阿富汗砖拱桥喷网加固施工技术
2015-06-11
1，工程概况：阿富汗喀布尔―贾拉拉巴德―图可汗木公路修复工程，位于阿富汗喀布尔以东，是一条连接阿富汗与巴基斯坦通往中亚各国的主干道，是一条集贸易、资源开发、人道主义援助及阿富汗难民遣返的生命线，具有极端重要性。地势西高东低，海拔从2000米至200米。地貌特征，山区、丘陵分布，地表土为岩石及砂砾发育，岩石分类多为片麻岩、石英岩、花岗岩、角闪岩及页岩。
K67+700――K142+000，从苏鲁比到贾拉拉巴德，位于该通道中段，自然环境变化显著，一侧峻山，一侧临峡谷的崇山峻岭中，穿越丘陵、平川的四面环山的类盆地地段，海拔由500米至950米。最高气温高达55度（低温在零度以上），干热时间长达半年，降水少，降雨集中在一至三月份。工程以路面工程为主；桥涵结构物以桥涵修复为主。
砖拱桥在当地老桥中应用比较普遍，砖拱桥以造型优美、取材便利、造价低廉、施工简单的特点, 在上世纪阿富汗得到广泛应用。经过多年营运, 许多拱桥都出现了一定的损坏迹象，如裂缝、局部变形等。经过合理的维修加固后, 这些破坏现象得到了有效的遏制。拱桥的加固一般通过拱圈的加固来实现。拱圈可以用增加厚度和横向联系、或设置代替承载力的补充结构的方法来加固。
此次砖拱桥加固的目的是通过加固实现加大承载能力，延长桥的服务使用期限，满足当地社会发展需要。加固方案采用钢筋挂网喷射混凝土下套拱技术。该方案简便易行，安全可靠，满足边施工边通行的要求。
2.拱桥加固的理论依据；拱桥在荷载作用下, 除了承受荷载产生的轴向压力外, 还承受荷载对其产生的弯矩和剪力, 由于剪力影响较小, 所以拱桥结构是以压弯构件作为承重结构。根据材料力学的基本原理, 其计算式为：
σ= N/A±M/W
式中:σ――主拱截面拉( 压) 应力
N―― 主拱截面轴向力
A―― 主拱圈截面面积
M―― 主拱截面弯矩
W――主拱圈截面抗弯几何弹性模量
由上式可知, 拱桥主拱圈结构受力状况由3个要素决定,即: 荷载产生的内力( 轴力、弯矩) ; 主拱圈截面的面积和抗弯弹性模量; 主拱圈材料的自身强度。
桥梁加固的方法较多, 无非是从外因和内因两个角度对进行加固补强。从外因角度是通过结构的性能改变, 即增大主拱圈截面面积和增加主拱圈的强度, 以此来提高主拱圈的承载力。从内因角度就是采用改变结构体系、减轻拱上建筑恒载,即改变结构体系, 减少主拱圈的内力和减轻拱上建筑恒载重量, 减少主拱圈的内力, 以此来提高主拱圈的承载力。无论采取何种加固方法和加固技术, 采取改变主拱圈外部条件或改变桥梁自身状况, 或调整主拱圈承受的内力途径, 其基本原理都是为了减少主拱圈承受的拉应力。
由此可知砖拱桥所能采取的加固措施有：加大主拱圈截面面积以及进而增大主拱圈截面抗弯几何弹性模量，改善提高主拱圈材料的自身强度等两个方面着手进行加固方案的设计施工。
3.砖拱桥加固方案
3.1砖拱桥的现状，砖拱桥在上世纪中后期建造，使用时间较长，拱圈内壁存在不同程度老化、剥落、松散现象，需要进行拱圈内壁表面处理，然后再进行加固。
3.2拱圈内壁表面处理方案。
3.2.1拱圈表面的处理，砌缝、裂缝的修理。用凿子剔除灰缝，深度2-3厘米，用水冲洗干净，用瑞士西卡Sikalatex100 外加剂与水按1：1比例拌水泥浆，用毛刷刷缝；然后用外加剂与水1：1拌和，水泥与细砂按1:2比例拌制的砂浆填缝。由于Sikalatex外加剂具有良好的粘结性能，具有高抗压、抗拉强度，低收缩率，避免干后开裂。使用简便，高效、快捷，外方监理极力推荐使用。对于表面的空洞等缺陷，凿毛清理干净，用该外加剂拌制的高强砂浆填塞封堵。
