阿富汗磚拱橋噴網(wǎng)加固施工技術(shù)
2015-06-11
1，工程概況：阿富汗喀布爾―賈拉拉巴德―圖可汗木公路修復(fù)工程，位于阿富汗喀布爾以東，是一條連接阿富汗與巴基斯坦通往中亞各國的主干道，是一條集貿(mào)易、資源開發(fā)、人道主義援助及阿富汗難民遣返的生命線，具有極端重要性。地勢(shì)西高東低，海拔從2000米至200米。地貌特征，山區(qū)、丘陵分布，地表土為巖石及砂礫發(fā)育，巖石分類多為片麻巖、石英巖、花崗巖、角閃巖及頁巖。
K67+700――K142+000，從蘇魯比到賈拉拉巴德，位于該通道中段，自然環(huán)境變化顯著，一側(cè)峻山，一側(cè)臨峽谷的崇山峻嶺中，穿越丘陵、平川的四面環(huán)山的類盆地地段，海拔由500米至950米。最高氣溫高達(dá)55度（低溫在零度以上），干熱時(shí)間長達(dá)半年，降水少，降雨集中在一至三月份。工程以路面工程為主；橋涵結(jié)構(gòu)物以橋涵修復(fù)為主。
磚拱橋在當(dāng)?shù)乩蠘蛑袘?yīng)用比較普遍，磚拱橋以造型優(yōu)美、取材便利、造價(jià)低廉、施工簡單的特點(diǎn), 在上世紀(jì)阿富汗得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年?duì)I運(yùn), 許多拱橋都出現(xiàn)了一定的損壞跡象，如裂縫、局部變形等。經(jīng)過合理的維修加固后, 這些破壞現(xiàn)象得到了有效的遏制。拱橋的加固一般通過拱圈的加固來實(shí)現(xiàn)。拱圈可以用增加厚度和橫向聯(lián)系、或設(shè)置代替承載力的補(bǔ)充結(jié)構(gòu)的方法來加固。
此次磚拱橋加固的目的是通過加固實(shí)現(xiàn)加大承載能力，延長橋的服務(wù)使用期限，滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展需要。加固方案采用鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土下套拱技術(shù)。該方案簡便易行，安全可靠，滿足邊施工邊通行的要求。
2.拱橋加固的理論依據(jù)；拱橋在荷載作用下, 除了承受荷載產(chǎn)生的軸向壓力外, 還承受荷載對(duì)其產(chǎn)生的彎矩和剪力, 由于剪力影響較小, 所以拱橋結(jié)構(gòu)是以壓彎構(gòu)件作為承重結(jié)構(gòu)。根據(jù)材料力學(xué)的基本原理, 其計(jì)算式為：
σ= N/A±M/W
式中:σ――主拱截面拉( 壓) 應(yīng)力
N―― 主拱截面軸向力
A―― 主拱圈截面面積
M―― 主拱截面彎矩
W――主拱圈截面抗彎幾何彈性模量
由上式可知, 拱橋主拱圈結(jié)構(gòu)受力狀況由3個(gè)要素決定,即: 荷載產(chǎn)生的內(nèi)力( 軸力、彎矩) ; 主拱圈截面的面積和抗彎彈性模量; 主拱圈材料的自身強(qiáng)度。
橋梁加固的方法較多, 無非是從外因和內(nèi)因兩個(gè)角度對(duì)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。從外因角度是通過結(jié)構(gòu)的性能改變, 即增大主拱圈截面面積和增加主拱圈的強(qiáng)度, 以此來提高主拱圈的承載力。從內(nèi)因角度就是采用改變結(jié)構(gòu)體系、減輕拱上建筑恒載,即改變結(jié)構(gòu)體系, 減少主拱圈的內(nèi)力和減輕拱上建筑恒載重量, 減少主拱圈的內(nèi)力, 以此來提高主拱圈的承載力。無論采取何種加固方法和加固技術(shù), 采取改變主拱圈外部條件或改變橋梁自身狀況, 或調(diào)整主拱圈承受的內(nèi)力途徑, 其基本原理都是為了減少主拱圈承受的拉應(yīng)力。
由此可知磚拱橋所能采取的加固措施有：加大主拱圈截面面積以及進(jìn)而增大主拱圈截面抗彎幾何彈性模量，改善提高主拱圈材料的自身強(qiáng)度等兩個(gè)方面著手進(jìn)行加固方案的設(shè)計(jì)施工。
3.磚拱橋加固方案
3.1磚拱橋的現(xiàn)狀，磚拱橋在上世紀(jì)中后期建造，使用時(shí)間較長，拱圈內(nèi)壁存在不同程度老化、剝落、松散現(xiàn)象，需要進(jìn)行拱圈內(nèi)壁表面處理，然后再進(jìn)行加固。
3.2拱圈內(nèi)壁表面處理方案。
3.2.1拱圈表面的處理，砌縫、裂縫的修理。用鑿子剔除灰縫，深度2-3厘米，用水沖洗干凈，用瑞士西卡Sikalatex100 外加劑與水按1：1比例拌水泥漿，用毛刷刷縫；然后用外加劑與水1：1拌和，水泥與細(xì)砂按1:2比例拌制的砂漿填縫。由于Sikalatex外加劑具有良好的粘結(jié)性能，具有高抗壓、抗拉強(qiáng)度，低收縮率，避免干后開裂。使用簡便，高效、快捷，外方監(jiān)理極力推薦使用。對(duì)于表面的空洞等缺陷，鑿毛清理干凈，用該外加劑拌制的高強(qiáng)砂漿填塞封堵。
對(duì)于受力裂縫, 尤其是縱向裂縫, 要特別處理。首先根據(jù)各處受力裂縫的具體情況, 使用小釘錘、鑿子等對(duì)裂縫兩邊各2cm 左右的硬物進(jìn)行剔除, 將裂縫鑿成V 形槽, 再用鋼刷清除槽內(nèi)浮沉, 然后用干凈棉花沾丙酮將V 形槽表面擦凈, 再用環(huán)氧砂漿進(jìn)行填塞封閉。
