工程案例
業務范圍
混凝土建筑物水下補強加固技術
發布時間：2014-08-09
摘 要 本文針對混凝土水下病害整治中傳統圍堰干法施工的缺陷，結合工程實例，提出水下補強加固新技術。由現場模擬施工試驗并經工程實際應用表明，這一結合防滲、整體補強水下施工技術切實可行，水下澆筑薄層不分散混凝土各項力學性能指標，滿足工程加固設計要求，新老混凝土結合良好。關鍵詞 混凝土，水下修補，試驗研究。本文于1999年2月25日收到。 水工混凝土建筑物病害整治的傳統方法為圍堰排水修補，該種方法施工所必須的圍堰、基礎防滲和基坑排水往往耗費大量的時間和費用[1]，而且改變結構受力狀況，不安全因素增多。如何修補加固水下病害混凝土建筑物，提高修補質量，簡化施工工藝，降低工程費用，是一個值得研究的課題。隨著科學技術的發展，各種新材料的問世[2]，以及潛水作業技術的進步，為病害混凝土水下補強加固技術提供了重要條件。為此，結合黃沙港閘反拱底板裂縫修補加固工程實際，經多方案比較研究[3]，提出水下補強加固新技術。1 水下補強加固技術 反拱底板水下補強加固技術要點：(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混合液灌漿來填充底板裂縫和底板下孔隙，達到堵漏防滲的目的；(2)反拱底板補強，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合強度低這一薄弱環節，內配φ12@150鋼筋網，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文獻[4]表明，水下混凝土表面強度損失較大，質量不易控制。特別是澆筑厚度僅20cm的水下薄層不分散混凝土，目前尚無資料記載。為了提高澆筑水下薄層不分散混凝土的質量，適當提高混凝土的設計標號，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度。 以上整個工藝均由施工人員(潛水員)在水下完成，并進行水下攝像，及時傳送到岸上，監理工程師可以根據錄像隨時了解和檢查施工情況，隨時發現和解決存在問題。2 現場試驗2.1 試驗概況2.1.1 試驗模擬條件 為了驗證水下施工的可行性、各種修補材料在特定環境條件下的性能以及施工質量的可靠程度，確保水下修補技術在工程實際中應用成功，特在黃沙港閘進行現場模擬施工試驗。試驗時盡量仿真。若直接在有裂縫的閘孔上進行，萬一試驗不成功，善后處理將比較麻煩，同時檢查測試也不方便，故決定采用澆筑試塊的辦法進行試驗。試塊垂直水流方向的尺寸按反拱底板原施工時兩假鉸之間的尺寸完全仿真，順水流方向的尺寸考慮試塊的重量及施工作業面，設計為長4m、寬2m、厚0.2m.起加固作用的新澆混凝土層完全按加固設計要求20cm厚度澆筑。試驗現場置于閘上游側，試驗期間，氣溫19℃～34℃，水溫16℃～29℃，水質狀況：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.試驗方法和步驟嚴格按照水下修補技術設計要求進行，除澆筑模擬反拱底板試塊，其它各道工序皆在水下4～5m處進行。2.1.2 試驗內容 (1)驗證水下補強加固技術各道施工工序的可實施性以及施工質量的可控制性；(2)檢測水下澆筑薄層不分散混凝土各項力學性能指標；(3)檢測新老混凝土的結合強度。新老混凝土之間能否良好結合，直接影響混凝土的整體性能及修補工程質量。(4)驗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 試驗設備 本次試驗是一次模擬施工現場試驗，動用了各道施工工序所需的所有設備，如：6×3×1.5m浮箱、5t手動葫蘆、0.9m3潛水空壓機、潛水裝備、風鉆、風鎬、電焊機、風割工具、50m3/h混凝土輸送泵、混凝土攪拌機、手搖式壓漿泵、水下攝像監控設備等。2.2 試驗檢測成果2.2.1 外觀檢查及抗壓強度 模擬試塊與現場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、內部密實，說明水下不分散混凝土有較好的流動性和自密實性。為了多方位測定水下不分散混凝土的強度，將模擬試塊吊出水面風干后進行現場回彈試驗檢測其抗壓強度，測區10個，抗壓強度平均值25.2MPa(齡期48d)，滿足設計要求。表1 水下不分散混凝土力學性能試驗成果
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力學性能 試件尺寸/ 48d強度代表值/ 換算成28d強度值/
cm Mpa MPa
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抗壓強度* 15×15×15 30.0 26.3
