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1、1混凝土建筑物水下补强加固技术研究水工混凝土建筑物病害整治的传统方法为围堰排水修补，该种方法施工所必须的围堰、基础防渗和基坑排水往往耗费大量的时间和费用，而且改变结构受力状况，不安全因素增多。如何修补加固水下病害混凝土建筑物，提高修补质量，简化施工工艺，降低工程费用，是一个值得研究的课题。随着科学技术的发展，各种新材料的问世，以及潜水作业技术的进步，为病害混凝土水下补强加固技术提供了重要条件。为此，结合黄沙港闸反拱底板裂缝修补加固工程实际，经多方案比较研究，提出水下补强加固新技术。1 水下补强加固技术反拱底板水下补强加固技术要点：（1）反拱底板裂缝处理。即水下沿裂缝凿槽，用 PBM 混凝土嵌缝
2、，用 LW 与 HW混合液灌浆来填充底板裂缝和底板下孔隙，达到堵漏防渗的目的；（2）反拱底板补强，即在原反拱底板上（老混凝土表面凿毛）浇筑 20cm 厚 C20 水下不分散混凝土，为了克服新老混凝土结合强度低这一薄弱环节，内配 12150钢筋网，并用锚固钢筋把新老混凝土连成整体，以提高反拱底板整体受力性能。反拱底板补强加固示意文献表明，水下混凝土表面强度损失较大，质量不易控制。特别是浇筑厚度仅 20cm 的水下薄层不分散混凝土，目前尚无资料记载。为了提高浇筑水下薄层不分散混凝土的质量，适当提高混凝土的设计标号，并采取加盖模板和泵送挤压两条工艺措施，以保证混凝土浇筑的连续性和减少混凝土与水的接触
3、界面，从而确保浇筑水下薄层不分散混凝土的强度。以上整个工艺均由施工人员（潜水员）在水下完成，并进行水下摄像，及时传送到2岸上，监理工程师可以根据录像随时了解和检查施工情况，随时发现和解决存在问题。2 现场试验2.1 试验概况 2.1.1 试验模拟条件为了验证水下施工的可行性、各种修补材料在特定环境条件下的性能以及施工质量的可靠程度，确保水下修补技术在工程实际中应用成功，特在黄沙港闸进行现场模拟施工试验。试验时尽量仿真。若直接在有裂缝的闸孔上进行，万一试验不成功，善后处理将比较麻烦，同时检查测试也不方便，故决定采用浇筑试块的办法进行试验。试块垂直水流方向的尺寸按反拱底板原施工时两假铰之间的尺寸完
4、全仿真，顺水流方向的尺寸考虑试块的重量及施工作业面，设计为长 4m、宽 2m、厚 0.2m.起加固作用的新浇混凝土层完全按加固设计要求20cm 厚度浇筑。试验现场置于闸上游侧，试验期间，气温 1934，水温1629，水质状况：氯离子 390680mg/L、硫酸根离子 45150mg/L、高猛酸盐 5.810.6mg/L、pH 值 7.78.9.试验方法和步骤严格按照水下修补技术设计要求进行，除浇筑模拟反拱底板试块，其它各道工序皆在水下 45m 处进行。2.1.2 试验内容 （1）验证水下补强加固技术各道施工工序的可实施性以及施工质量的可控制性；（2）检测水下浇筑薄层不分散混凝土各项力学性能指标
5、；（3）检测新老混凝土的结合强度。新老混凝土之间能否良好结合，直接影响混凝土的整体性能及修补工程质量。（4）验证施工中所用各种新工程材料的性能，如不分散剂 NNDC 2、PBM 聚合3物混凝土、LW+HW 裂缝灌浆材料及药卷式锚固剂。2.1.3 试验设备本次试验是一次模拟施工现场试验，动用了各道施工工序所需的所有设备，如：631.5m 浮箱、5t 手动葫芦、0.9m3 潜水空压机、潜水装备、风钻、风镐、电焊机、风割工具、50m3/h 混凝土输送泵、混凝土搅拌机、手摇式压浆泵、水下摄像监控设备等。2.2 试验检测成果2.2.1 外观检查及抗压强度模拟试块与现场钻孔试件芯样外观检查表明水下不分散混
