桥梁裂缝化学材料灌浆修复技术创新研究

2023-07-04刘海弯朱彦姿

粘接 2023年3期

刘海弯朱彦姿

摘要：以桥梁裂缝修复为目标，进行化学材料灌浆处理时，提出一种新的桥梁裂缝化学材料灌浆修复技术，并展开实例应用分析。在桥梁裂缝两侧布置多个灌浆孔，并结合裂缝宽度和单孔理论灌浆料用量，确定钻孔深度和宽度。对待修复区域表面进行清理和修补，通过灌浆机向钻孔填充化学灌浆材料，完成桥梁裂缝灌浆施工。运用电热补偿原理，对灌浆材料进行保温养护，得到最优的裂缝修复效果。分析结果表明，应用该技术进行裂缝修复后，桥梁在12 h 内最大挠度值仅为0.97 mm，相比修复前桥梁挠度值降低了31.69%。

关键词：桥梁裂缝；灌浆修复；施工工艺；材料配制

中圖分类号：U445.6 文献标志码：A 文章编号：1001-5922（2023）03-0127-05

Innovation research on chemical material grouting repair technology for bridge cracks

LIU Haiwan1，ZHU Yanzi2

（1. Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China；

2. Zhejiang Communications Group Inspection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：Aiming at the repair of bridge cracks，when grouting with chemical materials，a new chemical material grouting repair technology for bridge cracks is proposed，and an example application analysis is carried out.Multiple grouting holes are arranged on both sides of the bridge crack，and the depth and width of the drilling hole are deter? mined in combination with the crack width and the amount of grouting material used in the single hole theory. The surface of the area to be repaired shall be cleaned and repaired，and the chemical grouting materials shall be filled into the boreholes through the grouting machine to complete the bridge crack grouting construction. Finally，the principle of electrothermal compensation is used to maintain the grouting material and obtain the optimal crack re? pair effect. The results of case analysis show that the maximum deflection of the bridge in 12 hours is only 0.97mm， which is 31.69% lower than that of the bridge before repair.

Keywords：bridge cracks；grouting repair；construction technology；material preparation

经济的快速发展，使得人们对道路交通的需求越来越大，道路交通建设过程中，桥梁的搭建实现了天然障碍物与人工障碍物的跨越[1]。但是，在桥梁设计和施工过程中，会受到多种因素的影响出现病害，而且在交通量不断增加的环境下，桥梁裂缝问题越来越严重，直接损害了桥梁的安全性与耐久性[2]。因此，如何实现桥梁裂缝的修复与加固，是许多科研人员关注的热点问题，各种修复技术也开始涌现出来。

有研究将矿化微生物放置于碱性溶液中，根据 pH 值、钙化速率等数据的变化，明确此种微生物的矿化模式，再以此为核心设计混凝土裂缝修复方案。试验结果表明，该修复方法的局限性较大[3]。深入分析常规钻孔灌浆工艺，获取该模式下的裂缝修复效果。以加强耐久性为目标，对常规钻孔灌浆工艺进行优化，计算最优钻孔间距、钻孔深度，提高桥梁裂缝灌浆修复质量。但是，该修复技术应用后桥梁挠度依旧较高[4]。运用微生物修复理念，选定芽胞杆菌作为混凝土裂缝修复的主要工具，结合芽胞修复机理，开发混凝土修复剂，将其规模化应用至待修复区域，完成裂缝加固处理。但应用该技术进行修复后，建筑物耐久性较差[5]。

为了加强现代化交通运行的稳定性，针对桥梁裂缝问题，研究一种以化学材料灌浆为基础的修复技术。配置满足流动性要求的化学材料浆体，将其填充至裂缝附近的灌浆孔内，实现桥梁裂缝的修复处理。从实例分析结果可知，应用该技术进行裂缝修复后，桥梁底板跨中处挠度大幅度降低，有效提升了桥梁稳定性。

