预制箱梁湿接缝维修及预养护技术研究

Research on Wet Joint Repair and Pre-maintenance Technology of Precast Box Girders

摘要

预制混凝土小箱梁因其结构轻巧、施工高效及造价低廉在国内得到广泛应用。由于湿接缝与小箱梁混凝土强度存在差异，在施工过程中容易引发收缩徐变差异，导致早期开裂。因此，需选用适宜的材料进行修补及预养护。为比较不同类型材料的力学性能，本文选取了东方雨虹PCC-501、凯顿T1、赛柏斯浓缩剂三种水泥基渗透结晶防水涂料，环宇秀朴-SP界面剂，环宇秀朴SJ40F和西卡31CFN两种高强砂浆，依据相关规范开展了湿基面粘结强度试验、抗压抗折试验等。此外，针对不同涂刷顺序制定了12组现场实桥涂刷方案，并通过现场施工分析总结了最佳施工次序。研究结果显示，在水泥基材料中，东方雨虹的湿基面强度最高，凯顿的抗渗能力最强；界面剂的14 d拉伸粘结强度超过最低标准；在高强砂浆材料中，西卡31CFN在抗折、抗压和抗拉强度方面均表现最优。在现场施工过程中，采用水泥基渗透结晶型防水材料、界面剂和高强砂浆的涂刷顺序效果最优，但不同材料的最优组合形式仍需进一步深入研究。

Abstract

Precast concrete small box girders are extensively adopted in China owing to their lightweight， high construction efficiency， and cost-effectiveness. However， strength variations between wet joints and box girder concrete may trigger differential shrinkage and creep during construction， potentially causing early cracking. Consequently， selecting appropriate materials for repair and pre-maintenance is paramount. This study investigates the mechanical properties of three cementitious crystalline waterproofing materials （Oriental Yuhong PCC-501， Kaiton T1， and Cybers Concentrate）， one interface agent （Huanyu Xiupu-SP）， and two high-strength mortars （Huanyu Xiupu SJ40F and Sikadur 31CFN）. All experiments were conducted in strict compliance with relevant standards， encompassing tests for wet surface bonding strength， compressive strength， and flexural strength. Furthermore， twelve brushing schemes with varying application sequences were designed for bridge implementation， with the optimal construction order determined through field analysis. The results demonstrate that among the cementitious materials， Oriental Yuhong exhibits the highest wet substrate bonding strength， while Kaiton achieves superior impermeability. The interface agent attains a 14-day tensile bond strength exceeding the minimum standard requirement. Among high-strength mortar materials， Sikadur 31CFN demonstrates optimal performance in flexural， compressive， and tensile strength. The optimal brushing sequence entails the sequential application of cementitious crystalline waterproofing materials， interface agents， and high-strength mortars. However， further research is necessary to identify the most effective material combinations.

Graphical abstract

关键词

湿接缝 / 裂缝修补 / 水泥基渗透结晶 / 界面剂 / 高强砂浆

Key words

wet joints / crack repair / cementitious crystalline waterproofing / interface treating agent / high-strength mortar

0 引 言

预制箱梁在我国城市桥梁建设中应用较为广泛，预制拼装技术可以显著缩短工期，减少现场的浇筑量，但在实际应用中，错误的施工方式、养护不当等问题可能会导致混凝土出现初始缺陷，导致预制小箱梁湿接缝处容易发生早期开裂。在后续养护过程中，一旦出现裂缝，则需要采用合适的修补材料进行加固，以保证结构的长期耐久性能。运营养护中通常采用微膨胀高性能混凝土配合涂层处理的方式来抑制湿接缝裂缝发展，但目前国内对预制小箱梁湿接缝开裂病害的维修材料、工法及早期的预防性养护措施并没有形成标准，实际维修、养护效果参差不齐^［1］。

