摘要 超韌性混凝土STC是超高性能混凝土（uhpc）的一種，主要特點(diǎn)是添加了較多的纖維，該材料對(duì)抗拉、抗折強(qiáng)度有更高的要求，在一定的使用環(huán)境下，抗壓強(qiáng)度可以適當(dāng)降低至100 Mp以下。文章結(jié)合幾個(gè)已經(jīng)完工的工程實(shí)踐，從橋隧養(yǎng)護(hù)、加固維修施工的角度較詳細(xì)地介紹超韌性混凝土在橋隧加固中的具體應(yīng)用，并根據(jù)施工過程中的實(shí)際情況總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)及施工過程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞 超韌性混凝土；STC；橋隧加固實(shí)踐；橋隧養(yǎng)護(hù)

中圖分類號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0124-03

0 引言

鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁、新奧法施工的隧道二襯混凝土，在使用年限內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較多的裂縫病害。混凝土表面的裂縫對(duì)鋼筋混凝土的耐久性產(chǎn)生較大影響，甚至影響到結(jié)構(gòu)安全。目前，混凝土表面裂縫的處理方案，大多采用環(huán)氧膠泥材料進(jìn)行裂縫封閉。隨著裂縫數(shù)量的增多，很多橋隧結(jié)構(gòu)物表面布滿密集的封閉線條，不但嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)物的外觀，而且由于環(huán)氧膠泥這種材料屬于有機(jī)物，其有效期限與水泥基材料并不相同，在有效期內(nèi)也存在脫落情況，所以采用環(huán)氧膠泥封閉較密集的混凝土表面裂縫，不是一種完善的處理方案。超韌性混凝土STC是近年出現(xiàn)的一種新型材料，屬于水泥基材料，主要組成成分為水泥、礦粉、細(xì)集料（石英砂）、鋼纖維（聚酯纖維）和減水劑等材料（組分中沒有粗骨料），經(jīng)加水拌和凝固后形成。該材料具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的特點(diǎn)，在橋隧加固中有較好的發(fā)展前景，目前這種材料已經(jīng)可以做到采用噴射混凝土的工藝施工[1]。采用這種新型材料對(duì)橋梁和隧道的密集裂縫進(jìn)行封閉，是一種較為新型、經(jīng)濟(jì)的處理方案，且一勞永逸，封閉后裂縫基本不會(huì)出現(xiàn)，極大地提高了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀程度。

1 STC超韌性混凝土在橋梁加固維修方面的應(yīng)用

1.1 工程背景

浙江某高速公路樞紐匝道橋，已經(jīng)通車運(yùn)營10年以上，該橋上部結(jié)構(gòu)為跨徑20 m的非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，2020橋梁定期檢查上部結(jié)構(gòu)評(píng)定為3類構(gòu)件，主要病害為箱梁底板裂縫。自通車以來，該橋每次定期檢查均發(fā)現(xiàn)箱梁底板及腹板有較多的裂縫。管養(yǎng)單位根據(jù)病害程度每2～3年對(duì)裂縫進(jìn)行一次維修處理，主要采取了常規(guī)的環(huán)氧膠泥封閉裂縫和低壓灌漿加環(huán)氧膠泥封閉的處理方法。經(jīng)過多次維修處理，箱梁底板布滿了密密麻麻的橫向裂縫，平均1條/延米，大部分裂縫已經(jīng)封閉，新的裂縫還在繼續(xù)出現(xiàn)。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于普通鋼筋混凝土箱梁，底板橫縫屬于正?，F(xiàn)象，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身就是帶裂縫工作的。當(dāng)板梁高度偏小、荷載通行量大時(shí)，容易出現(xiàn)橫向裂縫。此類橋梁的主要受力部件為底板鋼筋，因此裂縫對(duì)橋梁承載力的影響不大，主要為橋梁耐久性及外觀影響[2]。根據(jù)以上實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位與管養(yǎng)單位進(jìn)行了方案比選，最后選擇在裂縫密集的幾跨采用噴射超韌性混凝土的維修處理方式。經(jīng)過工程實(shí)踐，證明該方案的選擇是正確有效的[3]。設(shè)計(jì)處理方案見圖1，設(shè)計(jì)的噴射STC指標(biāo)見表1。

1.3 主要施工過程及控制要點(diǎn)

1.3.1 主要施工過程

超韌性混凝土采用噴射法施工，主要施工流程為原混凝土表面鑿毛→混凝土制備→混凝土噴射施工→表面平整收光→養(yǎng)護(hù)。

1.3.2 主要的施工控制要點(diǎn)

（1）箱梁底板及腹板鑿毛：設(shè)計(jì)方案建議采用的是高壓水槍鑿毛，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，高壓水槍鑿毛達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的表面粗糙度（凸凹差5～6 mm）。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電錘鑿毛效果良好，但是工作效率較低。該工序是新舊混凝土界面結(jié)合效果的關(guān)鍵工序，必須保證鑿毛到位，否則達(dá)不到預(yù)期效果。超韌性材料噴射前必須對(duì)鑿毛的表面進(jìn)行高壓水槍沖洗，保證混凝土表面干凈和濕潤，噴射過程中可根據(jù)進(jìn)度及時(shí)對(duì)噴射結(jié)合面進(jìn)行補(bǔ)噴水保持表面的濕潤。

