CN106894332B - 一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构及施工方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构及施工方法，其特征在于：采用该方法设计的修复结构由高性能磨耗层（1）和超高韧性自密实混凝土结构层（2）构成，高性能磨耗层（1）覆设在超高韧性自密实混凝土结构层（2）上，超高韧性自密实混凝土结构层（2）内配有预应力钢铰线桁架（3）。本发明能显著提高高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构的断裂韧性、抗冲击性等综合力学性能以及耐久性，且开放交通时间短。

Description

一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构及施工方法
技术领域
本发明属于公路桥梁建筑技术领域，涉及混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构及施工方法。
背景技术
桥梁伸缩缝作为高速公路混凝土桥梁结构中的一个重要附属结构，其过渡区结构性能的优劣不仅对桥梁结构服役性能有着重要的影响，并对行车安全有着直接影响。因此，对高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区的日常运营维护，长期以来一直是世界各国高速公路养护管理中心日常工作的重中之重。
目前对高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区采用的修复方法主要是：先凿除桥梁伸缩缝过渡区原充填材料，然后向其预留槽内浇注一定厚度的微膨胀高强普通混凝土或钢纤维增强混凝土等修复材料，最后收光、抹面，养护一定时间后即开通交通。但大量工程实践表明，这种简单的修复方法往往治标不治本，并没有很好解决当今高速公路桥梁伸缩缝过渡区混凝土时常过早发生松散剥落、疲劳断裂等严重破损问题。概括起来，目前的修复方法主要存在如下两个方面的问题：
（1）修复结构断裂韧性不足、抗疲劳冲击能力差。目前高速公路桥梁伸缩缝过渡区采用的修复材料尤其普通混凝土，不管断裂韧性还是抗冲击性能都很差，导致修复的结构无法承受车辆载荷频繁冲击作用，以致使其时常过早发生疲劳断裂或冲击破坏，从而不得不频繁封桥翻修。
（2）修复结构与桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁之间的界面粘结力很差。目前对修复结构与桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁之间的结合面大多不加处理或仅简单处理，导致修复的结构与桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁之间的粘结更多的是依靠修复材料自身的内聚力，然而目前采用的修复材料自身的内聚力一般都比较小，致使修复的结构因此而时常过早发生脱粘、松散剥落等破坏。
因此，必须从大幅度提高修复结构的断裂韧性、抗冲击性等综合力学性能及其与桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁之间的粘结性能两个方面考虑，对高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区目前所用采用的修复方法进行改进，才能显著提高现有修复效果，进而大幅度减少对高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区日常运营维护成本和次数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能快速修复高速公路混凝土桥梁既有伸缩缝过渡区的修复结构及施工方法，能显著提高修复结构的断裂韧性、抗冲击性等综合力学性能以及取得优异的耐久性能。
本发明是一种用于快速修复高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区的方法，其结构是根据功能/结构一体化设计思想，且采用两次浇注的梯度结构复合技术制备而成。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区快速修复结构，其特征在于：它由高性能罩面磨耗层（1）和超高韧性自密实混凝土层（2）构成，高性能罩面磨耗层（1）覆设在超高韧性自密实混凝土层（2）的上方，超高韧性自密实混凝土层（2）内配有预应力钢铰线桁架（3）。
本发明所述的高性能罩面磨耗层（1）由市售的高速铁路专用水泥沥青砂浆浇筑而成，高性能罩面磨耗层（1）浇注厚度为5.0～8.0cm。
本发明所述的超高韧性自密实混凝土层（2）由断裂韧性大于30 KJ/m2、坍落扩展度不低于200mm、强度等级大于C80的超高韧性自密实混凝土浇筑而成。