国内外学者针对修补开裂析白病害的材料进行了较多的研究。卢永忠^［2］使用改性环氧砂浆和丙乳砂浆两种修补材料分别对混凝土桥墩裂缝进行了试验，发现使用以上两种修补材料修补后混凝土的抗折强度、冲击韧性、抗冻性及抗渗性均较基准混凝土有所提升。扶庭阳等^［3］通过相关试验研究，配制出可以提升硫铝酸盐水泥性能的专用复合早强剂（ICCH），使用该外加剂配制出的高性能混凝土，具有良好的抗压强度及抗折强度，且在抗冻性、耐腐蚀性及粘结性等方面较普通混凝土有所提高，适合应用于公路桥梁的病害处治。张华清等^［4］基于复合增韧机理提出了一种专门针对混凝土桥梁宽裂缝的修补工艺，通过抗折试验对不同修补材料的修补效果进行了对比分析，结果表明，相较于普通砂浆与高强砂浆等修补材料，采用环氧树脂对宽裂缝进行开槽修复，界面连接处粘结性能更佳，力学性能优异。姜克锦等^［5］以超细硅酸盐水泥和超细硫铝酸盐水泥为基准材料，以苯丙乳液和纳米SiO₂为改性剂制备了一种混凝土桥梁底板裂缝快速修补胶浆，通过研究改性剂掺量对修补胶浆流动度和凝结时间的影响（调节修补胶浆的流动度、凝结时间和早期强度，从而实现对水泥混凝土桥梁底板裂缝进行快速修补），确定了其最佳配合比，并研究了苯丙乳液掺量对修补胶浆拉伸性能和强度的影响。熊亮^［6］选择超细硅酸盐水泥（SPC）与超细硫铝酸盐水泥（SSC）为胶凝材料，通过单因素试验研究分析了水灰比、纳米SiO₂、苯丙乳液（SAE）对水泥浆液流动度、凝结时间、强度及耐水性的影响规律，在此基础上进行了多因素试验，确定了复合改性超细水泥注浆材料的最佳配比范围。Li等^［7］研究了一种具有自修复能力的玻璃纤维粘结混凝土梁，通过弯曲试验验证了混凝土梁的自修复能力，玻璃纤维的合理布置也可以提高修补后的混凝土梁的刚度。黄涛等^［8］分析了XYPEX水泥基渗透结晶型防水材料对不同龄期混凝土开裂的修复性能，分析了不同养护条件及裂缝宽度对修复的影响，结果表明在裂缝较大时以及养护条件潮湿的情况下XYPEX能对裂缝起到有效的修复作用。Ahn等^［9］开发了一种裂缝修补棒，适用于0.3 mm或更小裂缝宽度的混凝土结构，裂缝修补棒采用水泥、膨胀材料［C（12）A（7）］、膨胀材料和碳酸钙等不同材料制成，具有自愈性能。Kawaai等^［10］开发了一种海藻酸盐基自愈材料，该材料应用在潮湿条件下，利用枯草芽孢杆菌（纳豆）来修补裂缝，可以提高开裂砂浆试块的抗水侵入性，在裂缝中形成的凝胶膜中方解石的析出对砂浆试件的裂缝具有很好的封缝效果。

针对水泥混凝土裂缝修补的工法和工艺，国内外学者通过实桥实验总结出了多种方法。Ryu^［11］开发了一种电沉积混凝土修补方法，其目的是通过化学物质的电沉积来填补混凝土的裂缝和覆盖混凝土表面。结果表明，在混凝土表面形成的电沉积层能够封闭混凝土裂缝并覆盖混凝土表面。Song等^［12］提出了一种原位合成高吸水树脂（SAR）修补混凝土裂缝渗漏的方法。该方法的步骤是将含有引发剂和交联剂的聚合物（丙烯酸-共丙烯酰胺）前驱体溶液注入混凝土裂缝中，然后利用红外辐射使前驱体共聚。合成的SAR能够吸水膨胀，从而填补裂缝，防止泄漏。此外，我国的《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2019）^［13］针对不同的裂缝宽度提出了不同的裂缝修补方法：裂缝宽度小于0.15 mm可采用表面封闭法；数量较多、宽度在0.1~0.15 mm之间的裂缝可采用自动低压渗注法；深度较深，宽度大于0.15 mm的裂缝可采用压力灌注法。