3.2.2用鋼絲網(wǎng)水泥拱圈內(nèi)壁噴固法初步加固處理
當(dāng)磚拱圈表面處理完成后, 采用鋼絲水泥拱圈內(nèi)壁噴射加固的方法進(jìn)行初步維修加固。進(jìn)行維修加固時(shí), 先除去剝落、松散層, 并用水沖凈, 當(dāng)其處于潮濕狀態(tài)且無水珠時(shí), 在拱內(nèi)圈設(shè)置鋼絲網(wǎng)格, 用水泥噴槍噴射高強(qiáng)水泥砂漿, 厚度3-5厘米。這樣經(jīng)過初步加固，既有拱圈整體性得到加強(qiáng)，對(duì)于磚拱圈尤其必要。
3.3 拱圈鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)一步增強(qiáng)拱圈承載力。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)加固處理的方案是,錨固植入鋼筋、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合加固方案，主要工作要點(diǎn)是植入筋的施工和噴射混凝土的施作，采用合理的施工工藝，保證工程質(zhì)量。
3.3.1 植入錨固筋的施工，錨固鋼筋長度設(shè)計(jì)為40厘米，錨入長度30厘米，鋼筋采用直徑20mm的螺紋鋼筋，梅花形布置，間距60厘米。用沖擊鉆鉆出錨固孔，孔徑26 -30mm，清理空洞中的灰塵，錨固膠黏劑采用瑞士HILTI喜得利公司生產(chǎn)的HIT-HY150型，將HIT-HY150藥劑擠入，通過氨基甲酸酯和特殊固化劑和水泥快速反應(yīng)凝固，形成鋼筋與混凝土之間的足夠強(qiáng)度和粘合力，將錨固筋牢牢固定于既有拱圈上。
3.3.2鋼筋網(wǎng)片采用16mm的螺紋鋼加工安裝，網(wǎng)格間就為200mm,安裝固定在錨固筋上，采用電焊點(diǎn)焊或扎絲綁扎連接。
3.3.3噴射混凝土作業(yè)，為了保證工程質(zhì)量，要求采用高性能噴射混凝土加固補(bǔ)強(qiáng)拱圈。
高性能噴射混凝土是指具有高工作性(低回彈、低粉塵)、高耐久性(高強(qiáng)度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)等性能的優(yōu)質(zhì)噴射混凝土。
為了達(dá)到高工作性能和高耐久性的目標(biāo)，采取以下技術(shù)措施：A.降低用水量，降低孔隙率密實(shí)的混凝土明顯具有較高的強(qiáng)度。研究表明，硅酸鹽水泥在水化過程中所需的水灰比僅為0.22。因此，用水量大導(dǎo)致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會(huì)降低混凝土強(qiáng)度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強(qiáng)度幾乎可以增長10%；基體的孔隙主要來自拌和水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細(xì)孔。由于在高性能噴射混凝土中要使用許多活性摻和料和多種外加劑，用水量要增加，僅用水泥水化的水灰比是不夠的，要根據(jù)水泥用量和摻和料的品種、數(shù)量確定合適的用水量。實(shí)驗(yàn)中，水灰比采用0.45左右。B.選擇適宜的骨料(1)骨料的強(qiáng)度。采用高強(qiáng)度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇?；炷恋膹?qiáng)度除了取決于骨料本身的強(qiáng)度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度。骨料表面粗糙，界面粘結(jié)強(qiáng)度高。 (2)骨料的粒徑?；炷恋膹?qiáng)度隨著骨料粒徑的減小而提高。骨料最大粒徑減小，不僅增加了骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，而且容易拌和均勻，骨料周圍有害氣體減少，水膜減薄，從而提高了混凝土強(qiáng)度。骨料形狀以正方形為好，針片狀含量越少越好，因此，使用小粒徑的骨料較好。大粒徑骨料產(chǎn)生的回彈率也高。選用粒徑不大于1厘米的碎石粗骨料?，F(xiàn)場(chǎng)所使用骨料的生產(chǎn)采用立軸破和圓錐破碎石機(jī)生產(chǎn)，骨料堅(jiān)硬，形狀以正方形為主，為瀝青混凝土所用骨料，質(zhì)量較高。(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結(jié)構(gòu)，骨料與水泥漿在化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上應(yīng)是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產(chǎn)物才能與骨料表面物質(zhì)互相接觸連生而形成一個(gè)整體。