所述的超高韧性自密实混凝土主要由水泥、水、复合外加剂和粒径小于0.30mm的石英砂制备而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.15～0.20份、复合外加剂0.50～0.80份、粒径小于0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的复合外加剂主要由比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰、钢纤维、减水剂和减缩剂混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、钢纤维0.01～0.02份、减水剂0.01～0.03份、减缩剂0.08～0.15份。
本发明所述的预应力钢铰线桁架（3）用市售的15-7φ5预应力钢铰线按十字交叉焊接而成，其形状可以是正四棱台或长方体，但优选设置成长方体以进一步增加修复结构的抗冲击性能。
本发明所述的一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区快速修复结构的施工方法，其特征在于：它包括如下步骤。
1）原充填材料凿除：凿除桥梁伸缩缝过渡区预留槽中的原充填材料。
2）结合面处理：将桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁的表面凿成凹凸点阵式粗糙面，并在将残渣、浮渣等污染物清除后，喷洒一层混凝土界面粘结剂。
3）桁架定位和安装：将预应力钢铰线桁架（3）平行放入桥梁伸缩缝过渡区预留槽内，并用膨胀螺栓将其固定在桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁上，同时使其下表面距桥梁伸缩缝过渡区预留槽底部20.0～40.0mm。
4）超高韧性自密实混凝土层浇注：向桥梁伸缩缝过渡区预留槽内浇注断裂韧性大于30 KJ/m2、坍落扩展度不低于200mm、强度等级大于C80的超高韧性自密实混凝土至预应力钢铰线桁架（3）上方20.0～40.0mm处，然后收光、抹面，形成超高韧性自密实混凝土层（2）。
5）界面增强处理：采用直径为25mm的螺纹钢筋对超高韧性自密实混凝土层（2）的上表面进行压痕，然后喷洒一层混凝土界面粘结剂。
6）高性能罩面磨耗层浇注：在超高韧性自密实混凝土层（2）顶面上浇注一层厚度为0.5～1.5cm、市售的高速铁路专用水泥沥青砂浆，然后收光、抹面，形成高性能罩面磨耗层（1）。
7）自然养护：在高性能罩面磨耗层（1）上铺设稻草，然后不定期洒水，自然养护2天，完成施工。
上述技术方案中，所述的高性能罩面磨耗层（1）可以用市售的高速铁路专用任一种类型水泥沥青砂浆浇注而成，即本发明的技术方案具有广泛的适应性，不会因为用于浇注高性能罩面磨耗层（1）水泥沥青砂浆材料的差异性而影响到本发明技术方案的实施效果。
本发明由于采用了功能/结构一体化设计思想，对高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构进行设计和施工，因此，与现有技术方案相比，本发明技术方案具有如下突出优点。
其一，高性能罩面磨耗层（1）用高速铁路专用水泥沥青砂浆浇注而成，从而既可提高桥梁伸缩缝过渡区修复结构表面的耐磨性，又能增加桥梁伸缩缝过渡区修复结构与原桥面沥青混凝土铺装层之间的粘结，从而可大大减少桥梁伸缩缝过渡区修复结构表面局部网裂、松散剥落以及与原桥面沥青混凝土铺装层分离等病害。
其二，超高韧性自密实混凝土层（2）采用兼有流动性大、断裂韧性高等优点的超高韧性自密实混凝土浇筑而成，同时在其内配有预应力钢铰线桁架，从而可大幅提高桥梁伸缩缝过渡区修复结构的断裂韧性和抗冲击能力，大大减少高速公路桥梁伸缩缝过渡区修复结构的疲劳断裂、车辆频繁冲击破坏等病害。
其三，由于对修复结构与桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁之间的结合面，以及高性能罩面磨耗层（1）和超高韧性自密实混凝土层（2）之间的结合面预先进行了界面增强处理，并在超高韧性自密实混凝土层（2）内配置预应力钢铰线桁架（3），从而可显著提高高速公路桥梁伸缩缝过渡区修复结构的整体稳定性，延长桥梁伸缩缝结构使用寿命。
总之，本发明采用功能/结构一体化设计理念，设计和修筑的一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构具有施工性能好、开放交通时间短、耐磨、断裂韧性高、高抗冲击性以及耐久性优异等优点，可广泛应用于高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区的快速修复。
附图说明
图1是本发明高速公路桥梁伸缩缝过渡区修复结构的示意图。其中，1为高性能罩面磨耗层，2为超高韧性自密实混凝土层，3为预应力钢铰线桁架。
图2是本发明预应力钢铰线桁架的示意图。