（2）混合料的制備：該材料為配合比保密的專利材料，根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的配合比加入纖維及水現(xiàn)場(chǎng)拌和而成。拌和機(jī)械采用進(jìn)口型的拌和噴射成套設(shè)備，纖維為聚酯纖維。施工過程要嚴(yán)格按照纖維的設(shè)計(jì)用量進(jìn)行加入?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，若按照設(shè)計(jì)量加入，則超韌性混合料堵管的概率會(huì)增加；若施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督不到位，操作人員為了節(jié)省時(shí)效，往往會(huì)減少纖維的摻入量。所以，現(xiàn)場(chǎng)必須采取有效措施，保證纖維按照設(shè)計(jì)用量摻入，否則會(huì)大幅度地降低混凝土的韌性。

（3）噴射混凝土過程：此工序噴槍的持槍作業(yè)人員為高空作業(yè)，施工中需要注意以下兩點(diǎn)。一是噴射管口距受噴面距離應(yīng)保持20 cm以內(nèi)，以減少混合料的回彈。槍頭堵塞后應(yīng)立即停止供料并反轉(zhuǎn)噴射機(jī)，防止產(chǎn)生爆管并有利于疏通槍頭及管道。二是由于是高空作業(yè)，且槍頭的后坐力很大，如果施工人員操作姿勢(shì)不正確，極易站立不穩(wěn)，所以務(wù)必要按安全規(guī)定使用可移動(dòng)支架或登高車，并嚴(yán)格佩戴安全防護(hù)用具。

（4）質(zhì)量控制要點(diǎn)：一是厚度控制?，F(xiàn)場(chǎng)采取植入鋼筋頭的方式，使用砂輪機(jī)打磨成長(zhǎng)度2 cm外露。二是表面收光。由于材料的特殊性能及外加纖維等原因，噴射的收面工作量大于普通混凝土施工，且收光時(shí)還要人工涂抹厚度不足的地方，所以，收光工作需要增加作業(yè)人員，與噴射速度匹配。圖2為噴混凝土過程照片。

圖2 噴射過程

（5）養(yǎng)護(hù)：根據(jù)高速公路的施工環(huán)境，設(shè)計(jì)要求的養(yǎng)護(hù)條件很難達(dá)到，無論是灑水養(yǎng)護(hù)還是使用薄膜覆蓋。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在不養(yǎng)護(hù)的條件下該材料也沒有表面缺陷，但不知道其性能是否有所降低，后期材料研發(fā)人員應(yīng)考慮開發(fā)免養(yǎng)護(hù)型的材料。

2 STC超韌性混凝土在隧道加固維修方面的應(yīng)用

2.1 工程背景

浙江某通車20年以上的高速公路山嶺隧道，襯砌結(jié)構(gòu)形式為新奧法復(fù)合式襯砌，具體支護(hù)情況如下：Ⅱ類圍巖采用大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土（部分含鋼纖維）形成初期支護(hù)，模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌；Ⅲ類圍巖采用超前錨桿進(jìn)行超前支護(hù)，鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土形成初期支護(hù)，模筑素混凝土作為二次襯砌；Ⅳ類圍巖主要采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土（形成初期支護(hù)），模筑素混凝土作為二次襯砌。在2021年運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)有二襯掉塊現(xiàn)象，后經(jīng)過雷達(dá)掃描（二襯厚度），發(fā)現(xiàn)該隧道部分區(qū)段存在二襯厚度不足、襯砌脫空等情況，突發(fā)混凝土掉落，嚴(yán)重影響隧道的安全通行。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

掉塊段位于洞中的Ⅲ類、Ⅳ類圍巖段落，該區(qū)段二襯采用的40 cm厚素混凝土。主要原因?yàn)槎r厚度不足、襯砌空洞、環(huán)形裂縫未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和整治，導(dǎo)致在外力作用下襯砌空洞處混凝土脫落掉下。而隧道拱頂二襯厚度不足、強(qiáng)度不足和脫空等現(xiàn)象為隧道常規(guī)病害。病害成因此處不做分析。

根據(jù)以上實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位與管養(yǎng)單位進(jìn)行了方案比選，最后確定采用以下處理方案：對(duì)以下段落的病害采取短錨桿+鋼筋網(wǎng)片+噴射5 cm超韌性混凝土的處置方案。襯砌脫空且襯砌厚度小于設(shè)計(jì)值的1/2、縱向連續(xù)長(zhǎng)度＞1.5 m的段落；襯砌不脫空，但厚度不足1/2且縱向連續(xù)長(zhǎng)度＞5 m的段落；襯砌不欠厚，但背后空洞縱向連續(xù)長(zhǎng)度＞3 m的段落。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

