阿富汗磚拱橋噴網(wǎng)加固施工技術
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，一側峻山，一側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55度（低溫在零度以上），干熱時間長達半年，降水少，降雨集中在一至三月份。工程以路面工程為主；橋涵結構物以橋涵修復為主。
磚拱橋在當?shù)乩蠘蛑袘帽容^普遍，磚拱橋以造型優(yōu)美、取材便利、造價低廉、施工簡單的特點, 在上世紀阿富汗得到廣泛應用。經(jīng)過多年營運, 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現(xiàn)。拱圈可以用增加厚度和橫向聯(lián)系、或設置代替承載力的補充結構的方法來加固。
此次磚拱橋加固的目的是通過加固實現(xiàn)加大承載能力，延長橋的服務使用期限，滿足當?shù)厣鐣l(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。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, 還承受荷載對其產(chǎn)生的彎矩和剪力, 由于剪力影響較小, 所以拱橋結構是以壓彎構件作為承重結構。根據(jù)材料力學的基本原理, 其計算式為：
σ= N/A±M/W
式中:σ――主拱截面拉( 壓) 應力
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, 拱橋主拱圈結構受力狀況由3個要素決定,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度。
橋梁加固的方法較多, 無非是從外因和內(nèi)因兩個角度對進行加固補強。從外因角度是通過結構的性能改變, 即增大主拱圈截面面積和增加主拱圈的強度, 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構體系、減輕拱上建筑恒載,即改變結構體系, 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, 采取改變主拱圈外部條件或改變橋梁自身狀況, 或調整主拱圈承受的內(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度等兩個方面著手進行加固方案的設計施工。
3.磚拱橋加固方案
3.1磚拱橋的現(xiàn)狀，磚拱橋在上世紀中后期建造，使用時間較長，拱圈內(nèi)壁存在不同程度老化、剝落、松散現(xiàn)象，需要進行拱圈內(nèi)壁表面處理，然后再進行加固。
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性能，具有高抗壓、抗拉強度，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砂漿填塞封堵。
對于受力裂縫, 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、鑿子等對裂縫兩邊各2cm 左右的硬物進行剔除, 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行初步維修加固。進行維修加固時, 先除去剝落、松散層, 并用水沖凈, 當其處于潮濕狀態(tài)且無水珠時, 在拱內(nèi)圈設置鋼絲網(wǎng)格, 用水泥噴槍噴射高強水泥砂漿, 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，對于磚拱圈尤其必要。
3.3 拱圈鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土進一步增強拱圈承載力。本項目設計加固處理的方案是,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，保證工程質量。
3.3.1 植入錨固筋的施工，錨固鋼筋長度設計為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凝固，形成鋼筋與混凝土之間的足夠強度和粘合力，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)，為了保證工程質量，要求采用高性能噴射混凝土加固補強拱圈。
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(高強度、高抗?jié)B、高抗碳化、高耐腐蝕)等性能的優(yōu)質噴射混凝土。
為了達到高工作性能和高耐久性的目標，采取以下技術措施：A.降低用水量，降低孔隙率密實的混凝土明顯具有較高的強度。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，用水量大導致后期水分蒸發(fā)后孔隙率加大，將會降低混凝土強度?；炷粱w的孔隙率每減少1%，其強度幾乎可以增長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。實驗中，水灰比采用0.45左右。B.選擇適宜的骨料(1)骨料的強度。采用高強度巖石碎粒做骨料，無疑是高性能噴射混凝土的首要選擇。混凝土的強度除了取決于骨料本身的強度外，還取決于水泥漿與骨料的粘結強度。骨料表面粗糙，界面粘結強度高。 (2)骨料的粒徑。混凝土的強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。現(xiàn)場所使用骨料的生產(chǎn)采用立軸破和圓錐破碎石機生產(chǎn)，骨料堅硬，形狀以正方形為主，為瀝青混凝土所用骨料，質量較高。(3)骨料與水泥漿的相容性。要想獲得較好的界面結構，骨料與水泥漿在化學性質和結構上應是相容的。只有這樣，水泥水化形成的產(chǎn)物才能與骨料表面物質互相接觸連生而形成一個整體。試驗表明，硅酸鹽水泥與硅質骨料相容較好。