土層2由斷裂韌性大於30 KJ/m2、坍落擴展度不低於200mm、強度等級大於C80的超高韌性自密實混凝土澆築而成。超高韌性自密實混凝土主要由水泥、水、複合外加劑和粒徑小於0.30mm的石英砂製備而成，各原料所佔重量份數為：水泥1.00份、水0.15～0.20份、複合外加劑0.50～0.80份、粒徑小於0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的複合外加劑主要由比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰、鋼纖維、減水劑和減縮劑混合而成，各原料所佔重量份數為：比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、鋼纖維0.01～0.02份、減水劑0.01～0.03份、減縮劑0.08～0.15份。
實施過程中選取兩種不同的超高自密實混凝土混凝土原材料重量組分，其中：
超高自密實混凝土混凝土A：水泥1.00份、水0.18份、複合外加劑0.60份、粒徑小於0.30mm的石英砂1.00份；複合外加劑：比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰2.00份、鋼纖維0.015份、減水劑0.02份、減縮劑0.10份。
超高自密實混凝土混凝土B：水泥1.00份、水0.16份、複合外加劑0.70份、粒徑小於0.30mm的石英砂1.20份；複合外加劑：比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰2.00份、鋼纖維0.018份、減水劑0.03份、減縮劑0.14份。
所述的預應力鋼鉸線桁架3由市售的15-7φ5預應力鋼鉸線焊接而成，其形狀設置成長方體，如圖2所示。
如圖3所示，上述一種高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區快速修復結構的施工方法，它包括如下步驟。
1) 原充填材料鑿除：鑿除橋梁伸縮縫過渡區預留槽的原充填材料。
2) 結合面處理：將橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁結構表面鑿成凹凸點陣式粗糙面，並將殘渣、浮渣等汙染物清除後，噴灑一層混凝土界面粘結劑。
3) 桁架定位和安裝：將預應力鋼鉸線網格桁架(3)平行放入並用膨脹螺栓固定在橋梁伸縮縫過渡區預留槽內主梁上，同時使其下表面距橋梁伸縮縫過渡區預留槽底部20.0～40.0mm。
4) 結構層澆註：向橋梁伸縮縫過渡區預留槽內澆注斷裂韌性大於30 KJ/m2、坍落度不低於200mm、強度等級大於C80的纖維增強自密實細骨料混凝土，形成超高韌性自密實混凝土結構層(2)，並使其上表面處在預應力鋼鉸線網格桁架(3)上方20.0～40.0mm處；纖維增強自密實細骨料混凝土主要由水泥、水、複合外加劑和粒徑小於0.30mm的石英砂製備而成，各原料所佔重量份數為：水泥1.00份、水0.15～0.20份、複合外加劑0.50～0.80份、粒徑小於0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的複合外加劑主要由比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰、鋼纖維、減水劑和減縮劑混合而成，各原料所佔重量份數為：比表面積大於20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面積大於4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、鋼纖維0.01～0.02份、減水劑0.01～0.03份、減縮劑0.08～0.15份。
5) 界面增強處理：採用直徑為25mm的螺紋鋼筋對超高韌性自密實混凝土結構層(2)上表面進行壓痕，然後噴灑一層混凝土界面粘結劑。
6) 高性能罩面磨耗層澆註：在超高韌性自密實混凝土結構層(2)上澆注高速鐵路專用水泥瀝青砂漿，然後收光、抹面，形成厚度為0.5～1.5cm的高性能罩面磨耗層(1)。
7) 自然養護：在高性能罩面磨耗層(1)上鋪設稻草，然後不定期灑水，自然養護2天即可。
本發明設計的高速公路橋梁伸縮縫過渡區修復結構的主要技術參數為：根據中國CB/T 50080-2002標準，其結構層的混凝土坍落擴展度大於200mm；根據中國CB/T 50081-2002標準，其結構層的混凝土抗壓強度大於80 MPa；根據美國材料協會ASTM C1018-98，修復結構的斷裂韌性大於30 KJ/m2；根據美國ACl544委員會推薦的落重法測試，其修復結構的初始開裂衝擊次數大於300次；根據混凝土Cl－擴散係數快速檢測的NEL法，Cl－離子擴散係數小於0.2×10－12m2/s；根據中國JTG/E30-2005，磨耗係數小於1.5。
為了對比，採用C50普通矽酸鹽水泥混凝土製備了一種常用於橋梁伸縮縫過渡區的修復結構 (實施例1)，其所用材料及其要求見表1。根據本發明設計，製備了兩種由高性能罩面磨耗層和超高韌性自密實混凝土結構層(內配有預應力鋼鉸線桁架)構成的橋梁伸縮縫過渡區的修復結構(實施例2和實施例3)，各層所用材料及其要求見表1。養護制度均採用覆草灑水自然養護28天。
測試項目包括：混凝土坍落擴展度、混凝土抗壓強度、修復結構的斷裂韌性和初始開裂衝擊次數、Cl－離子擴散係數和磨耗係數，測試結果見表2。
由表2可見： 採用本發明設計製備的修復結構(實施例2和實施例3)，不管其混凝土的坍落擴展度和抗壓強度，還是其修復結構的斷裂韌性、初始開裂衝擊次數和Cl－離子擴散係數和磨耗係數，均好於C50普通矽酸鹽水泥混凝土目前常用修復結構的。說明採用本發明的修複方法可顯著提高高速公路混凝土橋梁伸縮縫過渡區修復結構的斷裂韌性、抗衝擊性等綜合力學性能以及耐久性，且開放交通時間短。
附表說明
表1 修復結構各層所用材料及其要求。
表2修復結構各項測試指標。