对于受力裂缝, 尤其是纵向裂缝, 要特别处理。首先根据各处受力裂缝的具体情况, 使用小钉锤、凿子等对裂缝两边各2cm 左右的硬物进行剔除, 将裂缝凿成V 形槽, 再用钢刷清除槽内浮沉, 然后用干净棉花沾丙酮将V 形槽表面擦净, 再用环氧砂浆进行填塞封闭。
3.2.2用钢丝网水泥拱圈内壁喷固法初步加固处理
当砖拱圈表面处理完成后, 采用钢丝水泥拱圈内壁喷射加固的方法进行初步维修加固。进行维修加固时, 先除去剥落、松散层, 并用水冲净, 当其处于潮湿状态且无水珠时, 在拱内圈设置钢丝网格, 用水泥喷枪喷射高强水泥砂浆, 厚度3-5厘米。这样经过初步加固，既有拱圈整体性得到加强，对于砖拱圈尤其必要。
3.3 拱圈钢筋挂网喷射混凝土进一步增强拱圈承载力。本项目设计加固处理的方案是,锚固植入钢筋、钢筋网、喷射混凝土联合加固方案，主要工作要点是植入筋的施工和喷射混凝土的施作，采用合理的施工工艺，保证工程质量。
3.3.1 植入锚固筋的施工，锚固钢筋长度设计为40厘米，锚入长度30厘米，钢筋采用直径20mm的螺纹钢筋，梅花形布置，间距60厘米。用冲击钻钻出锚固孔，孔径26 -30mm，清理空洞中的灰尘，锚固胶黏剂采用瑞士HILTI喜得利公司生产的HIT-HY150型，将HIT-HY150药剂挤入，通过氨基甲酸酯和特殊固化剂和水泥快速反应凝固，形成钢筋与混凝土之间的足够强度和粘合力，将锚固筋牢牢固定于既有拱圈上。
3.3.2钢筋网片采用16mm的螺纹钢加工安装，网格间就为200mm,安装固定在锚固筋上，采用电焊点焊或扎丝绑扎连接。
3.3.3喷射混凝土作业，为了保证工程质量，要求采用高性能喷射混凝土加固补强拱圈。
高性能喷射混凝土是指具有高工作性(低回弹、低粉尘)、高耐久性(高强度、高抗渗、高抗碳化、高耐腐蚀)等性能的优质喷射混凝土。
为了达到高工作性能和高耐久性的目标，采取以下技术措施：A.降低用水量，降低孔隙率密实的混凝土明显具有较高的强度。研究表明，硅酸盐水泥在水化过程中所需的水灰比仅为0.22。因此，用水量大导致后期水分蒸发后孔隙率加大，将会降低混凝土强度。混凝土基体的孔隙率每减少1%，其强度几乎可以增长10%；基体的孔隙主要来自拌和水过多而产生的凝胶孔与毛细孔。由于在高性能喷射混凝土中要使用许多活性掺和料和多种外加剂，用水量要增加，仅用水泥水化的水灰比是不够的，要根据水泥用量和掺和料的品种、数量确定合适的用水量。实验中，水灰比采用0.45左右。B.选择适宜的骨料(1)骨料的强度。采用高强度岩石碎粒做骨料，无疑是高性能喷射混凝土的首要选择。混凝土的强度除了取决于骨料本身的强度外，还取决于水泥浆与骨料的粘结强度。骨料表面粗糙，界面粘结强度高。 (2)骨料的粒径。混凝土的强度随着骨料粒径的减小而提高。骨料最大粒径减小，不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积，而且容易拌和均匀，骨料周围有害气体减少，水膜减薄，从而提高了混凝土强度。骨料形状以正方形为好，针片状含量越少越好，因此，使用小粒径的骨料较好。大粒径骨料产生的回弹率也高。选用粒径不大于1厘米的碎石粗骨料。现场所使用骨料的生产采用立轴破和圆锥破碎石机生产，骨料坚硬，形状以正方形为主，为沥青混凝土所用骨料，质量较高。(3)骨料与水泥浆的相容性。