混凝土建筑物水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)研究

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該種方法施工所必須的圍堰、基礎(chǔ)防滲和基坑排水往往耗費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用，而且改變結(jié)構(gòu)受力狀況，不安全因素增多。如何修補(bǔ)加固水下病害混凝土建筑物，提高修補(bǔ)質(zhì)量，簡(jiǎn)化施工工藝，降低工程費(fèi)用，是一個(gè)值得研究的課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料的問(wèn)世，以及潛水作業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，為病害混凝土水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)提供了重要條件。為此，結(jié)合黃沙港閘反拱底板裂縫修補(bǔ)加固工程實(shí)際，經(jīng)多方案比較研究，提出水下補(bǔ)強(qiáng)加固新技術(shù)。

   1 水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)反拱底板水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)要點(diǎn)：       （1）反拱底板裂縫處理。即水下沿裂縫鑿槽，用PBM混凝土嵌縫，用LW與HW混合液灌漿來(lái)填充底板裂縫和底板下孔隙，達(dá)到堵漏防滲的目的；     （2）反拱底板補(bǔ)強(qiáng)，即在原反拱底板上（老混凝土表面鑿毛）澆筑20cm厚C20水下不分散混凝土，為了克服新老混凝土結(jié)合強(qiáng)度低這一薄弱環(huán)節(jié)，內(nèi)配φ12@150鋼筋網(wǎng)，并用錨固鋼筋把新老混凝土連成整體，以提高反拱底板整體受力性能。      反拱底板補(bǔ)強(qiáng)加固示意文獻(xiàn)表明，水下混凝土表面強(qiáng)度損失較大，質(zhì)量不易控制。特別是澆筑厚度僅20cm的水下薄層不分散混凝土，目前尚無(wú)資料記載。為了提高澆筑水下薄層不分散混凝土的質(zhì)量，適當(dāng)提高混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，并采取加蓋模板和泵送擠壓兩條工藝措施，以保證混凝土澆筑的連續(xù)性和減少混凝土與水的接觸界面，從而確保澆筑水下薄層不分散混凝土的強(qiáng)度。     以上整個(gè)工藝均由施工人員（潛水員）在水下完成，并進(jìn)行水下攝像，及時(shí)傳送到岸上，監(jiān)理工程師可以根據(jù)錄像隨時(shí)了解和檢查施工情況，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決存在問(wèn)題。    2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)     2.1 試驗(yàn)概況     2.1.1 試驗(yàn)?zāi)M條件為了驗(yàn)證水下施工的可行性、各種修補(bǔ)材料在特定環(huán)境條件下的性能以及施工質(zhì)量的可靠程度，確保水下修補(bǔ)技術(shù)在工程實(shí)際中應(yīng)用成功，特在黃沙港閘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬施工試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)盡量仿真。若直接在有裂縫的閘孔上進(jìn)行，萬(wàn)一試驗(yàn)不成功，善后處理將比較麻煩，同時(shí)檢查測(cè)試也不方便，故決定采用澆筑試塊的辦法進(jìn)行試驗(yàn)。試塊垂直水流方向的尺寸按反拱底板原施工時(shí)兩假鉸之間的尺寸完全仿真，順?biāo)鞣较虻某叽缈紤]試塊的重量及施工作業(yè)面，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)4m、寬2m、厚 0.2m.起加固作用的新澆混凝土層完全按加固設(shè)計(jì)要求20cm厚度澆筑。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)置于閘上游側(cè)，試驗(yàn)期間，氣溫19℃～34℃，水溫16℃～29℃，水質(zhì)狀況：氯離子390～680mg/L、硫酸根離子45～150mg/L、高猛酸鹽5.8～10.6mg/L、pH值7.7～8.9.試驗(yàn)方法和步驟嚴(yán)格按照水下修補(bǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，除澆筑模擬反拱底板試塊，其它各道工序皆在水下4～5m處進(jìn)行。     2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容     （1）驗(yàn)證水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)各道施工工序的可實(shí)施性以及施工質(zhì)量的可控制性；     （2）檢測(cè)水下澆筑薄層不分散混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)；     （3）檢測(cè)新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度。新老混凝土之間能否良好結(jié)合，直接影響混凝土的整體性能及修補(bǔ)工程質(zhì)量。     （4）驗(yàn)證施工中所用各種新工程材料的性能，如不分散劑NNDC— 2、PBM聚合物混凝土、LW+HW裂縫灌漿材料及藥卷式錨固劑。     