图3是本发明高速公路桥梁伸缩缝过渡区修复结构的施工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构由高性能罩面磨耗层1和超高韧性自密实混凝土层2构成，超高韧性自密实混凝土层2内配有预应力钢铰线桁架3，高性能罩面磨耗层1覆设在超高韧性自密实混凝土层2的上方。
所述的高性能罩面磨耗层1用高速铁路专用水泥沥青砂浆浇注而成，浇注厚度为5.0～8.0cm。高速铁路专用水泥沥青砂浆可采用市售任一类型的高速铁路专用水泥沥青砂浆，实施过程中分别选用DRX-H10水泥沥青砂浆和DRX-H12水泥沥青砂浆进行对比。
所述的超高韧性自密实混凝土层2由断裂韧性大于30 KJ/m2、坍落扩展度不低于200mm、强度等级大于C80的超高韧性自密实混凝土浇筑而成。超高韧性自密实混凝土主要由水泥、水、复合外加剂和粒径小于0.30mm的石英砂制备而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.15～0.20份、复合外加剂0.50～0.80份、粒径小于0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的复合外加剂主要由比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰、钢纤维、减水剂和减缩剂混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、钢纤维0.01～0.02份、减水剂0.01～0.03份、减缩剂0.08～0.15份。
实施过程中选取两种不同的超高自密实混凝土混凝土原材料重量组分，其中：
超高自密实混凝土混凝土A：水泥1.00份、水0.18份、复合外加剂0.60份、粒径小于0.30mm的石英砂1.00份；复合外加剂：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰2.00份、钢纤维0.015份、减水剂0.02份、减缩剂0.10份。
超高自密实混凝土混凝土B：水泥1.00份、水0.16份、复合外加剂0.70份、粒径小于0.30mm的石英砂1.20份；复合外加剂：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰2.00份、钢纤维0.018份、减水剂0.03份、减缩剂0.14份。
所述的预应力钢铰线桁架3由市售的15-7φ5预应力钢铰线焊接而成，其形状设置成长方体，如图2所示。
如图3所示，上述一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区快速修复结构的施工方法，它包括如下步骤。
1)原充填材料凿除：凿除桥梁伸缩缝过渡区预留槽的原充填材料。
2) 结合面处理：将桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁结构表面凿成凹凸点阵式粗糙面，并将残渣、浮渣等污染物清除后，喷洒一层混凝土界面粘结剂。
3) 桁架定位和安装：将预应力钢铰线网格桁架(3)平行放入并用膨胀螺栓固定在桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁上，同时使其下表面距桥梁伸缩缝过渡区预留槽底部20.0～40.0mm。
4) 结构层浇注：向桥梁伸缩缝过渡区预留槽内浇注断裂韧性大于30 KJ/m2、坍落度不低于200mm、强度等级大于C80的纤维增强自密实细骨料混凝土，形成超高韧性自密实混凝土结构层(2)，并使其上表面处在预应力钢铰线网格桁架(3)上方20.0～40.0mm处；纤维增强自密实细骨料混凝土主要由水泥、水、复合外加剂和粒径小于0.30mm的石英砂制备而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.15～0.20份、复合外加剂0.50～0.80份、粒径小于0.30mm的石英砂1.00～1.40份。
所述的复合外加剂主要由比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰、钢纤维、减水剂和减缩剂混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、钢纤维0.01～0.02份、减水剂0.01～0.03份、减缩剂0.08～0.15份。
5) 界面增强处理：采用直径为25mm的螺纹钢筋对超高韧性自密实混凝土结构层(2)上表面进行压痕，然后喷洒一层混凝土界面粘结剂。
6) 高性能罩面磨耗层浇注：在超高韧性自密实混凝土结构层(2)上浇注高速铁路专用水泥沥青砂浆，然后收光、抹面，形成厚度为0.5～1.5cm的高性能罩面磨耗层(1)。
7) 自然养护：在高性能罩面磨耗层(1)上铺设稻草，然后不定期洒水，自然养护2天即可。