综上所述，针对城市高架桥湿接缝开裂析白病害的修补问题，国内外学者对裂缝修补前后混凝土的性能展开了广泛的研究，虽然在修补材料和修补工法工艺的选择方面在一定程度上缓解了开裂析白病害，但以上研究提出的新材料和新工艺仅限于实验室研究，在实际应用层面效果不佳，在修补几年后仍会出现裂缝，导致至今未形成可推广的工法工艺。

本文选择目前较为常用的水泥基材料、界面剂以及高强砂浆三类材料的不同品牌，按照相关材料的规范进行抗折、抗压、抗渗等试验，对比材料间力学性能的优劣，为复合多层材料涂刷方案的确定提供指导性建议。对于修补材料的选取，结合了该种材料在领域内的适用度以及效果。通过改进修补材料，使其具有更好的抗裂性和耐久性，提高预制箱梁的性能。此外，通过改善修补工艺，有利于提高修补施工质量控制，减少湿接缝开裂和析白的发生。同时，针对三种不同的材料以及不同施工层的差异设计了12组24条现场实桥涂刷方案，每组选取两条裂缝进行修补，通过现场施工过程总结施工次序及施工中注意事项，并后续跟踪不同方案随时间的变化及效果。

1 水泥基渗透结晶型防水材料

1.1　抗渗性能

水泥基渗透结晶型防水涂料主要用于提升混凝土结构的防水性能。通过混凝土抗渗性能测试，可以评估防水涂料的实际效果，确保其具备良好的防水性能，从而有效防止水分渗透对混凝土结构造成损害。

试件模具采用上口内径175 mm、下口内径185 mm、高度150 mm的圆台体，每次试验制备3组抗渗试件，每组包括6个试件^［14］。成型时分两层装料，采用人工插捣方式，表面用铁板刮平后，放置于标准养护室静置1 d脱模。脱模后，用钢丝刷将试件两端面刷毛，清除油污，并清洗干净，去除明水。基准混凝土抗渗试件制备完成后，从中随机选取一组进行涂料处理。防水涂料用量为1.5 kg/m²，用水量按照工程实际推荐值。涂料采用人工搅拌，搅拌均匀后分两层涂刷，用刷子将涂料涂覆于处理过的试件背水面。第一次涂刷完成，待涂层手触干燥后进行第二次涂刷。第二次涂刷完成后，将试件移入标准养护室进行养护。在第一次抗渗试验结束后，将带涂层的混凝土试件在标准养护条件下于水中带模养护至56 d，随后进行第二次抗渗压力测试。测试结果如表1所示，抗渗性能由6个试件的试验结果取平均值得到，凯顿T1的二次抗渗压力为1.2 MPa，东方雨虹为0.9 MPa，赛伯斯浓缩剂为0.8 MPa，均满足《水泥基渗透结晶型防水材料》（GB 18445—2012）^［15］中规定的混凝土第二次56天抗渗压力大于0.8 MPa的最低标准。

1.2　湿基面粘结强度

测试湿基面粘结强度性能可用于评估防水涂料与混凝土基面之间的结合情况。粘结强度测试结果能够反映防水涂料施工工艺的质量，较高的粘结强度能确保防水涂料与混凝土基面之间的牢固结合，从而提高涂料的使用寿命和防水效果。