6、凝土浇筑表面光滑、四周完整、内部密实，说明水下不分散混凝土有较好的流动性和自密实性。为了多方位测定水下不分散混凝土的强度，将模拟试块吊出水面风干后进行现场回弹试验检测其抗压强度，测区 10 个，抗压强度平均值25.2MPa（龄期 48d），满足设计要求。2.2.2 水下不分散混凝土的力学性能水下不分散混凝土的力学性能包括抗压强度、劈拉强度、剪切强度和握裹强度，试验按 SD10582 和 GB8185 进行，试件为现场钻孔取芯样，试件尺寸及其检测结果见表 1 所示。由表中可见：（1）水下不分散混凝土芯样抗压强度为 25.6MPa，与现场回弹试验检测的抗压强度值（25.2MPa）相当接近，强度表里
7、一致，达到设计标准（C20），说明加盖模板和泵送挤压两条工艺措施非常有效；（2）水下不散混凝土在水下浇筑成型并在水中养护的试件强度与在机口取样成型自然状态养护的试件强度（水上试件）的比值为 83.6%，强度损失约 16%；（3）水下不分散混凝土的劈拉强度约为抗压强度的 10%，与文献4的数据基本一4致；（4）水下混凝土的剪切强度约为抗压强度的 1/61/7，与混凝土的常规比值基本相符.（5）握裹强度 （3.90MPa）与文献5现场取样结果（3.30MPa）相近，但与其室内试验结果（8.6MPa）相差较多，这是由于现场取样难以做到锚筋居中且不偏斜，因而可以认为实际的水下不分散混凝土的握裹强度大于
8、 3.9MPa. 2.2.3 新老混凝土的结合性能在老混凝土的表面，通过浇筑新混凝土来加固结构，使其发挥整体结构性能，这种新老混凝土结合的关键是结合界面能否有效地传递和承担应力。一般而言，结合面能够较好地传递压应力，而传递拉力和剪力会受诸多因素的影响，且一般情况下都会被削弱。为此，着重测试新老混凝土结合面的抗拉和抗剪性能。 混凝土结合面的结合性能试验成果见表 2.由表 2 可见，所有试件的破坏面均为新老混凝土的结合面，用结合强度系数 K（表示新老混凝土结合面强度与整体新混凝土强度的比值），作为结合面的粘结性能评定指标，可以得出劈拉结合强度系数为 0.45，剪切结合强度系数为 0.56.由此可见
9、，新老混凝土的结合强度约为整体新混凝土强度的一半（不包含锚筋作用），表明水下施工环境对新老混凝土结合面的强度有一定影响，而锚固增强是非常有效和必要的措施。研究表明，锚筋能提高劈拉强度 70%左右，提高剪切强度 50%左右。2.2.4 PBM 混凝土嵌槽的结合性能 PBM 系互穿网络高分子材料，拥有不同高分子的互补和协同效应，体现出高分子合金性能。由它制备的砂浆或混凝土具有优越的性能。用 PBM 混凝土嵌槽修补裂缝，是为了达到恢复结构整体性、防水性及耐久性的目的，并为裂缝灌浆做好准备。PBM 嵌槽的力学性能试验成果见表 3，其破坏位置皆在 PBM 混凝土与老混凝土的结合面上，说明结合面仍是强度薄
10、弱5环节。结合强度系数 K（表示 PBM 混凝土结合面的剪切强度、抗弯强度与整体老混凝土的剪切强度、抗弯强度比值）值为 0.40.55，可见其总体粘结性能约为老混凝土的 50%，对于裂缝修补而言，整体性能的恢复有了一定的改善。因此，PBM不失为一种水下修补可选用的优良材料。 2.2.5 LW+HW 混合液灌缝的粘结强度及防渗效果 LW、HW 为水溶性聚氨酯化学灌浆材料，LW 具有快速高效的防渗堵漏性能，HW 具有防渗堵漏和固结补强的双重性能，两者可视工程需要以任意比例互溶。为了检验其堵漏和补强效果，特制备了一组直径 D=15cm，含有 LW+HW 混合液灌缝的劈拉试件，该混合液灌缝的劈拉强度为
