膨胀式灌浆卡箍前沿讲座

1、膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的试验研究石 湘 2013年8月21日膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的试验研究试验研究4、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究2、膨胀式自应力灌浆、膨胀式自应力灌浆卡箍短期卡箍短期承载性能的研究承载性能的研究1、研究现状及意义、研究现状及意义1、研究现状及意义、研究现状及意义1.1 1.1 选题依据选题依据 海洋平台在服役期间由于各种原因，不可避免的会发生各种结构损伤，需要对其进行加固。超期服役的老龄平台也需要进行修复加固以保证其

2、安全运行。 因此需要研究既经济性又安全性的修复加固措施。当当导管架平台导管架平台的损伤部位发生在水下时，的损伤部位发生在水下时，自应力灌浆卡箍自应力灌浆卡箍是最常用的修复方法是最常用的修复方法1.1. 研究现状及意义研究现状及意义导管架平台的损伤破坏1.1 1.1 选题依据选题依据1.1. 研究现状及意义研究现状及意义自应力灌浆卡箍截面图自应力灌浆卡箍截面图自应力灌浆卡箍结构图自应力灌浆卡箍结构图租用工程船进行卡箍安装、灌浆再次租用工程船利用螺栓拉伸器对卡箍施加自应力36小时后螺栓拉伸器螺栓拉伸器传统自应力灌浆卡箍的施工过程传统自应力灌浆卡箍的施工过程1.1. 研究现状及意义研究现状及意义1.

3、2 1.2 传统自应力灌浆卡箍的研究现传统自应力灌浆卡箍的研究现状状施工难度大施工难度大施工费用高施工费用高自应力灌浆卡箍在实施上存在的问题自应力灌浆卡箍在实施上存在的问题膨胀式自应力灌浆卡箍膨胀式自应力灌浆卡箍两次租用工程船并需购置拉伸器及配套的液压装置膨胀水泥水泥浆中掺入适量的高效膨胀剂，利用水泥浆硬化后水泥与膨胀剂继续水化产生的膨胀变形在灌浆环/钢的相互接触面上产生径向压力，以使卡箍获得自应力优点：省去了工程船约一半的时间，提高优点：省去了工程船约一半的时间，提高了施工效率，降低了施工费用。了施工效率，降低了施工费用。1.3 1.3 膨胀式自应力灌浆卡箍的原理及研究意义膨胀式自应力灌浆卡

4、箍的原理及研究意义膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状1.4 1.4 膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状在性能上膨胀水泥浆比普通水泥浆难于控制，再加上对这种灌浆材料的长期完整性的质疑阻止了这一技术的海上应用。该技术存在的问题该技术存在的问题Elnashai等对利用高压灌浆方式获得自应力的压力灌浆卡箍进行了试验研究，而且在大比尺模型试验中采用了膨胀水泥灌浆；Grundy等对采用膨胀剂的灌浆连接进行了试验测试，发现这种灌浆连接有很好的连接滑动强度及疲劳强度；1.1. 研究现状及意义研究现状及意义1.5 1.5 混凝土膨胀剂的混凝土膨胀剂的研究现状研

5、究现状1.1. 研究现状及意义研究现状及意义 我国混凝土膨胀剂开发应用已有20 多年历史,先后开发出四代膨胀剂，其研究与应用已处于世界先进水平。 用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土、填充用膨胀混凝土和自应力混凝土或砂浆已在土木工程的各个领域得到广泛应用，但在海洋工程修复加固中的研究和应用都较少。 通过筛选采用了石家庄市功能建材有限公司的FEA100膨胀剂和唐山北极熊建材有限公司CSAII膨胀剂进行了灌浆卡箍的试验研究。 膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的试验研究试验研究4、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的

6、研究、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究1、研究现状及意义、研究现状及意义2、膨胀式自应力灌浆、膨胀式自应力灌浆卡箍短期卡箍短期承载性能的研究承载性能的研究卡箍试件结构图卡箍试件结构图卡箍试件结构截面图卡箍试件结构截面图2.1 2.1 试件试件的设计与制作的设计与制作2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究中间断开2.2 2.2 灌浆的成分配比灌浆的成分配比2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究膨胀剂膨胀剂 水泥水泥 灌浆灌浆FEA膨胀剂，膨胀剂，CSA膨胀剂膨胀剂 产生膨胀压力产生膨胀压力山水牌

7、山水牌PO42.5PO42.5 灌浆的主要成分灌浆的主要成分掺量比掺量比/ %水泥水泥/ g膨胀剂膨胀剂/ g水水/ g8800064038881080008003960128000960403215800012004140其中，水泥浆水灰比0.45。人工灌浆卡箍试件的水下养护卡箍试件的水下养护螺栓长度的测量螺栓长度的测量试件养护：水中养护21天，室内养护7天，共计28天螺栓测量：养护结束，用游标卡尺测量卡箍的螺栓长度2.3 试验过程受损内管沿灌浆环受损内管沿灌浆环/受损内受损内管间的界面发生相对滑动管间的界面发生相对滑动滑动承载力试验：养护完成后，使用万能试验机对试件进行承载力测试,测试极限