要想获得较好的界面结构，骨料与水泥浆在化学性质和结构上应是相容的。只有这样，水泥水化形成的产物才能与骨料表面物质互相接触连生而形成一个整体。试验表明，硅酸盐水泥与硅质骨料相容较好。(4)粗、细骨料的比例。粗、细骨料的比例通常取决于骨料的级配与形状。根据研究，高性能混凝土中骨料体积的最佳比例为65%，其中细骨料占骨料总量的40%，因此，粗、细骨料的体积比为3∶2。C.提高胶结料与骨料界面的强度从骨料与胶结料之间的界面结构看，界面过渡层厚约在20μm范围内，Ca(OH)2富集并定向排列，与其它部分的水泥石相比是一种多孔质的结构，强度低。为了改善其界面结构，采取以下措施：(1)采用水泥裹砂工艺。即将处理过的砂(有一定含水率，杂质少)与水泥预先拌和，在砂子的吸附作用下，水泥在砂粒表面形成1个外壳。喷敷时，表面水增加，稀砂浆中水的移动受到约束，从而显著减少泌水，稠料浆壳体同时阻止了粗骨料沉降，使离析现象大为减少，也使回弹率降低。通过试验，水泥裹砂法可提高强度10%以上。(2)采用水泥裹石工艺。与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，将一定含水量的石子预先与水泥拌和。由于石子的吸附作用，石子被水泥颗粒所包裹，喷敷时，表面水增加，水的移动受到约束，从而显著地减少泌水，阻止了骨料的沉降，回弹率大大降低，界面强度大大提高。通过试验，水泥裹石法可提高强度20%以上。D.掺入活性掺和料水泥水化是一个逐步发展的过程。根据研究，28d龄期时，水泥中各种矿物成分的水化程度约为11%～84%，水泥的实际利用率仅为60%～70%，相当一部分水泥起到填充作用。这部分未水化水泥中的CaO，后期遇水后生成Ca(OH)2，体积膨胀，产生内应力，给后期强度带来不利影响，已为实验所证实。掺入活性矿物质掺和料，可以促进水泥水化产物的进一步转化，提高强度，并可以用来置换一部分水泥。沸石粉是一种很好的活性掺和料，是由天然沸石岩经过磨细而成的粉状材料，主要成分为SiO2与Al2O3。它所含的活性成分能与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应，生成含水硅酸钙凝胶与含水铝酸钙凝胶。新生成的水化物使水泥石结构更加致密，从而不仅使喷射混凝土的致密性和抗压强度提高，而且，耐久性也得到改善。掺入的沸石粉重量占水泥重量的10%。E.选择适宜的外加剂为了降低用水量，降低回弹率和粉尘率，使喷射混凝土早凝早强，必须使用外加剂。选用了以下几种外加剂：(1)SCR聚合剂，是一种纤维素类抗分散剂。喷射混凝土拌合物颗粒之间粘结力很小，各组份的密度、粒径也各不相同，由于水和自重的作用，混凝土极易分散，极易从喷壁上掉落。使用SCR聚合剂有两种作用：①SCR聚合剂中含有长链结构的高分子化合物，它将细微颗粒吸附到分子链上，通过细微颗粒之间的纵横交叉，把许多颗粒连接在一起，形成稳定的网状结构；②SCR聚合剂是一种表面活性物质，它改变了颗粒表面的电位，降低了粒子间的排斥作用，增大了粒子间的相吸作用。由于上述两种作用的结果，在宏观上表现为凝聚作用，几乎不泌水，提高了拌合物的粘性，增强了抗分散能力，从而对喷射混凝土降低回弹率、降低粉尘率起到关键作用。SCR聚合剂的掺量以0.4%～0.5%为宜，掺量过多有缓凝作用。(2)速凝剂，选用无碱速凝剂，该产品无碱、无氯、无刺激性气味、粘结性好、回弹量低、后期强度保存率高、抗渗级别高。掺入量为水泥质量的4-6%，水灰比为1:0.4-0.45，灰沙比为1:2-3
