既有钢筋混凝土人行道步行板的修复效果研究

朱华中，徐春山，舒传龙，郭晓钧

(1.中国铁路南昌局集团公司九江桥工段，江西 九江 332005；2.上海先科桥梁隧道检测加固工程技术有限公司，上海 200040；3.南昌航空大学 土木建筑学院，江西 南昌 330063)

1 引言

当今，钢筋混凝土材料在建筑、交通、水利等工程中广泛应用，在使用环境中的不利因素长期作用下，结构或构件的耐久性逐渐衰减。京九线K1312+562 十里河特大桥，全长538m，上下行间步行板(兼做挡砟板)粉化露筋，承载力降低，存在安全隐患，根据《普速铁路桥隧建筑物修理规则-铁路桥隧建筑物状态评定标准》（TG/GW 103-2018）[1]，劣化等级评定为A1级，须进行修复整治。

2 修复方法

2.1 修复清理工艺

在采取修复处理前，需要清理老化的混凝土，保证修复材料与构件主体有良好的粘结性。由于施工过程中，步行板底面的老化混凝土清理困难，且要求将混凝土表面浮浆、碎块、杂质等清除干净，裸露出正常、健康的混凝土基面。传统的清除方法为机械捶打、人工凿除、液压破碎或者切割[2]，但这些方法不仅会造成较大的振动，还会对结构基体产生人为损伤，修复质量不易保障。本文介绍的高压水枪清除劣化混凝土工艺[3-4]，其产生的高压水射流能够把表面劣化的低强度混凝土面层凿除，同时起到清洗混凝土主体表面的效果。这种工艺不仅可以实现基面松散混凝土的理想清理效果，还能减少清除工作对结构基体的损伤，确保后期修补后的新老混凝土界面实现更优粘结。还可通过调整高压水枪压力、冲蚀角度和距离，快速有效地对钢筋进行除锈，最大限度避免对钢筋造成破坏。

2.2 修复材料选用

常规的劣化混凝土修补方法中使用的材料为普通混凝土或水泥砂浆[5]，修复材料凝固后易脱落，耐久性差，而聚合物改性水泥砂浆是一类新型修复材料，该材料力学性能优异、抗裂性好且与既有的旧混凝土基体粘结性强[6-7]，目前被广泛应用于钢筋混凝土结构的修补和抗渗工程领域。荣辉等[8]采用环氧树脂、纯微生物修复液、一次性灌砂加微生物修复液和三次均段灌砂加微生物修复液四种修复方式对混凝土裂缝进行修复效果研究，通过实验研究表明，环氧聚合物修复效率最高，且面积修复率能达到100%。唐传辉[9]通过实验也表明，环氧树脂混凝土具有早强、收缩变形小、粘结力高、极限变形能力大以及凝固快速等优点，十分适合用于开裂混凝土的破碎修补工作。

对步行板进行清理，露出完好的混凝土基体后，方可开展修复工作。为了更好地完成本次修复工作，分别配置了环氧聚合物改性水泥砂浆和丙乳纤维聚合物水泥砂浆这两种修复材料，为比较这两种材料的修复效果，将这两种材料分别用于步行板的修复，对其开展对比实验研究。

3 实验研究

3.1 试件参数

钢筋混凝土步行板几何尺寸为1480mm×190mm×70mm[10-11]，板内沿纵向配有6 根光圆受力筋，板顶面和底面各布置3 根，钢筋直径为10mm，由于步行板属单向板，因此沿短边方向仅按构造要求配置了箍筋。未经修复的步行板如图1所示。

图1 未经修复的步行板

由于步行板的底部保护层混凝土劣化程度较严重，首先采用高压水枪工艺对底部的劣化混凝土层进行了清理，然后采用了环氧聚合物改性水泥砂浆和丙乳纤维聚合物水泥砂浆这两种材料对保护层进行修复，修复后的效果如图2 和图3所示。

图2 环氧聚合物改性水泥砂浆修复

图3 丙乳纤维聚合物水泥砂浆修复

采用环氧聚合物改性水泥砂浆和丙乳纤维聚合物水泥砂浆这两种材料开展修复效果对比研究，其目的是为了从中优选出更好的修复材料，供后期桥梁上下行车间步行板的修复工作使用。笔者准备了8块步行板作为实验试件，其中2块不做任何修复处理(记为N-1 和N-2)，3块采用环氧聚合物改性水泥砂浆进行修复(记为H-1、H-2 和H-3)，3 块采用丙乳纤维聚合物水泥砂浆进行修复(记为B-1、B-2 和B-3)，具体如表1 所示。

