高速公路混凝土表面缺陷快速修补应用技术研究

宋晓辉，徐飞萍，陈仁山

（1.山东高速股份有限公司，山东 济南 250014；2.山东交通学院，山东 济南 250357）

1 工程技术背景及研究现状

济青高速公路建设于1993 年，西起济南历城区大桥路零点立交桥，东西途经5 个地市及17 个县（市），终至青岛市北郊的西元庄，为山东的最早的高速公路。全线桥梁、收费站广场等混凝土结构经多年的运营出现大量表面缺陷，主要表现形式是桥梁混凝土结构表面坑洞、露筋、裂缝、雨后泛白（碱）、保护层剥落以及混凝土路面起皮、磨损和露骨、坑洞、角隅断裂、纹裂或网裂等病害。

常见混凝土表面缺陷见图1、图2，混凝土路面表面磨光、露骨和错台、裂缝或网裂等路面病害传统的修复方法有路面灌缝、局部修补、表层凿除修补等［1-2］。对图3、图4 等梁底板、腹板的坑洞、露筋、泛白、蜂窝、麻面等病害主要有细石混凝土修补、聚合物砂浆修补、注胶、涂刷混凝土保护剂等［3-4］。传统混凝土表面缺陷维修养护技术特点见表1。

表1 混凝土路面表面缺陷传统维修方式

图1 混凝土路面 磨光、露骨

图2 混凝土路面错台、裂缝、网裂

图3 梁底板坑洞、露筋、泛白

图4 表面坑洞、蜂窝、麻面

混凝土表面缺陷为保证新老材料协同工作，传统维修技术主要是凿除一定深度结构层后修补或表面清理后增层（厚）修补，造成施工及养生期长、造价高，特别是路面修补对交通干扰大，并产生大量废料。随着高性能无机聚合材料研究的深入，研发适应于混凝土表层缺陷的材料性能耐久、造价适中、施工期短的快速修补材料及工艺成为行业热点。

2 高性能水泥基混凝土薄层快速修补

2.1 高性能水泥基混凝土薄层修补材料性能

高性能水泥基混凝土修补材料是以高铝水泥熟料、石膏、粉煤灰等主要胶凝材料，以高强细集料为骨料并添加一定减水剂、早强剂、膨胀剂、消泡剂等添加剂复配而成。具有快凝、快硬、早强、高强，微膨胀、密实、抗渗、抗腐蚀，黏接性能高，抗磨、耐久性能高等特点［5-6］。

针对混凝土表面缺陷高性能水泥基薄层修补材料，可用3～10 mm 超薄层快速维修，也可用1～10 cm 混凝土表层修补。初凝时间5～10 min，终凝时间10～20 min，硬化后产生强度，1 h 抗压强度能达到20 MPa 以上，2 h 即可通车；1 d 抗压强度即可达到40 MPa 以上；后期强度稳步增长，在低温条件下仍能发挥较高的小时强度。对杭州路人科技股份有限公司的修复王修补材料和北京华夏先河新材料有限公司的华夏一号水泥混凝土路面修补料进行了性能对比试验，见表2［7］。

表2 两种高性能修补材料指标试验检测数据对比

通过材料性能试验，两种水泥基混凝土薄层修补材料具有强度高、黏结性强、收缩小、温度膨胀与普通混凝土接近的优良指标，抗磨能力及凝结时间和强度增长率非常适合混凝土表层缺陷的快速修补需求。

2.2 高性能水泥基混凝土材料薄层修补关键工艺

2.2.1 维修定位及测量放线

局部修补边界及线形制约着结构表面及混凝土路面修补的质量和外观。所以对修补作业面测量放线应对不规则的病害部位进行取正找齐边界，边界定位准确、规则。

2.2.2 作业表面清理、凿毛处理

对作业基面切割凿毛。用切割、凿毛设备沿放线进行边部切割和修补面凿毛，对超薄层修补切割、凿毛深度3～5 mm，结构层一定深度修补5～10 cm。现有施工机具、设备没有适合超薄层、薄层清理及快速、均匀凿毛工艺，需在现有设备上进行改进。