11、 0.22MPa.根据测试，堵漏效果良好。3 工程应用3.1 工程概况黄沙港闸是淮河入海尾闾江苏省里下河地区四大港排涝挡潮的控制工程之一，1972 年 6 月竣工，设计日均流量 200m3/s，左岸第一孔为通航孔净宽 8m，其余 15 个排水孔，每孔净宽 5m，排水孔中墩为混凝土与砌石混合结构，厚 0.9m，闸底板采用素混凝土反拱底板型式，底板厚 0.5m，底板与闸墩连成整体不分缝，成为 16 跨连拱结构。运行至今已有多孔反拱底板出现裂缝，裂缝分布在底板拱顶顺水流方向，缝宽 12mm，严重的 7 号孔反拱底板两处向上冒水。经过沉陷观测资料的分析计算，认为反拱底板的裂缝是由于拱脚不均匀沉陷引起的
12、，沉陷已基本趋于稳定。经多方案比较及模拟施工现场试验，决定采用水下修补方案。3.2 施工工艺63.2.1 底板裂缝处理 （1）沿缝凿槽。沿底板裂缝走向用风钻一个连接一个地钻孔，孔深为 42mm，钻孔直径为 42mm，然后修成 42mm42mm 的 U 型槽。（2）钻灌浆孔。沿裂缝走向骑缝钻灌浆孔和出浆孔，每 2m 长为一个灌浆单元，布置灌浆孔和出浆孔各 2 个，孔距 65cm，孔深 20cm.（3）在灌浆孔内安装灌浆塞，并将灌浆管接至水面以上与灌浆泵相连接。（4）嵌缝。采用 PBM 混凝土封缝胶嵌入凿好的 U 型槽内并挤压密实。固化前用压板压紧，固化后拆掉压板。（5）灌浆。由于闸底板下面的粉砂
13、层可能有淘空现象，故用压力泵通过灌浆孔向裂缝及底板下灌 LW 与 HW 混合液，由稀到稠。压力控制在 0.10.15MPa.待出浆管溢出 LW 与 HW 混合液时将其扎紧封堵，保持压力 3min，第一次灌浆完成。间隔 12d 后进行第二次灌浆。3.2.2 反拱底板补强 （1）打毛。由潜水员在水下用风镐将底板混凝土表面打毛，露出粗骨料，并用高压水枪把碴屑冲除干净。（2）钻插筋孔。按孔距 60cm 用风钻钻插筋孔，孔深 20cm，孔径 42mm.用高压水枪把屑冲除干净，并用真空吸管将孔内砂粒吸干净。（3）锚固插筋。在插筋孔内安放药卷式水下锚固剂，并插入 20 长 40cm 的钢筋（锚筋外露 20c
14、m）和 20 长 45cm 的螺栓（螺栓外露 25cm），螺纹长不小于 5cm，既可作锚筋用，又可作固定钢模板用），锚筋和螺栓间隔布置。（4）钢筋就位。将在岸上绑好的 12150 钢筋网整体吊装下水就位，钢筋网布置在新浇水下混凝土的上部，混凝土保护层为 6cm.钢筋与插筋之间用水下电焊联接。7（5）架立钢模。模板采用 4mm 钢板和758 角钢拼接而成，用螺帽固定钢模板，并控制模板与反拱底板之间的距离符合设计要求 （20cm）。在模板的适当位置预留混凝土进料口和溢出口。进料口设在反拱底板顶部，溢出口设在模板四角，溢出口设活页盖板，并可封牢。（6）浇筑混凝土。在岸上按事先通过试验确定的配合比搅拌 C25 水下不分散混凝土（考虑水下浇筑混凝土强度损失，提高一个等级配置），用混凝土泵直接送到浇筑仓内，待模板四角预留的孔洞中溢出混凝土后，把预留洞封堵，直到最后一个预留孔洞中溢出混凝土并把预留洞封堵为止。（7）拆模。在混凝土浇筑 35d 后进行拆膜，拆膜后对混凝土进行检查，将露出混凝土表面的螺栓进行割除。