試驗(yàn)表明，硅酸鹽水泥與硅質(zhì)骨料相容較好。(4)粗、細(xì)骨料的比例。粗、細(xì)骨料的比例通常取決于骨料的級(jí)配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細(xì)骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細(xì)骨料的體積比為3∶2。C.提高膠結(jié)料與骨料界面的強(qiáng)度從骨料與膠結(jié)料之間的界面結(jié)構(gòu)看，界面過渡層厚約在20μm范圍內(nèi)，Ca(OH)2富集并定向排列，與其它部分的水泥石相比是一種多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低。為了改善其界面結(jié)構(gòu)，采取以下措施：(1)采用水泥裹砂工藝。即將處理過的砂(有一定含水率，雜質(zhì)少)與水泥預(yù)先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個(gè)外殼。噴敷時(shí)，表面水增加，稀砂漿中水的移動(dòng)受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時(shí)阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗(yàn)，水泥裹砂法可提高強(qiáng)度10%以上。(2)采用水泥裹石工藝。與水泥裹砂法不同的是，水泥裹石法是控制石子表面的含水量，將一定含水量的石子預(yù)先與水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥顆粒所包裹，噴敷時(shí)，表面水增加，水的移動(dòng)受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強(qiáng)度大大提高。通過試驗(yàn)，水泥裹石法可提高強(qiáng)度20%以上。D.摻入活性摻和料水泥水化是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時(shí)，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實(shí)際利用率僅為60%～70%，相當(dāng)一部分水泥起到填充作用。這部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，給后期強(qiáng)度帶來不利影響，已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。摻入活性礦物質(zhì)摻和料，可以促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，提高強(qiáng)度，并可以用來置換一部分水泥。沸石粉是一種很好的活性摻和料，是由天然沸石巖經(jīng)過磨細(xì)而成的粉狀材料，主要成分為SiO2與Al2O3。它所含的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成含水硅酸鈣凝膠與含水鋁酸鈣凝膠。新生成的水化物使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強(qiáng)度提高，而且，耐久性也得到改善。摻入的沸石粉重量占水泥重量的10%。E.選擇適宜的外加劑為了降低用水量，降低回彈率和粉塵率，使噴射混凝土早凝早強(qiáng)，必須使用外加劑。選用了以下幾種外加劑：(1)SCR聚合劑，是一種纖維素類抗分散劑。噴射混凝土拌合物顆粒之間粘結(jié)力很小，各組份的密度、粒徑也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土極易分散，極易從噴壁上掉落。使用SCR聚合劑有兩種作用：①SCR聚合劑中含有長鏈結(jié)構(gòu)的高分子化合物，它將細(xì)微顆粒吸附到分子鏈上，通過細(xì)微顆粒之間的縱橫交叉，把許多顆粒連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②SCR聚合劑是一種表面活性物質(zhì)，它改變了顆粒表面的電位，降低了粒子間的排斥作用，增大了粒子間的相吸作用。由于上述兩種作用的結(jié)果，在宏觀上表現(xiàn)為凝聚作用，幾乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增強(qiáng)了抗分散能力，從而對(duì)噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關(guān)鍵作用。SCR聚合劑的摻量以0.4%～0.5%為宜，摻量過多有緩凝作用。(2)速凝劑，選用無堿速凝劑，該產(chǎn)品無堿、無氯、無刺激性氣味、粘結(jié)性好、回彈量低、后期強(qiáng)度保存率高、抗?jié)B級(jí)別高。摻入量為水泥質(zhì)量的4-6%，水灰比為1:0.4-0.45，灰沙比為1:2-3