抗壓強度 D=10 25.6 22.0
劈拉強度 D=9.8，H=10 2.53
剪切強度 D=10，H=10 3.87
握裹強度 D=15 3.90
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注：抗壓強度為機口成型，自然狀態養護。
2.2.2 水下不分散混凝土的力學性能 水下不分散混凝土的力學性能包括抗壓強度、劈拉強度、剪切強度和握裹強度，試驗按SD105—82和GB81—85進行，試件為現場鉆孔取芯樣，試件尺寸及其檢測結果見表1所示。由表中可見：(1)水下不分散混凝土芯樣抗壓強度為25.6MPa，與現場回彈試驗檢測的抗壓強度值(25.2MPa)相當接近，強度表里一致，達到設計標準(C20)，說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護的試件強度與在機口取樣成型自然狀態養護的試件強度(水上試件)的比值為83.6%，強度損失約16%；(3)水下不分散混凝土的劈拉強度約為抗壓強度的10%，與文獻[4]的數據基本一致；(4)水下混凝土的剪切強度約為抗壓強度的1/6～1/7，與混凝土的常規比值基本相符[5]。(5)握裹強度(3.90MPa)與文獻[5]現場取樣結果(3.30MPa)相近，但與其室內試驗結果(8.6MPa)相差較多，這是由于現場取樣難以做到錨筋居中且不偏斜，因而可以認為實際的水下不分散混凝土的握裹強度大于3.9MPa.2.2.3 新老混凝土的結合性能 在老混凝土的表面，通過澆筑新混凝土來加固結構，使其發揮整體結構性能，這種新老混凝土結合的關鍵是結合界面能否有效地傳遞和承擔應力。一般而言，結合面能夠較好地傳遞壓應力，而傳遞拉力和剪力會受諸多因素的影響，且一般情況下都會被削弱。為此，著重測試新老混凝土結合面的抗拉和抗剪性能。 混凝土結合面的結合性能試驗成果見表2.由表2可見，所有試件的破壞面均為新老混凝土的結合面，用結合強度系數K(表示新老混凝土結合面強度與整體新混凝土強度的比值)，作為結合面的粘結性能評定指標，可以得出劈拉結合強度系數為0.45，剪切結合強度系數為0.56.由此可見，新老混凝土的結合強度約為整體新混凝土強度的一半(不包含錨筋作用)，表明水下施工環境對新老混凝土結合面的強度有一定影響，而錨固增強是非常有效和必要的措施。研究表明[5]，錨筋能提高劈拉強度70%左右，提高剪切強度50%左右。表2 新老混凝土結合性能試驗成果
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力學性能 試件尺寸/ 齡期/ 破壞荷載/ 強度值/ 結合強度系數 破壞位置
cm d kN MPa K
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軸拉強度 D=10 48 8800 1.12 新老混凝
劈拉強度 D=10,H=10 48 17900 1.14 0.45 土結合面
剪切強度 D=10,H=10 48 21650 2.16 0.56
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2.2.4 PBM混凝土嵌槽的結合性能 PBM系互穿網絡高分子材料，擁有不同高分子的互補和協同效應，體現出高分子合金性能。由它制備的砂漿或混凝土具有優越的性能。用PBM混凝土嵌槽修補裂縫，是為了達到恢復結構整體性、防水性及耐久性的目的，并為裂縫灌漿做好準備。PBM嵌槽的力學性能試驗成果見表3，其破壞位置皆在PBM混凝土與老混凝土的結合面上，說明結合面仍是強度薄弱環節。結合強度系數K(表示PBM混凝土結合面的剪切強度、抗彎強度與整體老混凝土的剪切強度、抗彎強度比值)值為0.4～0.55，可見其總體粘結性能約為老混凝土的50%，對于裂縫修補而言，整體性能的恢復有了一定的改善。因此，PBM不失為一種水下修補可選用的優良材料。表3 PBM混凝土嵌槽與老混凝土力學性能試驗成果
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力學性能 試件尺寸/cm 破壞荷載/kN 強度值/MPa 結合強度系數K PBM破壞位置
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D H L PBM OC PBM OC
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軸拉強度 4.5 8.0 12.0 2810 0.78 PBM與老混凝土結合面
剪切強度 4.5 4.5 12.0 6680 12050 3.30 5.95 0.55