无碱速凝剂，是一种突破传统速凝剂的实用新型无碱液态速凝剂，是新型湿喷混凝土外加剂。无碱液体速凝剂不含氯离子、不含碱金属的K+、Na+离子、不锈蚀钢筋、不污染环境和伤害作业人员的身体；在喷射水泥浆、水泥砂浆、混凝土中掺入高性能无碱液体速凝剂，能加快水泥的凝结和硬化速度，提高早期强度，不降低后期强度，对强度影响较小；并大幅度提高混凝土及砂浆的粘聚性和粘接强度、回弹率降低量达80%以上，有效的降低了回弹造成的材料损失，提高了经济效益。由于回弹率大幅度降低，空气中污染和伤害人体的碱性水泥粉尘大幅度减少，保护了环境、加快了施工进度；具有微膨胀减缩抗裂功效，大幅度提高了抗渗防水性能，同时具有抗蚀防腐功能，比普通速凝剂抗蚀系数提高50%以上。
（3）泵送剂，通过参加泵送剂能提高混凝土的工作性能，并且明显减少水及水泥用量，减小了由于水泥用量过大引起混凝土的干缩，也提高了防渗性能。
3.4 配合比设计试验,为了获得较高行性能的喷射混凝土，进行了多组多轮的试验。
从表1来看，第2组 配合比符合C25的要求，但是水泥用量太高，容易引起砼的干缩，同时用水量也较大，过多的拌和用水才能保持较好的工作性，但水泥的水化作用所需用水远远低于实际用水量，空隙主要来自于拌和用水过多而产生的凝胶孔与毛细孔，所以抗渗能力不好。
水灰比0.44的二个不同配合比均能满足设计为C25喷射砼（试配强度为33.2Mpa）的试配要求，相比之下第2组配合比水泥、水用量明显减少，由此引起的混凝土干缩、抗渗性能迎刃而解。
在实际施工中，分别采用了干喷法和湿喷法，干喷是采用中国机械设备，湿喷法是租用的国际援助部队基地建设机械设备。在采用干喷法时，适量掺加聚合剂，控制较少回弹率；在湿喷法施工时，即使不掺加聚合剂时，回弹率也不高，也能满足施工要求。湿喷无论从质量还是效率方面比干喷法，都具有很大优势。
3.5喷射混凝土施工及养护，拱圈喷射混凝土加固厚度为15厘米，喷射混凝土要分层施喷，每层喷射厚度5厘米左右，待前层凝固后，回喷第二、第三层，直至达到设计厚度。喷射施工按照先墙后拱、先下后上的顺序操作，以减少砼因重力作用而引起滑脱现象的发生。
掺速凝剂混凝土，收缩值较不掺速凝剂要大，所以在喷射后4小时，开始养护，养护时间两周、最短不少于1周，由于拱桥拱圈混凝土养护采用喷水养护，由于桥洞下风速达，风干快，所以喷水后用塑料薄膜覆盖，派专人至少养护10天。3.6施工措施：
工人的操作技术水平极大地影响着喷射混凝土的质量。在喷射前，需要预先进行水泥裹砂和水泥裹石作业。另外，掺入了活性掺和料和多种外加剂，工序较以往复杂得多。各个工序有先后次序，否则，将达不到预期效果。所以在实施前，制订详细的操作规程，对工人进行技术培训，严格按照技术规程操作。
喷射长度不宜超过6m，并严格按先墙后拱，先下后上的顺序，以减少砼因重力作用而引起滑脱现象的发生。
掌握好喷嘴与受喷作业面的距离和角度，距离最好为0.8~1.2m，喷嘴与作业面垂直，并稍微偏向刚喷的部位，凹陷处先喷、多喷，凸出处应后喷和少喷。
喷射时用螺旋形或S形往返移动前进，干喷法时应调节好风压和水压，水压应稍高于风压。
正是由于采用了以上施工措施 ，喷射混凝土面平整光滑，色泽均匀，很少有干斑和滑移流淌现象，粉尘和回弹量明显降低。
4.本文通过总结阿富汗砖拱桥加固工作的实践实例，对砖拱桥的加固技术有了进一步认识，认识到采用高性能喷射混凝土技术加固类似桥梁结构的可行性和可靠性，为类似工程提供了实践经验。
