既有鋼筋混凝土人行道步行板的修復效果研究

朱華中，徐春山，舒傳龍，郭曉鈞

(1.中國鐵路南昌局集團公司九江橋工段，江西 九江 332005；2.上海先科橋梁隧道檢測加固工程技術有限公司，上海 200040；3.南昌航空大學 土木建筑學院，江西 南昌 330063)

1 引言

當今，鋼筋混凝土材料在建筑、交通、水利等工程中廣泛應用，在使用環境中的不利因素長期作用下，結構或構件的耐久性逐漸衰減。京九線K1312+562 十里河特大橋，全長538m，上下行間步行板(兼做擋砟板)粉化露筋，承載力降低，存在安全隱患，根據《普速鐵路橋隧建筑物修理規則-鐵路橋隧建筑物狀態評定標準》（TG/GW 103-2018）[1]，劣化等級評定為A1級，須進行修復整治。

2 修復方法

2.1 修復清理工藝

在采取修復處理前，需要清理老化的混凝土，保證修復材料與構件主體有良好的粘結性。由于施工過程中，步行板底面的老化混凝土清理困難，且要求將混凝土表面浮漿、碎塊、雜質等清除干凈，裸露出正常、健康的混凝土基面。傳統的清除方法為機械捶打、人工鑿除、液壓破碎或者切割[2]，但這些方法不僅會造成較大的振動，還會對結構基體產生人為損傷，修復質量不易保障。本文介紹的高壓水槍清除劣化混凝土工藝[3-4]，其產生的高壓水射流能夠把表面劣化的低強度混凝土面層鑿除，同時起到清洗混凝土主體表面的效果。這種工藝不僅可以實現基面松散混凝土的理想清理效果，還能減少清除工作對結構基體的損傷，確保后期修補后的新老混凝土界面實現更優粘結。還可通過調整高壓水槍壓力、沖蝕角度和距離，快速有效地對鋼筋進行除銹，最大限度避免對鋼筋造成破壞。

2.2 修復材料選用

常規的劣化混凝土修補方法中使用的材料為普通混凝土或水泥砂漿[5]，修復材料凝固后易脫落，耐久性差，而聚合物改性水泥砂漿是一類新型修復材料，該材料力學性能優異、抗裂性好且與既有的舊混凝土基體粘結性強[6-7]，目前被廣泛應用于鋼筋混凝土結構的修補和抗滲工程領域。榮輝等[8]采用環氧樹脂、純微生物修復液、一次性灌砂加微生物修復液和三次均段灌砂加微生物修復液四種修復方式對混凝土裂縫進行修復效果研究，通過實驗研究表明，環氧聚合物修復效率最高，且面積修復率能達到100%。唐傳輝[9]通過實驗也表明，環氧樹脂混凝土具有早強、收縮變形小、粘結力高、極限變形能力大以及凝固快速等優點，十分適合用于開裂混凝土的破碎修補工作。

對步行板進行清理，露出完好的混凝土基體后，方可開展修復工作。為了更好地完成本次修復工作，分別配置了環氧聚合物改性水泥砂漿和丙乳纖維聚合物水泥砂漿這兩種修復材料，為比較這兩種材料的修復效果，將這兩種材料分別用于步行板的修復，對其開展對比實驗研究。

3 實驗研究

3.1 試件參數

鋼筋混凝土步行板幾何尺寸為1480mm×190mm×70mm[10-11]，板內沿縱向配有6 根光圓受力筋，板頂面和底面各布置3 根，鋼筋直徑為10mm，由于步行板屬單向板，因此沿短邊方向僅按構造要求配置了箍筋。未經修復的步行板如圖1所示。

圖1 未經修復的步行板

由于步行板的底部保護層混凝土劣化程度較嚴重，首先采用高壓水槍工藝對底部的劣化混凝土層進行了清理，然后采用了環氧聚合物改性水泥砂漿和丙乳纖維聚合物水泥砂漿這兩種材料對保護層進行修復，修復后的效果如圖2 和圖3所示。

圖2 環氧聚合物改性水泥砂漿修復

圖3 丙乳纖維聚合物水泥砂漿修復

采用環氧聚合物改性水泥砂漿和丙乳纖維聚合物水泥砂漿這兩種材料開展修復效果對比研究，其目的是為了從中優選出更好的修復材料，供后期橋梁上下行車間步行板的修復工作使用。筆者準備了8塊步行板作為實驗試件，其中2塊不做任何修復處理(記為N-1 和N-2)，3塊采用環氧聚合物改性水泥砂漿進行修復(記為H-1、H-2 和H-3)，3 塊采用丙乳纖維聚合物水泥砂漿進行修復(記為B-1、B-2 和B-3)，具體如表1 所示。