2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備本次試驗(yàn)是一次模擬施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，動(dòng)用了各道施工工序所需的所有設(shè)備，如：6×3×1.5m浮箱、5t手動(dòng)葫蘆、0.9m3潛水空壓機(jī)、潛水裝備、風(fēng)鉆、風(fēng)鎬、電焊機(jī)、風(fēng)割工具、50m3/h混凝土輸送泵、混凝土攪拌機(jī)、手搖式壓漿泵、水下攝像監(jiān)控設(shè)備等。     2.2  試驗(yàn)檢測(cè)成果     2.2.1 外觀檢查及抗壓強(qiáng)度模擬試塊與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試件芯樣外觀檢查表明水下不分散混凝土澆筑表面光滑、四周完整、內(nèi)部密實(shí)，說(shuō)明水下不分散混凝土有較好的流動(dòng)性和自密實(shí)性。為了多方位測(cè)定水下不分散混凝土的強(qiáng)度，將模擬試塊吊出水面風(fēng)干后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度，測(cè)區(qū)10個(gè)，抗壓強(qiáng)度平均值25.2MPa（齡期48d），滿足設(shè)計(jì)要求。     2.2.2 水下不分散混凝土的力學(xué)性能水下不分散混凝土的力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和握裹強(qiáng)度，試驗(yàn)按SD105—82和GB81—85進(jìn)行，試件為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯樣，試件尺寸及其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示。由表中可見(jiàn)：     （1）水下不分散混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度為25.6MPa，與現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)檢測(cè)的抗壓強(qiáng)度值（25.2MPa）相當(dāng)接近，強(qiáng)度表里一致，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（C20），說(shuō)明加蓋模板和泵送擠壓兩條工藝措施非常有效；     （2）水下不散混凝土在水下澆筑成型并在水中養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度與在機(jī)口取樣成型自然狀態(tài)養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度（水上試件）的比值為83.6%，強(qiáng)度損失約16%；     （3）水下不分散混凝土的劈拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的10%，與文獻(xiàn)[4]的數(shù)據(jù)基本一致；     （4）水下混凝土的剪切強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/6～1/7，與混凝土的常規(guī)比值基本相符.     （5）握裹強(qiáng)度 （3.90MPa）與文獻(xiàn)[5]現(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)果（3.30MPa）相近，但與其室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果（8.6MPa）相差較多，這是由于現(xiàn)場(chǎng)取樣難以做到錨筋居中且不偏斜，因而可以認(rèn)為實(shí)際的水下不分散混凝土的握裹強(qiáng)度大于3.9MPa.     2.2.3  新老混凝土的結(jié)合性能在老混凝土的表面，通過(guò)澆筑新混凝土來(lái)加固結(jié)構(gòu)，使其發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)性能，這種新老混凝土結(jié)合的關(guān)鍵是結(jié)合界面能否有效地傳遞和承擔(dān)應(yīng)力。一般而言，結(jié)合面能夠較好地傳遞壓應(yīng)力，而傳遞拉力和剪力會(huì)受諸多因素的影響，且一般情況下都會(huì)被削弱。為此，著重測(cè)試新老混凝土結(jié)合面的抗拉和抗剪性能。         混凝土結(jié)合面的結(jié)合性能試驗(yàn)成果見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，所有試件的破壞面均為新老混凝土的結(jié)合面，用結(jié)合強(qiáng)度系數(shù)K（表示新老混凝土結(jié)合面強(qiáng)度與整體新混凝土強(qiáng)度的比值），作為結(jié)合面的粘結(jié)性能評(píng)定指標(biāo)，可以得出劈拉結(jié)合強(qiáng)度系數(shù)為0.45，剪切結(jié)合強(qiáng)度系數(shù)為0.56.由此可見(jiàn)，新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度約為整體新混凝土強(qiáng)度的一半（不包含錨筋作用），表明水下施工環(huán)境對(duì)新老混凝土結(jié)合面的強(qiáng)度有一定影響，而錨固增強(qiáng)是非常有效和必要的措施。研究表明，錨筋能提高劈拉強(qiáng)度70%左右，提高剪切強(qiáng)度50%左右。     