2.3 主要施工過程及控制要點(diǎn)

2.3.1 主要施工過程

超韌性混凝土采用噴射法施工。主要施工流程：原混凝土表面鑿毛→植筋（Φ16 mm用于掛網(wǎng)）→初噴超韌性混凝土2 cm→掛網(wǎng)（Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)片）→復(fù)噴超韌性混凝土3 cm→收光及養(yǎng)護(hù)。

2.3.2 控制要點(diǎn)

（1）原二襯鑿毛：經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電錘鑿毛效果較好，缺點(diǎn)是效率較低。此工序的控制要點(diǎn)與前文的箱梁底板及腹板鑿毛相同，此處不再重復(fù)。

（2）混合料的制備：該過程的控制要點(diǎn)為嚴(yán)格按照纖維的設(shè)計(jì)用量進(jìn)行加入。施工現(xiàn)場(chǎng)要采取有效的管理手段，防止一線操作人員為了施工方便而減少纖維的添加量。

（3）噴混凝土過程：在隧道中進(jìn)行噴混凝土為有限空間的高空作業(yè)，除了按照橋梁噴混凝土施工的要求做好高空作業(yè)的防護(hù)設(shè)施外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)個(gè)體的防護(hù)，嚴(yán)格佩戴防塵口罩、護(hù)目鏡等。質(zhì)量控制要注意兩方面。一是厚度控制，現(xiàn)場(chǎng)采取植入鋼筋頭的方式，用砂輪機(jī)打磨成長(zhǎng)度5 cm外露；二是表面收光，由于材料的特殊性能及外加纖維等原因，噴射的收面工作大于普通混凝土較多，且收光時(shí)還要人工涂抹厚度不足的地方，所以，收光工作需要增加作業(yè)人員，與噴射速度匹配，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工實(shí)際，若對(duì)外觀要求不是太高，建議在以后的設(shè)計(jì)中取消收光，以減小對(duì)噴射混凝土凝固的影響及干擾。

（4）養(yǎng)護(hù)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，該材料不養(yǎng)護(hù)對(duì)實(shí)際效果影響不大，在以后的同類施工中可以免去養(yǎng)護(hù)的環(huán)節(jié)。

3 噴射超韌性STC加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)及展望

3.1 橋梁加固

（1）優(yōu)點(diǎn)：一是經(jīng)過該方案處理后，較大地提高了原混凝土的耐久性。二是因材料的韌性及纖維，梁底沒有明顯的裂縫，極大地提高了梁體的美觀性。三是施工方便。

（2）缺點(diǎn)：一是對(duì)原結(jié)構(gòu)的承載力的沒有明顯的提升。二是材料價(jià)格較高，配合比保密，為特定廠家的專利產(chǎn)品。三是噴射機(jī)械為進(jìn)口機(jī)械，價(jià)格較高。四是噴射過程中容易出現(xiàn)堵管的情況。

3.2 隧道加固

（1）優(yōu)點(diǎn)：一是通過錨桿與網(wǎng)片的配合使用，使噴射的超韌性材料與原襯砌結(jié)構(gòu)共同受力，能顯著提高承載力，改善隧道襯砌的受力狀況。二是能有效阻止原二襯混凝土的裂縫及掉塊，提升了安全運(yùn)營效率。三是施工方便，避免了重新澆筑二襯的大型臺(tái)車的制作及進(jìn)出。

（2）缺點(diǎn)：需要在隧道中拌和及噴射，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境較臟。其他缺點(diǎn)與橋梁相同。

3.3 展望

（1）在橋梁加固中，該材料若能與體外預(yù)應(yīng)力鋼絲或預(yù)應(yīng)力碳板結(jié)合，能大大地提高橋梁的承載力、耐久性與美觀程度，可以發(fā)展為一種非常實(shí)用的加固方案。

（2）在隧道加固中，采用這種噴射STC的方案能顯著提高原二襯的整體性及美觀性，可以作為一種較優(yōu)秀的加固方案進(jìn)行推廣。

（3）建議廠家進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)材料進(jìn)行研究，開發(fā)免養(yǎng)護(hù)的新型材料。

（4）原材料價(jià)格進(jìn)一步下調(diào)，增加方案的經(jīng)濟(jì)性。

（5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)施工機(jī)械進(jìn)行改良，減少機(jī)械的故障率。

（6）縮短專利保護(hù)期，將新技術(shù)新材料服務(wù)于社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。

4 結(jié)語

該文結(jié)合作者的幾個(gè)工程實(shí)踐、對(duì)超韌性混凝土在橋隧加固方面的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)及展望，可以作為同行同類工程的一個(gè)處置方案的參考，也對(duì)STC這種新材料的發(fā)展方向提出了一些改進(jìn)措施，希望能對(duì)研究橋隧加固及加固材料的同行有所借鑒。

參考文獻(xiàn)

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