抗彎強度 4.5 4.5 9.0 1610 3450 1.59 4.00 0.40
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注：OC為老混凝土。
2.2.5 LW+HW混合液灌縫的粘結強度及防滲效果 LW、HW為水溶性聚氨酯化學灌漿材料，LW具有快速高效的防滲堵漏性能，HW具有防滲堵漏和固結補強的雙重性能，兩者可視工程需要以任意比例互溶。為了檢驗其堵漏和補強效果，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度為0.22MPa.根據測試，堵漏效果良好。3 工程應用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四大港排澇擋潮的控制工程之一，1972年6月竣工，設計日均流量200m3/s，左岸第一孔為通航孔凈寬8m，其余15個排水孔，每孔凈寬5m，排水孔中墩為混凝土與砌石混合結構，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跨連拱結構。運行至今已有多孔反拱底板出現裂縫，裂縫分布在底板拱頂順水流方向，縫寬1～2mm，嚴重的7號孔反拱底板兩處向上冒水。經過沉陷觀測資料的分析計算，認為反拱底板的裂縫是由于拱腳不均勻沉陷引起的，沉陷已基本趨于穩定。經多方案比較及模擬施工現場試驗，決定采用水下修補方案。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鉆一個連接一個地鉆孔，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長為一個灌漿單元，布置灌漿孔和出漿孔各2個，孔距65cm,孔深20cm.(3)在灌漿孔內安裝灌漿塞，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型槽內并擠壓密實。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象，故用壓力泵通過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混合液時將其扎緊封堵，保持壓力3min，第一次灌漿完成。間隔1～2d后進行第二次灌漿。3.2.2 反拱底板補強 (1)打毛。由潛水員在水下用風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砂粒吸干凈。(3)錨固插筋。在插筋孔內安放藥卷式水下錨固劑，并插入φ20長40cm的鋼筋(錨筋外露20cm)和φ20長45cm的螺栓(螺栓外露25cm)，螺紋長不小于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鋼筋網整體吊裝下水就位，鋼筋網布置在新澆水下混凝土的上部，混凝土保護層為6cm.鋼筋與插筋之間用水下電焊聯接。(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計要求(20cm)。在模板的適當位置預留混凝土進料口和溢出口。進料口設在反拱底板頂部，溢出口設在模板四角，溢出口設活頁蓋板，并可封牢。(6)澆筑混凝土。在岸上按事先通過試驗確定的配合比攪拌C25水下不分散混凝土(考慮水下澆筑混凝土強度損失，提高一個等級配置)，用混凝土泵直接送到澆筑倉內，待模板四角預留的孔洞中溢出混凝土后，把預留洞封堵，直到最后一個預留孔洞中溢出混凝土并把預留洞封堵為止。(7)拆模。在混凝土澆筑3～5d后進行拆膜，拆膜后對混凝土進行檢查，將露出混凝土表面的螺栓進行割除。 黃沙港閘7號、8號兩孔反拱底板修補加固完工后，經檢測各項指標滿足設計要求。4 結 論 本文研究提出的混凝土建筑物水下補強加固技術，通過現場模擬施工試驗和工程的實際應用，驗證了這一新技術是可行、實用的、經濟的。所采用的水下不分散混凝土、PBM聚合物混凝土、LW+HW漿液等作為水下加固修補的原材料是有效的，與之相應的施工方案和施工工藝是科學的，水下修補加固技術施工質量是可以控制的。檢測得到的成果足以表明經加固修補后的混凝土結構各項力學性能指標皆滿足預期的工程要求。水下修補加固技術已成功地應用于黃沙港閘反拱底板的裂縫修補，該項技術適用于所有水工、海岸工程等結構的混凝土水下補強加固或興建，尤其在無法或難于修筑圍堰的情況下，運用該項技術更是切實可行。由于不須棄水施工，大大節約工期，減少投資。混凝土水下補強加固技術，是混凝土水下病害整治的一條新途徑，具有顯著的經濟效益，推廣應用前景廣闊。
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