2.2.4 PBM混凝土嵌槽的結(jié)合性能 PBM系互穿網(wǎng)絡(luò)高分子材料，擁有不同高分子的互補(bǔ)和協(xié)同效應(yīng)，體現(xiàn)出高分子合金性能。由它制備的砂漿或混凝土具有優(yōu)越的性能。用PBM混凝土嵌槽修補(bǔ)裂縫，是為了達(dá)到恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性、防水性及耐久性的目的，并為裂縫灌漿做好準(zhǔn)備。PBM嵌槽的力學(xué)性能試驗(yàn)成果見(jiàn)表3，其破壞位置皆在PBM混凝土與老混凝土的結(jié)合面上，說(shuō)明結(jié)合面仍是強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)合強(qiáng)度系數(shù)K（表示PBM混凝土結(jié)合面的剪切強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與整體老混凝土的剪切強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度比值）值為 0.4～0.55，可見(jiàn)其總體粘結(jié)性能約為老混凝土的50%，對(duì)于裂縫修補(bǔ)而言，整體性能的恢復(fù)有了一定的改善。因此，PBM不失為一種水下修補(bǔ)可選用的優(yōu)良材料。     2.2.5  LW+HW混合液灌縫的粘結(jié)強(qiáng)度及防滲效果 LW、HW為水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料，LW具有快速高效的防滲堵漏性能，HW具有防滲堵漏和固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)的雙重性能，兩者可視工程需要以任意比例互溶。為了檢驗(yàn)其堵漏和補(bǔ)強(qiáng)效果，特制備了一組直徑D=15cm，含有LW+HW混合液灌縫的劈拉試件，該混合液灌縫的劈拉強(qiáng)度為0.22MPa.根據(jù)測(cè)試，堵漏效果良好。    3 工程應(yīng)用     3.1 工程概況黃沙港閘是淮河入海尾閭江蘇省里下河地區(qū)四大港排澇擋潮的控制工程之一，1972年6月竣工，設(shè)計(jì)日均流量200m3/s，左岸第一孔為通航孔凈寬8m，其余15個(gè)排水孔，每孔凈寬5m，排水孔中墩為混凝土與砌石混合結(jié)構(gòu)，厚0.9m，閘底板采用素混凝土反拱底板型式，底板厚0.5m，底板與閘墩連成整體不分縫，成為16跨連拱結(jié)構(gòu)。運(yùn)行至今已有多孔反拱底板出現(xiàn)裂縫，裂縫分布在底板拱頂順?biāo)鞣较?，縫寬1～2mm，嚴(yán)重的7號(hào)孔反拱底板兩處向上冒水。經(jīng)過(guò)沉陷觀測(cè)資料的分析計(jì)算，認(rèn)為反拱底板的裂縫是由于拱腳不均勻沉陷引起的，沉陷已基本趨于穩(wěn)定。經(jīng)多方案比較及模擬施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，決定采用水下修補(bǔ)方案。     3.2 施工工藝     3.2.1 底板裂縫處理     （1）沿縫鑿槽。沿底板裂縫走向用風(fēng)鉆一個(gè)連接一個(gè)地鉆孔，孔深為42mm，鉆孔直徑為42mm，然后修成42mm×42mm的U型槽。     （2）鉆灌漿孔。沿裂縫走向騎縫鉆灌漿孔和出漿孔，每2m長(zhǎng)為一個(gè)灌漿單元，布置灌漿孔和出漿孔各2個(gè)，孔距65cm，孔深20cm.     （3）在灌漿孔內(nèi)安裝灌漿塞，并將灌漿管接至水面以上與灌漿泵相連接。     （4）嵌縫。采用PBM混凝土封縫膠嵌入鑿好的U型槽內(nèi)并擠壓密實(shí)。固化前用壓板壓緊，固化后拆掉壓板。     （5）灌漿。由于閘底板下面的粉砂層可能有淘空現(xiàn)象，故用壓力泵通過(guò)灌漿孔向裂縫及底板下灌LW與HW混合液，由稀到稠。壓力控制在0.1～0.15MPa.待出漿管溢出LW與HW混合液時(shí)將其扎緊封堵，保持壓力3min，第一次灌漿完成。間隔1～2d后進(jìn)行第二次灌漿。     3.2.2 反拱底板補(bǔ)強(qiáng)     （1）打毛。由潛水員在水下用風(fēng)鎬將底板混凝土表面打毛，露出粗骨料，并用高壓水槍把碴屑沖除干凈。     （2）鉆插筋孔。按孔距60cm用風(fēng)鉆鉆插筋孔，孔深 20cm，孔徑φ42mm.用高壓水槍把屑沖除干凈，并用真空吸管將孔內(nèi)砂粒吸干凈。     （3）錨固插筋。在插筋孔內(nèi)安放藥卷式水下錨固劑，并插入φ20長(zhǎng) 40cm的鋼筋（錨筋外露20cm）和φ20長(zhǎng)45cm的螺栓（螺栓外露25cm），螺紋長(zhǎng)不小于5cm，既可作錨筋用，又可作固定鋼模板用），錨筋和螺栓間隔布置。     （4）鋼筋就位。將在岸上綁好的φ12@150鋼筋網(wǎng)整體吊裝下水就位，鋼筋網(wǎng)布置在新澆水下混凝土的上部，混凝土保護(hù)層為6cm.鋼筋與插筋之間用水下電焊聯(lián)接。     （5）架立鋼模。模板采用4mm鋼板和∠75×8角鋼拼接而成，用螺帽固定鋼模板，并控制模板與反拱底板之間的距離符合設(shè)計(jì)要求 （20cm）。在模板的適當(dāng)位置預(yù)留混凝土進(jìn)料口和溢出口。進(jìn)料口設(shè)在反拱底板頂部，溢出口設(shè)在模板四角，溢出口設(shè)活頁(yè)蓋板，并可封牢。     （6）澆筑混凝土。在岸上按事先通過(guò)試驗(yàn)確定的配合比攪拌C25水下不分散混凝土（考慮水下澆筑混凝土強(qiáng)度損失，提高一個(gè)等級(jí)配置），用混凝土泵直接送到澆筑倉(cāng)內(nèi)，待模板四角預(yù)留的孔洞中溢出混凝土后，把預(yù)留洞封堵，直到最后一個(gè)預(yù)留孔洞中溢出混凝土并把預(yù)留洞封堵為止。}     （7）拆模。在混凝土澆筑3～5d后進(jìn)行拆膜，拆膜后對(duì)混凝土進(jìn)行檢查，將露出混凝土表面的螺栓進(jìn)行割除。