季冻区公路混凝土桥梁台身开裂加固行为研究

屈志英，赵 堃

（1.陕西建工安装集团有限公司，陕西 西安 710068； 2.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068）

随着国民经济的快速发展和工业化进程的快速推进，我国改革开放已取得瞩目的成就，其中，作为路网咽喉的跨江海桥梁建设也随着高速公路网推进而发展迅速。在过去的40 a中，共新建公路桥梁51万多座，合计总长4.8万km，相当于现有公路桥梁总量的80%总长的93.6%。然而，在我国东北、内蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等严寒地区，季冻区公路混凝土桥梁台身开裂现象较为突出。这些台身裂缝的出现会对台身整体结构受力产生影响，并造成严重安全隐患，对已经出现的桥梁台身裂缝进行治理已显得尤为必要［1-2］。目前国内外对季冻区公路混凝土桥梁台身开裂修复的报道较少，具体可行的修补方法及对混凝土力学性能的影响也不清楚［3］。在此基础上，对比分析了不同混凝土试件的裂缝修补方法，以期为治理季冻区公路混凝土桥梁台身开裂提供参考。

1 试验材料与方法

实验原料包括强度等级42.5R的硅酸盐水泥（比 表 面 积332 m2／kg、28 d抗 弯 强 度57 MPa、28 d抗折强度为8.3 MPa）、Ⅱ区中砂 （细度模数2.6、松散堆积密度1 516 kg／m3、含泥量0.15%、含水率2.3%）、石子 （粒径12 mm、松散堆积密度1 499 kg／m3、含泥量0.25%）、减水率32%的YJ型聚羧酸减水剂和自来水。修复加固材料包括水泥砂浆、环氧树脂、聚氨酯、碳纤维布和浸渍胶等；试验设备包括SW-LF2型裂缝测宽仪、YBXX型低压注浆器、JBS-125T型万能压力机、GSB500RE SET型冲击钻和TDR-28F型混凝土快速冻融试验机。

季冻区公路混凝土配合比参数为：强度等级C45、水灰比0.50、水泥32.5 kg／m3、砂640 kg／m3、石子1 298 kg／m3、水128 kg／m3、减 水 剂1.62 kg／m3。试件都制备成100 m3立方块，温度20℃、湿度大于96%条件下养护24 h后脱模，并继续置于标准养护室中机型28 d氧化处理。混凝土拆除模具后使用万能压力机进行施加压力，肉眼可见一定宽度裂缝后停止施压，使试件表面产生裂缝［4］。

分别采用表1所示的6种修补方法对裂缝进行加固修复，其中，对照组试样为不进行修补的试样；按照GB／T 50082-2009标准对试件进行季冻环境下的冻融试验，具体冻融环境次数见表1，试验过程中每间隔25次进行一次混凝土试件的失重率测试。按照GB／T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度试验［5］。

表1 季冻区混凝土裂缝修补实验方案Table 1 Experimental scheme for crack repair of concrete in seasonally frozen area

2 结果及讨论

2.1 质量损失率

图1为季冻区冻融循环次数与质量损失率的关系曲线。对比分析可见，随着冻融循环次数从0增至150，6种不同修补方案的混凝土试件质量损失率都逐渐增大，质量损失率都要低于对照组试样，且在相同冻融循环次数下，环氧树脂修补法和碳纤维布修补法试件的质量损失率要相对较低，具有相对较好的抵抗季冻环境的能力，这主要与环氧树脂和碳纤维布具有更好的低温耐久性有关［6-7］。

2.2 抗压强度

图1 季冻区质量损失率的变化曲线Figure 1 Change curve of mass loss rate in seasonal frozen area

图2为抗压强度试验过程中冻融循环修补加固试件的破坏形态。对比分析可知，6组试件在抗压强度试验过程中都发生了不同程度开裂，且A组试样表面裂缝数量相对较多、裂缝相对较宽，而其它试件的表面裂缝数量相对较少、裂缝宽度较窄。虽然D组试件表面出现了一定程度的剥落，但是在试件中并未发现较深的裂缝。