(4)粗、細骨料的比例。粗、細骨料的比例通常取決于骨料的級配與形狀。根據(jù)研究，高性能混凝土中骨料體積的最佳比例為65%，其中細骨料占骨料總量的40%，因此，粗、細骨料的體積比為3∶2。C.提高膠結料與骨料界面的強度從骨料與膠結料之間的界面結構看，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的結構，強度低。為了改善其界面結構，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，雜質少)與水泥預先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1個外殼。噴敷時，表面水增加，稀砂漿中水的移動受到約束，從而顯著減少泌水，稠料漿殼體同時阻止了粗骨料沉降，使離析現(xiàn)象大為減少，也使回彈率降低。通過試驗，水泥裹砂法可提高強度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，表面水增加，水的移動受到約束，從而顯著地減少泌水，阻止了骨料的沉降，回彈率大大降低，界面強度大大提高。通過試驗，水泥裹石法可提高強度20%以上。D.摻入活性摻和料水泥水化是一個逐步發(fā)展的過程。根據(jù)研究，28d齡期時，水泥中各種礦物成分的水化程度約為11%～84%，水泥的實際利用率僅為60%～70%，相當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)應力，給后期強度帶來不利影響，已為實驗所證實。摻入活性礦物質摻和料，可以促進水泥水化產(chǎn)物的進一步轉化，提高強度，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進行二次水化反應，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構更加致密，從而不僅使噴射混凝土的致密性和抗壓強度提高，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，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構的高分子化合物，它將細微顆粒吸附到分子鏈上，通過細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)狀結構；②SCR聚合劑是一種表面活性物質，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，增強了抗分散能力，從而對噴射混凝土降低回彈率、降低粉塵率起到關鍵作用。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、粘結性好、回彈量低、后期強度保存率高、抗?jié)B級別高。摻入量為水泥質量的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，能加快水泥的凝結和硬化速度，提高早期強度，不降低后期強度，對強度影響較??；并大幅度提高混凝土及砂漿的粘聚性和粘接強度、回彈率降低量達80%以上，有效的降低了回彈造成的材料損失，提高了經(jīng)濟效益。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，保護了環(huán)境、加快了施工進度；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 配合比設計試驗,為了獲得較高行性能的噴射混凝土，進行了多組多輪的試驗。
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遠低于實際用水量，空隙主要來自于拌和用水過多而產(chǎn)生的凝膠孔與毛細孔，所以抗?jié)B能力不好。
水灰比0.44的二個不同配合比均能滿足設計為C25噴射砼（試配強度為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。
在實際施工中，分別采用了干噴法和濕噴法，干噴是采用中國機械設備，濕噴法是租用的國際援助部隊基地建設機械設備。在采用干噴法時，適量摻加聚合劑，控制較少回彈率；在濕噴法施工時，即使不摻加聚合劑時，回彈率也不高，也能滿足施工要求。濕噴無論從質量還是效率方面比干噴法，都具有很大優(yōu)勢。
3.5噴射混凝土施工及養(yǎng)護，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，直至達到設計厚度。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，開始養(yǎng)護，養(yǎng)護時間兩周、最短不少于1周，由于拱橋拱圈混凝土養(yǎng)護采用噴水養(yǎng)護，由于橋洞下風速達，風干快，所以噴水后用塑料薄膜覆蓋，派專人至少養(yǎng)護10天。3.6施工措施：
工人的操作技術水平極大地影響著噴射混凝土的質量。在噴射前，需要預先進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，工序較以往復雜得多。各個工序有先后次序，否則，將達不到預期效果。所以在實施前，制訂詳細的操作規(guī)程，對工人進行技術培訓，嚴格按照技術規(guī)程操作。
噴射長度不宜超過6m，并嚴格按先墻后拱，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，凸出處應后噴和少噴。
噴射時用螺旋形或S形往返移動前進，干噴法時應調節(jié)好風壓和水壓，水壓應稍高于風壓。
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.本文通過總結阿富汗磚拱橋加固工作的實踐實例，對磚拱橋的加固技術有了進一步認識，認識到采用高性能噴射混凝土技術加固類似橋梁結構的可行性和可靠性，為類似工程提供了實踐經(jīng)驗。