1 桥梁裂缝化学材料灌浆修复技术

1.1 化学灌浆材料的选取与配制

选择硅酸盐水泥、粉煤灰、砂和早强剂，作为化学灌浆主要原材料，按照合适的比例配制出高强度的混合化学材料。再向其中添加减水剂，提升化学灌浆材料的流动性。最后，为了减少浆体收缩导致的灌浆不饱满，在材料选取过程中，添加膨胀剂使得浆体出现微弱的膨胀，保证桥梁裂缝附近的混凝土与浆体更好地粘接[6-8]。

针对选定的几种原材料，按照不同比例进行配制，搅拌均匀后浇入成型模具，得到多个固化物，再进行拉伸强度和伸长率的计算：

式中：“表示拉伸强度；w 表示最大荷载；c 表示化学灌浆材料凝结试件的宽度；g 表示化学灌浆材料凝结试件的厚度；β表示伸长率；L 表示标距长度；ΔL 表示标距伸长量。根据式（1）和式（2），得出不同配制比例下，化学灌浆材料固化物的拉伸强度和伸长率，确定性能最优的材料配制比例。

上述选取的原材料混合过程中，自来水是不可缺少的辅助材料，但传统修复技术并未深入研究自来水添加量，导致化学灌浆材料自身黏度较大，最终修复效果不佳。文中从灌浆材料流动性入手，深入分析不同用水量条件下化学浆体流动性[9-10]，将满足流动性要求的化学灌浆材料灌入灌浆机内，通过泥浆泵压入桥梁缝隙，实现裂缝灌浆修复。考虑到一般的稠度仪难以得出准确的流动性测试结果，文中在化学灌浆材料配制阶段，应用的化学浆体流动性测试装置如图1所示。

图1所示的测试装置在实际应用时，需要先浸泡玻璃板和漏斗，沥干多余水分后，将按合适比例配制的化学浆体倒入漏斗内进行搅拌，再观察浆体的自由下落情况，获取下落浆体的摊铺直径，作为坍落直径[11-12]，以此作为浆体流动性评价标准。观察不同用水量环境下坍落直径变化情况，直到浆体呈现出较好的流动性和触变性，应用此时对应的用水量进行化学灌浆材料配制。

1.2 建立灌浆孔钻孔方案

应用化学灌浆材料，进行桥梁裂缝灌浆修复，需要建立灌浆孔钻孔方案[13-14]，在裂缝周围布置多个灌浆孔。桥梁裂缝附近的灌浆孔，均是合理布置在裂缝两侧。考虑到灌浆孔的数量、深度和间距，都会影响化学材料灌浆修复效果，实际灌浆孔分布方案建立过程中，结合施工操作标准，对多项钻孔参数进行优化。

由于灌浆孔深度、灌浆孔直径，都会影响灌浆料用量，为了避免不同灌浆孔之间的灌浆料用量出现差异，需要根据试件特性、裂缝宽度等参数信息，计算总灌浆料量[15-16]；再获取每个灌浆孔的标准灌浆量，作为约束灌浆孔钻孔方案的关键条件。

式中：δ为桥梁裂缝修复所需的总灌浆量；F 为裂缝宽度；k1、k2、k3、k4为表面裂缝长度；π为灌浆孔标准面积；p 为灌浆长度；m为灌浆孔总数量。引入数理统计概念，将待修复的裂缝宽度计算公式表示为：

式中：τ1、τ2、τ3分别表示钢筋形状系数、荷载作用系数和构件形式系数；S 为受拉钢筋的应力；ε为钢筋的弹性模量；e 为裂缝附近受拉钢筋直径；r 为截面配筋率。

以式（3）为基础，可以计算出每个灌浆孔的浆料用量为：

式中：J 为单孔灌浆用量。根据单孔灌浆用量计算结果，确定每个灌浆孔的直径，结合上述灌浆孔分布方案，完成化学材料灌浆修复的准备工作。

1.3 设计桥梁裂缝灌浆施工工艺

为了提升桥梁裂缝修复效果，文中结合施工要求和质量检验要求，设计桥梁裂缝灌浆施工工艺。工艺流程主要包括6个环节，分别是裂缝表面处理、裂缝基层处理、刷涂底层界面剂、残缺修补、化学材料灌浆、灌浆养护。