试验中分别准备成型框和标准混凝土板，每种水泥基渗透结晶型防水材料设置一组试验。拉伸粘结强度的成型框由硅橡胶或硅酮密封材料制成，其表面需平整光滑，并确保砂浆不会从成型框与混凝土板之间流出。成型框的孔尺寸为50×50 mm，厚度为3 mm，精确至±0.2 mm。测试前，先将标准混凝土板浸泡24 h，取出后清洗表面，再用湿毛巾擦干表面至无明水状态。将成型框置于混凝土板成型面上，并将制备好的试样倒入成型框内抹平。试件静置24 h后脱模，每组设置10个试件，整个成型过程需在20 min内完成。使用拉伸强度试验仪测定试件的拉伸粘结强度，加载速度为（250±50）N/s。粘结强度取10个试件的平均值，结果计算精确至0.1 MPa。

图1为水泥基渗透结晶湿基面强度试验过程，其中东方雨虹和赛伯斯两种材料在试验全部完成前混凝土板已出现开裂，导致这两种材料未能获得完整的10组测试数据，最终结果如图2所示。东方雨虹材料的湿基面强度整体最高，最大达到7 500 kN，且在大多数试验次数中表现出明显优于其他两种材料的抗渗性能。从数据平均值来看，凯顿的性能优于赛伯斯，在多次试验中保持在4 000~4 800 kN之间，除了个别测试中，凯顿的强度（如第3次试验的4 000 kN）低于赛伯斯（3 500 kN）。赛伯斯的湿截面强度整体较低，波动范围在2 500~3 300 kN之间。尽管如此，结合将用于的工程场景对于材料不同性能的需求以及湿基面粘结强度在规范《水泥基渗透结晶型防水材料》（GB 18445—2012）^［15］中规定的最低标准，即大于1.0 MPa，不同材料的表现基本满足实际工程应用的需求。

2 界面剂

按规范《混凝土界面处理剂》（JC/T 907—2018）^［16］进行试验。在尺寸为70 mm×70 mm×70 mm和40 mm×40 mm×10 mm的砂浆试件上均匀涂刷一层拌合好的界面剂，然后将两者对齐放置，轻轻按压后水平放置。在40 mm×40 mm×10 mm的砂浆试件上放置压块并保持30 s，取下压块后刮去边缘多余的界面剂。制备好的试件在标准试验条件下养护14 d，并在养护龄期到达24 h前，使用适宜的高强度粘结剂将拉拔接头固定在40 mm×40 mm×10 mm的砂浆试件上。经过24 h后，测试试件的拉伸粘结强度。

界面剂的加入显著增强了不同材料间的粘结性能。经涂刷界面剂后，五组试验的散点结果如图3所示，界面剂拉伸强度的均值为0.844 MPa，高于《混凝土界面处理剂》（JC/T 907—2018）养护14 d拉伸粘结强度大于0.6 MPa的标准。

3 高强砂浆

由于高强砂浆对于提高表面的强度有较好的效果，因此考虑将高强砂浆作为复合层中的一层的方式进行试验及效果的分析。选取的两种高强砂浆具有不同的性态。西卡31CFN是AB剂融合的制备方式，制备后的砂浆更倾向于高强加强涂层的作用和状态；秀朴SJ40F是粉料自行按比例制备，更倾向于普通砂浆拌制及效果。

3.1　凝结时间

凝结时间可参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GBT 1346—2011）^［17］进行测定。西卡31CFN从8：26开始计时，12：00完成初凝，13：22完成终凝；秀朴SJ40F从8：20开始计时，13：40完成初凝，14：20完成终凝。从初凝时间来看，西卡31CFN初凝总共3 h 34 min，秀朴SJ40F初凝总共5 h 20 min，西卡31CFN初凝较快。从初凝到终凝来看，西卡31CFN需要1 h 22 min，秀朴SJ40F需要40 min，秀朴SJ40F较快。总的来看，秀朴SJ40F凝结需要6 h，西卡31CFN需要4 h 56 min，西卡31CFN凝结相对较快。