3.2 實驗裝置

加載設備采用雙立柱自平衡液壓加載系統，通過液壓千斤頂端部的壓力傳感器能實時監測加載荷載數值，兩端為鉸支座，支座間距1.4m，通過分配橫梁將一個集中荷載平均分成兩個集中荷載作用在試件上，兩個集中荷載的間距為600mm，詳情如圖4 所示。在梁底部跨長1/2 處放置位移計，用于監測撓度，并采用混凝土裂紋寬度測試儀HCCK102，測定加載過程中梁底部的裂紋寬度，儀器如圖5所示。

圖4 加載裝置布置示意圖

圖5 混凝土裂紋寬度測試儀HC-CK102

3.3 步行板極限承載力估算

根據圖4 的加載方式，步行板的最大承載彎矩估算公式如下[12]：

式(1)中，α1取為1.0；混凝土抗壓強度fc取為18MPa(200 號混凝土，步行板試件為1993 年制作)；板寬b為190mm；板有效高度h0為50mm(步行板保護層厚度20mm)；界限相對受壓區高度ξb取0.62(縱筋為HPB235)。

而荷載值F與步行板的最大承載彎矩Mu之間的關系如下：

式（2）中，Ld為支座距加載點的距離，根據圖4可以看出Ld=0.4m。

根據式（1）容易得出Mu=3.66kN·m，根據式（2）可計算出F=2×Mu/0.4=18.3kN。由此初步得出步行板達到極限承載力時，需要施加的集中力F為18.3kN，根據估算的所需的荷載值，實驗中選用了最大加載能力為100kN 的液壓加載系統。

3.4 實驗數據

當試件的承載力不能繼續明顯增加時，停止加載。將8 個試件分別加載完成后，獲得的撓度和板底出現的最大裂紋寬度數據，如表2所示。

表2 撓度和最大裂紋寬度實驗數據

4 分析

根據文獻[13-14]的建議，取步行板的撓度限值為 L/300=1400/300=4.66mm，通過外延或插值得出各試件在撓度達到4.66mm 時所對應的最大裂紋寬度(記為w4.66)，如表3所示。

表3 最大裂紋寬度值(w4.66)

從表3 中可以看出，未做修復處理的步行板，當加載致使撓度達到4.66mm 時，對應的最大裂紋寬度為0.163～0.174mm。采用環氧聚合物改性水泥砂漿進行保護層修復處理的步行板，當加載致使撓度達到4.66mm 時，對應的最大裂紋寬度為0.046～0.163mm。采用丙乳纖維聚合物水泥砂漿進行保護層修復處理的步行板，當加載致使撓度達到4.66mm 時，對應的最大裂紋寬度為0.121～0.412mm，試件B-1板產生的裂紋寬度較大是由于修復材料與試件主體發生了分層開裂，如圖6 所示。由此可以看出，采用丙乳纖維聚合物水泥砂漿進行步行板保護層修復，抗裂效果不顯著，而采用環氧聚合物改性水泥砂漿材料對步行板保護層進行修復處理，效果較優。

圖6 試件B-1的分層開裂圖

5 結論

鋼筋混凝土構件在長期使用過程中，保護層容易產生嚴重劣化現象，致使鋼筋發生銹蝕。本文對2 塊未經修復處理的鋼筋混凝土步行板、3 塊采用采用環氧聚合物改性水泥砂漿進行保護層修復處理的步行板和3 塊采用丙乳纖維聚合物水泥砂漿進行保護層修復處理的步行板，進行了四點彎曲加載實驗研究，通過在加載過程中觀測構件的撓度、裂紋的產生過程和裂紋的寬度發展過程，得出如下結論。

①環氧聚合物改性水泥砂漿材料與步行板主體混凝土的粘結效果非常理想，在加載至試件失去承載能力的整個測試過程中，環氧聚合物改性水泥砂漿與步行板主體混凝土之間未見發生分層開裂和剝落現象。

②相比采用丙乳纖維聚合物水泥砂漿材料，采用環氧聚合物改性水泥砂漿材料修復步行板保護層的效果更好，其能夠有效改善板底受拉區混凝土的開裂狀態，抑制了裂紋的擴展。