首先，对桥梁裂缝表面的脆裂、软质等物质完全清除，作出基本的防锈处理，并将环氧树脂涂抹在裂缝内。再针对存在残缺部分的桥梁裂缝基层进行处理，运用高强度的混凝土修补，保持桥梁裂缝附近区域的表面平整。并在建筑表面刷环氧树脂涂料，等待涂料干后，进行化学材料灌浆修复处理。

实际灌浆过程中，先填充裂缝两端的灌浆孔，再不断向桥梁裂缝中间移动，确保化学材料密实灌注将灌浆机的喷嘴放置于灌浆孔内[17]，将灌浆机的压力泵设置到合理数值，并由工人全程手扶着开始灌浆，避免浆体材料溢出。考虑到化学灌浆材料具有优越的流变性，可以通过牛顿流变模型描述化学灌浆材料的扩散情况。

式中：I 表示切应力；f 表示切变速度；λ表示化学材料的动力黏度。

实际操作过程中，光滑裂隙填充过程中，可以应用立方定律表示单宽流量。而面对具有一定粗糙度的待填充裂缝，根据流量等效原理，得出粗糙裂隙宽度[18-19]。为了便于计算，通常采用等效水力隙宽，描述灌浆材料扩散情况。

式中：u1表示等效水力隙宽；u2表示粗糙裂隙物理隙宽；σ表示修正因子。结合式（6）与式（7），可得出如下所示灌浆材料扩散模型：

式中：V 表示单宽流量；ξ表示灌浆材料的密度；q 表示流体扩散的重力加速度；y 表示梯度。

按照上述建立的灌浆材料扩散模型，明确裂缝填充完毕时灌浆机压力特征，确定灌浆孔完全灌满后，关闭压力泵并将喷嘴插入至下一个灌浆孔，重复展开灌浆处理，直至裂缝镀金所有灌浆孔均灌满化学灌浆材料。

1.4 灌浆材料养护与修复

灌浆结束后一周内，在灌浆材料表面全方位粘贴塑料薄膜，确保灌浆材料湿润。当凝结水附着在薄膜后，需要暂停浇水，并向裸露在外的部分喷洒养护剂，完成为期7 d的基础养护。

考虑到化学材料灌浆施工对环境温度有要求，当与灌浆料接触的建筑物表面温度过低时，无法达到良好的裂缝修复效果。因此，桥梁裂缝化学材料灌浆修复的最后一个环节，就是对灌浆材料进行保温养护[20]。通常情况下，可以采用电热毯加保温覆盖的方式维持构筑物温度，但考虑到桥梁体积庞大，电热毯布置难度较大，成本较高。因此，文中引入电热补偿原理，提出电伴热养护技术，实现灌浆材料养护与修复。

在灌浆区域均匀埋设电伴热线路，建立扁平状分布的电伴热带，当施工区域环境温度过低时，通过智能温控器开启电伴热带，为灌浆区域不断供热，确保建筑物表面温度始终保持在目标范围内，保证桥梁裂缝灌浆修复效果良好。

2 实例分析

2.1 工程概况

本次選定的施工对象是位于涪陵区的分离式桥梁，开展裂缝化学材料灌浆修复施工。通过实地考察可知，该桥位区所处地形为峡谷，为了保证桥梁稳定性，桥梁主体结构为T 梁结构，且桥梁跨径为6 m×50 m，桥梁全长为756 m，项目施工总成本超过1亿元。以第5跨中梁为例，当前梁底存在多道裂缝，具体如图2所示。