3.2　抗折试验

按《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671）^［18］相关内容进行试样制备并进行试验。试模采用（40×40×160） mm的三联模，成型一组。试件成型后移入标准养护室养护，1 d后脱模，继续在标准条件下养护，但不能浸水，试验龄期为28 d。用抗折强度试验机测定抗折强度。将试体一个侧面放在试验机支撑圆柱上，试体长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以（50±10） N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断。保持两个半截棱柱体处于潮湿状态直至抗压试验开始。由图4可知，西卡的抗折强度为7.7 MPa，明显高于秀朴的6.1 MPa，其抗折性能约为秀朴的1.3倍，表明西卡材料在抗折性能方面具有更明显的优势，能够更好地满足对材料抗弯性能要求较高的工程应用需求。

3.3　抗压试验

抗折强度试验完成后，取出两个半截试体，进行抗压强度试验。半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差应在±0.5 mm内，棱柱体露在压板外的部分约有10 mm。在整个加荷过程中以2 400 N/s±200 N/s的速率均匀地加荷直至破坏。

由图5可知：西卡31CFN材料和秀朴SJ40F材料的抗压有效强度分别为46.65 MPa和34.85 MPa，其中有效强度通过去掉两个离群值取平均值得到，可能是由混凝土试件的养护性能不同造成。

3.3　拉伸粘结强度

拉伸粘结强度试验与界面剂拉伸试验相同，具体可见第2节。从拉伸的过程来看，西卡材料拉伸强度较高，导致拉伸后的混凝土底板出现了开裂，性能较好，而秀朴材料没有出现这样的问题。试验结果可见表2和表3，西卡31CFN的有效强度为1.94 MPa，而秀朴SJ40F的有效强度仅为0.71 MPa。因此，通过不同材料性能的对比，可以看出西卡31CFN的拉伸强度显著高于秀朴SJ40F，各试验数据也表现出西卡31CFN在强度上的明显优势，例如拉伸强度，西卡31CFN的拉伸强度在1.70~2.27 MPa之间，而秀朴SJ40F的拉伸强度仅在0.67~0.90 MPa之间。这种强度上的显著差异表明，西卡材料在实际应用中具有更优异的黏附性能，而且更高的强度也表明其在实际工程中能够提供更可靠的性能和更长的使用寿命。因此，在需要较高拉伸强度和耐久性的应用场景中，西卡31CFN是更适合的选择。

4 实桥试验

根据前文的研究分析，对常用的水泥基渗透结晶型防水涂料、界面剂和高强砂浆材料进行了力学性能测试，并与相应规范进行了比较。因此，本节针对高架桥湿接缝横向开裂析白病害，进行不中断交通的裂缝修补施工，对多层材料的涂刷顺序进行了组合，设置了多组试验工况，以验证多层材料多次叠加涂刷的可行性及效果。

4.1　工程背景

上海某跨线高架桥上部结构主要采用跨径为30 m左右的简支预应力混凝土小箱梁，采用主梁预制拼装、湿接缝现浇的施工工艺，预制小箱梁和湿接缝混凝土分别采用C50和C80。运营一段时间后，普遍存在横向开裂析白的病害，大部分为宽度小于0.2 mm的非贯穿非结构性裂缝，此类裂缝主要影响桥梁结构的耐久性，而不影响受力性能。此问题很大程度是由于先预制拼装，后浇湿接缝施工工艺引起，由于预制箱梁部分和现浇湿接缝部分混凝土施工时间不同，湿接缝现浇混凝土收缩时受两边预制梁约束，容易产生横向开裂；其次施工时人为因素、汛期长时间雨水冲刷及超载货车震动加剧了裂缝的扩展。本文采用提出的多层修补工法对以上工程背景的裂缝进行修补，并对于修补效果进行了短期和长期观测。

4.2　裂缝修补工况

本次实桥试验水泥基渗透结晶型防水材料选取了东方雨虹（PCC-501）、凯顿T1和赛柏斯浓缩剂三类品牌，其用量（kg/m²）根据需要具体调整；界面剂选用环宇秀朴-SP底涂料一种品牌，涂抹方式为滚筒涂刷，滚涂次数均为两次；高强砂浆选取环宇秀朴SJ40F和西卡31CFN两类品牌，厚度均定为6 mm，不同工况不进行变化。综上，工况表如表4所示，每种试验方案涂刷两条裂缝进行试验以及后续跟踪性能。