图2 抗压强度试验过程中冻融循环修补加固试件的破坏形态Figure 2 Failure mode of freeze-thaw cyclic repair and reinforcement specimen

图3为抗压强度与冻融循环次数的对应关系曲线。对比分析可知，6组试件的抗压强度都会随着冻融循环次数增加而逐渐降低，但相同冻融循环次数下，未修复的对照组试件抗压强度值一直处于最低，而环氧树脂修补试件的抗压强度值一直处于最高。此外，对比对照组和其它5组经过修补的试件可知：经过表面修补的试件，在相同冻融循环次数下的抗压强度值都要高于未修复的试件，这也表明实际应用中，如果季冻区公路混凝土桥梁台身发生开裂，应对开裂处进行及时修复，以增强其抵抗冻融环境能力。

图3 季冻区抗压强度的变化曲线Figure 3 Change curve of compressive strength in seasonal frozen area

2.3 劈裂抗拉强度

图4为劈裂抗拉强度试验过程中冻融循环修补加固试件的破坏形态。对比分析可知：试件A、B、C、D、E和F在劈裂抗拉强度试验过程中都会不同程度地出现裂缝，但与抗压强度试验过程中试件表面裂缝相似的是，经过修补后的试件B、C、D、E和F的裂缝数量要比未修复试件A的裂缝数量更少、裂缝更窄。这也表明，在季冻区域对混凝土试件进行表面修复有助于提升试样的劈裂抗拉强度，从而提升混凝土构件的安全储备能力［8］。

对6组试件在冻融条件下的劈裂抗拉强度进行测试，劈裂抗拉强度变化曲线如图5。与6组试件的抗压强度测试结果相似的是，随着冻融循环次数从0增加至150，6组试件的劈裂抗拉强度逐渐降低，且未修复的对照组试件劈裂抗拉强度值一直处于最低 （相同冻融循环次数），而环氧树脂修补试件和碳纤维布修补试件的劈裂抗拉强度值较高。对比对照组和其它5组经过修补的试件可知：经过表面修补后的试件在相同冻融循环次数下的劈裂抗拉强度值都要高于未修复的试件。

图4 冻融循环修补加固试件的破坏形态Figure 4 Failure mode of freeze-thaw cyclic repair and reinforcement specimen

图5 季冻区劈裂抗拉强度的变化曲线Figure 5 Change curve of splitting tensile strength in seasonal frozen zone

图6 劈裂抗拉强度损失量的变化曲线Figure 6 Change curve of splitting tensile strength loss

当冻融循环次数从0增加至150时，6组试件的劈裂抗拉强度损失量测试结果如图6。6组试件在开始阶段的劈裂抗拉强度损失速率较大，而后逐渐趋于平缓，并在冻融循环次数超高100次时再次出现增大趋势。尤其是当冻融循环次数达到100次及以上时，6组试件的劈裂抗拉强度损失量急剧增加，这也表明季冻区域有必要对混凝土试件的裂缝进行修复［9］；此外，对比分析还发现，冻融循环次数达到100次以上时，经过表面修复试件的劈裂抗拉强度损失量要低于未修复的试件，这与前述经过修复的试件在相同冻融循环次数下具有较高的劈裂抗拉强度是一致的。

3 结论

a.表面修补法、环氧树脂修补法、聚氨酯修补法、碳纤维布修补法和锚杆修补法的质量损失率都要低于对照组试样，且在相同冻融循环次数下，环氧树脂修补法和碳纤维布修补法试件的质量损失率相对较低，具有相对较好的抵抗季冻环境能力。

b.6组试件的抗压强度都会随着冻融循环次数增加而逐渐降低，但在相同冻融循环次数下，未修复的对照组试件抗压强度值一直处于最低，而环氧树脂修补试件抗压强度值一直处于最高。

c.随着冻融循环次数从0增加至150，6组试件的劈裂抗拉强度都逐渐降低，且未修复的对照组试件劈裂抗拉强度值一直处于最低 （相同冻融循环次数），而环氧树脂修补试件和碳纤维布修补试件劈裂抗拉强度值较高。