通过查阅施工材料可知，分离式桥梁的结构总体受力情况复杂。其中，当前T 梁结构应用整体式锚杯模式完成定型，桥梁每个部位的弯拉应力、主应力，均高于规范容许值，并且已经存在裂缝的箱梁，和没有接缝的箱梁，具有相同的锚下局部应力，基本可以确定该裂缝不属于结构受力裂缝。图2所示的5条桥梁梁底裂缝，主要情况如表1所示。

应用文中提出的灌浆修复方法，针对表1所示的梁底裂缝进行施工处理。

2.2 灌浆材料配制

采用化学材料进行灌浆时，按照工程施工环境和桥梁裂缝情况，依据文中研究内容，确定表2所示的灌浆材料配制比。

按照表2所示的配制比例，混合搅拌得到化学灌浆材料后。将其倒入灌浆压力为0.5 MPa的灌浆机内。并将装满化学灌浆材料的灌浆机喷嘴插入灌浆孔内，实现桥梁裂缝的灌浆修复。

2.3 灌浆修复结果

通过设置灌浆深度定义耐久性指标，在此基础上确定钻孔深度与钻孔间距，形成图3所示的灌浆修复工艺查询结果。

从图3可以看出，如果要求灌浆深度高于20 cm，此时所有钻孔间距和钻孔深度实时实施方案都可以满足要求。但是，当灌浆深度要求为25～30 cm、30～35 cm 时，钻孔深度分别为18 cm 和26 cm。灌浆深度高于45 cm 时，可以适当减小钻孔间距。按照上述灌浆工艺，对当前桥梁裂缝进行修复处理，得到图4所示的桥梁裂缝灌浆修复效果。

采用文中研究的技术，对图4（a）所示的桥梁裂缝进行处理，得到图4（b）所示的灌浆修复结果。从对比结果来看，所提技术的应用，可以实现桥梁箱梁裂缝的良好修复。

2.4 修复后桥梁力学性能分析

为了判断所提裂缝修复技术的应用效果，针对裂缝修复区域布置多个监测点，并在每个监测点安装电子位移计，对在修复之前箱梁底板跨中处挠度进行连续12 h 的监测。并在化学材料灌漿修复裂缝后，同样对箱梁底板跨中处挠度监测12 h，对比裂缝修复前后挠度监测数据，形成图5所示的对比结果。

从图5可以看出，桥梁裂缝修复之前，12 h 内箱梁底板跨中处挠度值最大值达到了1.42 mm；而裂缝修复后底板跨中处挠度有了明显降低，最大挠度值仅为0.97 mm。

综上所述，应用化学材料对桥梁裂缝进行灌浆修复处理后，使得桥梁挠度值降低了31.69%，表明所提裂缝修复技术的应用，提升了桥梁后续承载能力。

3 结语

为了满足人们越来越高的道路交通安全要求，针对桥梁结构裂缝问题进行研究，参考传统的裂缝加固技术，设计一种基于化学材料灌浆的裂缝修复技术。利用具有流体性较好的化学灌浆材料，填充桥梁各个裂缝，有效抑制裂缝的发展，提升桥梁的承载能力和耐久性。

【参考文献】

[1] 张俊涛，闵巧玲，李明超，等.水工混凝土裂缝高强环氧砂浆修复的力学性能评价分析[J].水资源与水工程学报，2022，33（1）：152-158.

[2] 王凯，陈繁育，常洪雷，等.双掺矿物添加剂对水泥基材料自修复性能的影响[J].材料导报，2022，36（5）：59-65.

[3] 易丹，杨国军.低温微生物诱导碳酸钙沉积及其在混凝土裂缝修复中的应用研究[J].硅酸盐通报，2022，41（3）：959-968.

[4] 董宏波，班勇婷，毛江鸿，等.基于耐久性要求的大体积混凝土贯穿裂缝化学灌浆工艺优化研究[J].城市轨道交通研究，2022，25（1）：97-101.