4.3　短期修补效果分析

对高速公路跨线桥湿接缝开裂析白病害维修完毕后，本节对裂缝区域修补前后进行对比分析，评价修补材料和修补工艺的有效性，为多层材料、多次涂刷工法的大规模推广使用提供经验总结与技术支撑。修复完成后1 h以内，裂缝区域的多层材料已经凝固，没有浆液继续渗漏，并且修补材料对裂缝填充饱满，裂缝区域被完全封闭。图6为湿接缝修补后48 h的结果，结果表明在周期性的车辆荷载作用下，多层修补材料与旧混凝土的相容性良好，界面之间粘结紧密，没有发生多层材料的脱落和新的开裂。对于不同工况下裂缝修补效果，通过短期的观察未能分析出不同涂刷方式的优劣，因此，本文进一步设置了半年的观测期以进一步观察并比较不同涂刷工况的修补效果。

4.4　长期修补效果分析

图7为半年的裂缝修补结果，观测结果表明：裂缝修补区域修补痕迹颜色较浅，与周围混凝土颜色略有不同。修补材料平整度较好，但边缘略微有不规则痕迹，可能是施工过程中的局部处理为手工涂刷，后续大量施工可以替换为喷涂方式。关于修补效果，从表面看，裂缝修补后没有明显再扩展的迹象，材料结合较紧密，未发现材料脱落现象，整体修补效果基本满足结构外观要求。综合来看，裂缝修补半年追踪的情况表明修补方案目前采用单层结晶修补材料的工况与采用砂浆加强的工况相比，表现没有明显差异，但就施工工序而言可以节约大量的时间。关于砂浆对涂层的保护作用，需要更长的时间，乃至几年的时间才有可能体现。因此结晶型材料对桥梁底部裂缝的修补较传统方法可以提高其耐久性，并且具有自修复功能，是对于裂缝修补较理想的材料。对于修补效果的长期耐久性，研究团队将继续跟踪，从而给出几年后效果的差异，以利于优化修补材料的选择以及施工工艺的改进。

5 结 论

本研究针对湿接缝横向开裂析白病害的多次出现，以不中断交通的方式，进行修补和预养护，以提高预制小箱梁的使用寿命。研究选取了三种水泥基渗透结晶型防水涂料、一种界面剂、两种高强砂浆这三类典型材料为代表，通过试验室试验选取了表征材料性能的指标，并且结合实桥实地修补，讨论了用于现场试验的适用性，得出以下结论：

（1） 从抗渗表现来看，凯顿T1、东方雨虹和赛伯斯浓缩剂的二次抗渗压力分别为1.2、0.9和0.8 MPa，凯顿T1的抗渗能力最好，赛伯斯稍弱；从湿基面强度来看，东方雨虹的强度最高，赛伯斯稍弱。综合考虑实际桥梁修补过程以及所修补位置的受力特点，可以选择东方雨虹、凯顿T1进行涂刷。

（2） 对于高强砂浆材料，无论是抗压、抗折和拉伸强度试验，西卡材料的强度始终较高，因此在裂缝修补材料的选择上，西卡较优。

（3） 在后续进行多层修补材料涂刷设计上，水泥基材料可选择东方雨虹和凯顿T1，涂刷在第一层进行抗渗；最外层可涂刷砂浆材料西卡增加强度；界面剂可以根据具体情况考虑中间是否加入以增强界面的粘结强度。

（4） 选取了典型的试验段桥梁，依据提出的多层材料修补工法对裂缝进行了修补，初步验证了施工工艺的适用性，不同涂刷工况的修补效果有待进一步观察和比较，以进一步对涂刷方案进行改进。

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基金资助

国家自然科学基金(52378312)