3.2 实验装置

加载设备采用双立柱自平衡液压加载系统，通过液压千斤顶端部的压力传感器能实时监测加载荷载数值，两端为铰支座，支座间距1.4m，通过分配横梁将一个集中荷载平均分成两个集中荷载作用在试件上，两个集中荷载的间距为600mm，详情如图4 所示。在梁底部跨长1/2 处放置位移计，用于监测挠度，并采用混凝土裂纹宽度测试仪HCCK102，测定加载过程中梁底部的裂纹宽度，仪器如图5所示。

图4 加载装置布置示意图

图5 混凝土裂纹宽度测试仪HC-CK102

3.3 步行板极限承载力估算

根据图4 的加载方式，步行板的最大承载弯矩估算公式如下[12]：

式(1)中，α1取为1.0；混凝土抗压强度fc取为18MPa(200 号混凝土，步行板试件为1993 年制作)；板宽b为190mm；板有效高度h0为50mm(步行板保护层厚度20mm)；界限相对受压区高度ξb取0.62(纵筋为HPB235)。

而荷载值F与步行板的最大承载弯矩Mu之间的关系如下：

式（2）中，Ld为支座距加载点的距离，根据图4可以看出Ld=0.4m。

根据式（1）容易得出Mu=3.66kN·m，根据式（2）可计算出F=2×Mu/0.4=18.3kN。由此初步得出步行板达到极限承载力时，需要施加的集中力F为18.3kN，根据估算的所需的荷载值，实验中选用了最大加载能力为100kN 的液压加载系统。

3.4 实验数据

当试件的承载力不能继续明显增加时，停止加载。将8 个试件分别加载完成后，获得的挠度和板底出现的最大裂纹宽度数据，如表2所示。

表2 挠度和最大裂纹宽度实验数据

4 分析

根据文献[13-14]的建议，取步行板的挠度限值为 L/300=1400/300=4.66mm，通过外延或插值得出各试件在挠度达到4.66mm 时所对应的最大裂纹宽度(记为w4.66)，如表3所示。

表3 最大裂纹宽度值(w4.66)

从表3 中可以看出，未做修复处理的步行板，当加载致使挠度达到4.66mm 时，对应的最大裂纹宽度为0.163～0.174mm。采用环氧聚合物改性水泥砂浆进行保护层修复处理的步行板，当加载致使挠度达到4.66mm 时，对应的最大裂纹宽度为0.046～0.163mm。采用丙乳纤维聚合物水泥砂浆进行保护层修复处理的步行板，当加载致使挠度达到4.66mm 时，对应的最大裂纹宽度为0.121～0.412mm，试件B-1板产生的裂纹宽度较大是由于修复材料与试件主体发生了分层开裂，如图6 所示。由此可以看出，采用丙乳纤维聚合物水泥砂浆进行步行板保护层修复，抗裂效果不显著，而采用环氧聚合物改性水泥砂浆材料对步行板保护层进行修复处理，效果较优。

图6 试件B-1的分层开裂图

5 结论

钢筋混凝土构件在长期使用过程中，保护层容易产生严重劣化现象，致使钢筋发生锈蚀。本文对2 块未经修复处理的钢筋混凝土步行板、3 块采用采用环氧聚合物改性水泥砂浆进行保护层修复处理的步行板和3 块采用丙乳纤维聚合物水泥砂浆进行保护层修复处理的步行板，进行了四点弯曲加载实验研究，通过在加载过程中观测构件的挠度、裂纹的产生过程和裂纹的宽度发展过程，得出如下结论。

①环氧聚合物改性水泥砂浆材料与步行板主体混凝土的粘结效果非常理想，在加载至试件失去承载能力的整个测试过程中，环氧聚合物改性水泥砂浆与步行板主体混凝土之间未见发生分层开裂和剥落现象。

②相比采用丙乳纤维聚合物水泥砂浆材料，采用环氧聚合物改性水泥砂浆材料修复步行板保护层的效果更好，其能够有效改善板底受拉区混凝土的开裂状态，抑制了裂纹的扩展。