本发明设计的高速公路桥梁伸缩缝过渡区修复结构的主要技术参数为：根据中国CB/T 50080-2002标准，其结构层的混凝土坍落扩展度大于200mm；根据中国CB/T 50081-2002标准，其结构层的混凝土抗压强度大于80 MPa；根据美国材料协会ASTM C1018-98，修复结构的断裂韧性大于30 KJ/m2；根据美国ACl544委员会推荐的落重法测试，其修复结构的初始开裂冲击次数大于300次；根据混凝土Cl－扩散系数快速检测的NEL法，Cl－离子扩散系数小于0.2×10－12m2/s；根据中国JTG/E30-2005，磨耗系数小于1.5。
为了对比，采用C50普通硅酸盐水泥混凝土制备了一种常用于桥梁伸缩缝过渡区的修复结构 (实施例1)，其所用材料及其要求见表1。根据本发明设计，制备了两种由高性能罩面磨耗层和超高韧性自密实混凝土结构层(内配有预应力钢铰线桁架)构成的桥梁伸缩缝过渡区的修复结构(实施例2和实施例3)，各层所用材料及其要求见表1。养护制度均采用覆草洒水自然养护28天。
测试项目包括：混凝土坍落扩展度、混凝土抗压强度、修复结构的断裂韧性和初始开裂冲击次数、Cl－离子扩散系数和磨耗系数，测试结果见表2。
由表2可见： 采用本发明设计制备的修复结构(实施例2和实施例3)，不管其混凝土的坍落扩展度和抗压强度，还是其修复结构的断裂韧性、初始开裂冲击次数和Cl－离子扩散系数和磨耗系数，均好于C50普通硅酸盐水泥混凝土目前常用修复结构的。说明采用本发明的修复方法可显著提高高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构的断裂韧性、抗冲击性等综合力学性能以及耐久性，且开放交通时间短。
附表说明
表1 修复结构各层所用材料及其要求。
表2修复结构各项测试指标。

Claims (2)

1.一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构，其特征在于：它由高性能罩面磨耗层（1）和超高韧性自密实混凝土层（2）构成，高性能罩面磨耗层（1）覆设在超高韧性自密实混凝土层（2）的上方，超高韧性自密实混凝土层（2）内配有预应力钢铰线桁架（3）；
所述的高性能罩面磨耗层（1）由市售的高速铁路专用水泥沥青砂浆浇筑而成，高性能罩面磨耗层（1）浇注厚度为5.0～8.0cm；
所述的超高韧性自密实混凝土层（2）由断裂韧性大于30 KJ/m2、坍落扩展度不低于200mm、强度等级大于C80的超高韧性自密实混凝土浇筑而成；
所述的超高韧性自密实混凝土主要由水泥、水、复合外加剂和粒径小于0.30mm的石英砂制备而成，各原料所占重量份数为：水泥1.00份、水0.15～0.20份、复合外加剂0.50～0.80份、粒径小于0.30mm的石英砂1.00～1.40份；
所述的复合外加剂主要由比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰、钢纤维、减水剂和减缩剂混合而成，各原料所占重量份数为：比表面积大于20000cm2/g的SiO2微粉1.00份、比表面积大于4000cm2/g的粉煤灰1.50～3.00份、钢纤维0.01～0.02份、减水剂0.01～0.03份、减缩剂0.08～0.15份；
所述的预应力钢铰线桁架（3）用市售的15-7φ5预应力钢铰线按十字交叉焊接而成，其形状是正四棱台或长方体。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路混凝土桥梁伸缩缝过渡区修复结构的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
1）原充填材料凿除：凿除桥梁伸缩缝过渡区预留槽中的原充填材料；
2）结合面处理：将桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁的表面凿成凹凸点阵式粗糙面，并在将残渣、浮渣污染物清除后，喷洒一层混凝土界面粘结剂；
3）桁架定位和安装：将预应力钢铰线桁架（3）平行放入桥梁伸缩缝过渡区预留槽内，并用膨胀螺栓将其固定在桥梁伸缩缝过渡区预留槽内主梁上，同时使其下表面距桥梁伸缩缝过渡区预留槽底部20.0～40.0mm；
4）超高韧性自密实混凝土层浇注：向桥梁伸缩缝过渡区预留槽内浇注断裂韧性大于30KJ/m2、坍落扩展度不低于200mm、强度等级大于C80的超高韧性自密实混凝土至预应力钢铰线桁架（3）上方20.0～40.0mm处，然后收光、抹面，形成超高韧性自密实混凝土层（2）；
5）界面增强处理：采用直径为25mm的螺纹钢筋对超高韧性自密实混凝土层（2）的上表面进行压痕，然后喷洒一层混凝土界面粘结剂；
6）高性能罩面磨耗层浇注：在超高韧性自密实混凝土层（2）顶面上浇注一层厚度为0.5～1.5cm、市售的高速铁路专用水泥沥青砂浆，然后收光、抹面，形成高性能罩面磨耗层（1）；
7）自然养护：在高性能罩面磨耗层（1）上铺设稻草，然后不定期洒水，自然养护2天，完成施工。
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