無堿速凝劑，是一種突破傳統(tǒng)速凝劑的實(shí)用新型無堿液態(tài)速凝劑，是新型濕噴混凝土外加劑。無堿液體速凝劑不含氯離子、不含堿金屬的K+、Na+離子、不銹蝕鋼筋、不污染環(huán)境和傷害作業(yè)人員的身體；在噴射水泥漿、水泥砂漿、混凝土中摻入高性能無堿液體速凝劑，能加快水泥的凝結(jié)和硬化速度，提高早期強(qiáng)度，不降低后期強(qiáng)度，對(duì)強(qiáng)度影響較?。徊⒋蠓忍岣呋炷良吧皾{的粘聚性和粘接強(qiáng)度、回彈率降低量達(dá)80%以上，有效的降低了回彈造成的材料損失，提高了經(jīng)濟(jì)效益。由于回彈率大幅度降低，空氣中污染和傷害人體的堿性水泥粉塵大幅度減少，保護(hù)了環(huán)境、加快了施工進(jìn)度；具有微膨脹減縮抗裂功效，大幅度提高了抗?jié)B防水性能，同時(shí)具有抗蝕防腐功能，比普通速凝劑抗蝕系數(shù)提高50%以上。
?。?）泵送劑，通過參加泵送劑能提高混凝土的工作性能，并且明顯減少水及水泥用量，減小了由于水泥用量過大引起混凝土的干縮，也提高了防滲性能。
3.4 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn),為了獲得較高行性能的噴射混凝土，進(jìn)行了多組多輪的試驗(yàn)。
從表1來看，第2組 配合比符合C25的要求，但是水泥用量太高，容易引起砼的干縮，同時(shí)用水量也較大，過多的拌和用水才能保持較好的工作性，但水泥的水化作用所需用水遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際用水量，空隙主要來自于拌和用水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細(xì)孔，所以抗?jié)B能力不好。
水灰比0.44的二個(gè)不同配合比均能滿足設(shè)計(jì)為C25噴射砼（試配強(qiáng)度為33.2Mpa）的試配要求，相比之下第2組配合比水泥、水用量明顯減少，由此引起的混凝土干縮、抗?jié)B性能迎刃而解。
在實(shí)際施工中，分別采用了干噴法和濕噴法，干噴是采用中國機(jī)械設(shè)備，濕噴法是租用的國際援助部隊(duì)基地建設(shè)機(jī)械設(shè)備。在采用干噴法時(shí)，適量摻加聚合劑，控制較少回彈率；在濕噴法施工時(shí)，即使不摻加聚合劑時(shí)，回彈率也不高，也能滿足施工要求。濕噴無論從質(zhì)量還是效率方面比干噴法，都具有很大優(yōu)勢(shì)。
3.5噴射混凝土施工及養(yǎng)護(hù)，拱圈噴射混凝土加固厚度為15厘米，噴射混凝土要分層施噴，每層噴射厚度5厘米左右，待前層凝固后，回噴第二、第三層，直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。噴射施工按照先墻后拱、先下后上的順序操作，以減少砼因重力作用而引起滑脫現(xiàn)象的發(fā)生。
摻速凝劑混凝土，收縮值較不摻速凝劑要大，所以在噴射后4小時(shí)，開始養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間兩周、最短不少于1周，由于拱橋拱圈混凝土養(yǎng)護(hù)采用噴水養(yǎng)護(hù)，由于橋洞下風(fēng)速達(dá)，風(fēng)干快，所以噴水后用塑料薄膜覆蓋，派專人至少養(yǎng)護(hù)10天。3.6施工措施：
工人的操作技術(shù)水平極大地影響著噴射混凝土的質(zhì)量。在噴射前，需要預(yù)先進(jìn)行水泥裹砂和水泥裹石作業(yè)。另外，摻入了活性摻和料和多種外加劑，工序較以往復(fù)雜得多。各個(gè)工序有先后次序，否則，將達(dá)不到預(yù)期效果。所以在實(shí)施前，制訂詳細(xì)的操作規(guī)程，對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程操作。
噴射長度不宜超過6m，并嚴(yán)格按先墻后拱，先下后上的順序，以減少砼因重力作用而引起滑脫現(xiàn)象的發(fā)生。
掌握好噴嘴與受噴作業(yè)面的距離和角度，距離最好為0.8~1.2m，噴嘴與作業(yè)面垂直，并稍微偏向剛噴的部位，凹陷處先噴、多噴，凸出處應(yīng)后噴和少噴。
噴射時(shí)用螺旋形或S形往返移動(dòng)前進(jìn)，干噴法時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)好風(fēng)壓和水壓，水壓應(yīng)稍高于風(fēng)壓。
正是由于采用了以上施工措施 ，噴射混凝土面平整光滑，色澤均勻，很少有干斑和滑移流淌現(xiàn)象，粉塵和回彈量明顯降低。
4.本文通過總結(jié)阿富汗磚拱橋加固工作的實(shí)踐實(shí)例，對(duì)磚拱橋的加固技術(shù)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到采用高性能噴射混凝土技術(shù)加固類似橋梁結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性，為類似工程提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