2.2.3 工艺流程次序和时间进度控制

对于薄层修补主要的定位测量及放线、基面清理、材料拌和、材料摊铺与做面、作业面保护及开放交通（恢复使用）等工艺流程，必须计算好每步工艺搭接及流水施工步距。特别是材料拌和、摊铺与做面及作用面保护流程应根据材料凝结时间、修补量、设备容量及强度增长速率准确控制。

3 工程应用

济青高速公路济南段部分桥梁主梁板及收费广场混凝土路面表面缺陷，特别是收费广场混凝土路面表面由于车辆制动、起步荷载作用频繁，混凝土露骨、脱皮、边角断裂等病害发生较多。这些表面缺陷如不及时处理，在雨水及荷载作用下发展极快，会导致梁板等结构内部病害出现或混凝土路面唧浆、脱空、错台等严重病害，影响车辆通行和安全。传统处理方式不仅工艺复杂、劳动量大、安全措施要求高，特别是作业工期长，路面作业经常影响畅通和引发安全隐患，急需采用快速修补、及时开放交通的新的技术手段。高性能水泥基混凝土薄层修补材料的性能能很好地满足该项工程需求，因此，2020 年3 月对路段内的K01+230、K12+190、K23+650、K38+045、K42+340、K47+400 等10 处 的混凝土路面缺陷、旧桥主梁底板等混凝土表面缺陷，采用水泥基高性能修补材料修复王混凝土薄层修补技术进行养护处治。

旧桥梁板表面和混凝土路面病害主要是宽度小于0.2 mm 的微裂纹，以及麻面、脱皮等表层破损，包括坑槽、孔洞等非结构性破坏。经过技术、经济性分析论证后，可运用上述方案并改进施工工艺后对破损路面进行局部修补。

3.1 施工工艺流程

3.1.1 准备及测量放线

施工准备包括安全围护、路面交通控制等。根据修补结构部位，混凝土表面裂缝、起皮、麻面采取3～5 mm 超薄层的修补，表面坑洞、露筋采取1～3 cm 的薄层修补。对每个作业面进行矩形放线，提升修补效果。

3.1.2 作业面切割、凿毛清理

作业面切割整齐、凿毛深度均匀，凿毛、清理工序要迅速。传统较大型的路面拉毛机虽然作业效率高，但是适应于大面积、较厚层基面处理。局部和浅层修补常用的小型切割机和冲击钻等设备作业效率低、处理不均匀。基面凿毛、清理设备需要进行改进和升级，以适应该种技术方案。结合现有设备和材料特性项目团队开发了新的凿毛设备，包括将车体、连接架、固定框体、弹性板、凿毛机构和滑动杆等部分见图5、图6。

图5 凿毛设备凿毛机构

图6 凿毛工作现场

3.1.3 维修基面清洗

凿毛后利用压缩空气吹扫基面后，需用压力水枪对基面上残留的粉尘进行冲洗和浸入作业面，作业流程为吹扫—冲洗—吹扫，保持修补基面干净、潮湿、无积水，以便于下保证后续材料摊铺工序质量。

3.1.4 材料搅拌和摊铺。

由于材料凝结、硬化速度快，一次拌和量应适中，与摊铺面积和初凝时间相一致，保证在材料初凝前快速完成作业面摊铺和做面。

3.1.5 作业面保护及交通开放。

修补作业后，保证作业面1 h 内不能被扰动。对于收费广场路面超薄层修补，根据凝结和硬化情况1～2 h 后开放交通。

3.2 维修效果

对济青高速公路济南段部分旧桥梁、板及收费广场混凝土路面表面缺陷维修前和后，分别用回弹仪进行了回弹强度检测和外观检查［6］，实测强度和外观统计结果见表3。

表3 济青济南段旧桥梁、板及收费广场混凝土路面表面缺陷处置前后强度统计

4 结语

总结了高速公路旧桥梁板和混凝土路面缺陷的常用传统病害处理技术的优缺点，对新型高性能泥基混凝土材料修复王和华夏一号表层缺陷修补性能进行了对比试验研究，在试验验证合格基础上，结合示范应用进行高性能水泥基混凝土材料薄层修补技术设备和工艺改进，采取该项新技术方案工程的养护工程取得了良好的效果。