8、承载力极限承载力。2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究螺栓的张紧力1、膨胀压力的计算膨胀压力的计算灌浆环与受损内管间的压力螺栓长度的变化滑动承载力滑动应力SxsFfD滑动承载力滑动应力2.4 2.4 测试数据的计算测试数据的计算2 2、滑动应力的计算、滑动应力的计算内管外径灌浆有效接触长度2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究2.5 卡箍短期承载性的分析CSA膨胀剂不同掺量下的试验数据膨胀剂不同掺量下的试验数据膨胀剂含量膨胀剂含量/%8 8101012121515膨胀压力膨胀压力/MPa1.451

9、.451.651.651.571.571.611.612.742.741.971.972.582.583.723.72滑动应力滑动应力/MPa1.21.21.361.361.791.791.161.162.232.231.641.641.791.792.912.91FEA膨胀剂不同掺量下的试验数据膨胀剂不同掺量下的试验数据膨胀剂含量膨胀剂含量/%8 8101012121515膨胀压力膨胀压力/MPa1.041.040.9360.936 1.4871.4871.51.51.1751.1751.351.351.571.571.141.141.871.871.91.9滑动应力滑动应力/MPa0.83

10、30.8331.21.21.671.671.3961.3961.571.571.81.81.4431.4431.51.52.52.52.32.31.1.测试数据测试数据2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究2.5 卡箍短期承载性的分析2. 2. 膨胀压力与膨胀剂掺量的关系分析膨胀压力与膨胀剂掺量的关系分析 2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究2.5 卡箍短期承载性的分析3.7MPa3. 3. 滑动应力与膨胀剂掺量的关系分析滑动应力与膨胀剂掺量的关系分析2.9MPa 由数据分析可知：由数据分析可知：

11、膨胀压力和滑动应力均随着掺量的增加而增大，且在掺量膨胀压力和滑动应力均随着掺量的增加而增大，且在掺量相同情况下相同情况下CSAII产生的膨胀压力较产生的膨胀压力较FEA稍稍大大，2种膨胀剂都种膨胀剂都适合在海洋结构物适合在海洋结构物的修复加固卡箍中应用。的修复加固卡箍中应用。2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究MSL公司提出了适用于传统自应力灌浆卡箍自应力与滑动应力间关系的设计公式Elnashai等人提出了适用于高压灌浆压力与相应的滑动应力间的经验公式0.950.35S1 0.131 12sssabfcc PTfSFSFDD0 .5sa9gls

12、c ufK CC Cf2.6 实验数据经验公式的建立1.1.现有公式：现有公式：2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究2.6 实验数据经验公式的建立MSL公式公式CSAII经验公式经验公式FEA经验公式经验公式摩擦系数膨胀压力增强系数膨胀压力径向刚度系数长度/直径的系数表面状况系数水泥的抗压强度fbuc =5.578KClCsfcu0.5 + CPP 粘结力粘结力摩擦力摩擦力膨胀压力增强系数 CP=0.645P/P10+0.02 膨胀压力（掺量10%）CSACSA膨胀剂经验公式膨胀剂经验公式2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自

13、应力灌浆卡箍短期承载性能的研究FEAFEA膨胀剂经验公式修正膨胀剂经验公式修正由于在试验测试时存在计量误差，经过反复理论分析与计算，现对已经建立的经验公式进行修正，以更好地与实验数据拟合。FEA膨胀剂的膨胀压力与滑动应力间关系的经验公式：fbuc=5.3KClCsfcu0.5+ CPP CP=0.597P/P10+0.57膨胀压力增强系数膨胀压力增强系数：2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究2.7 2.7 小结小结1.1.CSA膨胀剂与膨胀剂与FEAFEA膨胀剂适合在海洋结构物的修复加固卡箍中应用膨胀剂适合在海洋结构物的修复加固卡箍中应用2.2

14、.建立了适用于建立了适用于CSA膨胀剂的灌浆膨胀压力与滑动应力间关系的经验公式膨胀剂的灌浆膨胀压力与滑动应力间关系的经验公式3.3.修正了适用于修正了适用于FEAFEA膨胀剂的灌浆膨胀压力与滑动应力间关系的经验公式膨胀剂的灌浆膨胀压力与滑动应力间关系的经验公式2 2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的试验研究试验研究4、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究1、研究现状及意义、研究现状

15、及意义3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状由于对这种卡箍长期承载性能存有疑虑，致使这项新技术没有在工程实践中得的应用。Elnashai等对利用高压灌浆方式获得自应力的压力灌浆卡箍进行了试验研究，而且在大比尺模型试验中采用了膨胀水泥灌浆；Grundy等对采用膨胀剂的灌浆连接进行了试验测试，发现这种灌浆连接有很好的连接滑动强度及疲劳强度；3 3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究研究对象卡箍的灌浆为纯水泥浆，在长期预应力下灌浆环会产生徐变松弛，减弱前

16、期膨胀产生的预应力，从而降低卡箍的长期承载性能3.1 3.1 膨胀剂的性能对长期承载性能的影响膨胀剂的性能对长期承载性能的影响FEA100对长期承载性能的影响在前期，在前期，使使自应力灌浆卡箍迅速获得大量的自应力灌浆卡箍迅速获得大量的膨胀压力并能够长时间维持膨胀压力并能够长时间维持在后期，氧化钙水化反应能够提高灌浆环的在后期，氧化钙水化反应能够提高灌浆环的致密度，提高灌浆环和内管之间的摩擦力和化致密度，提高灌浆环和内管之间的摩擦力和化学粘结力，进而提高长期滑动承载力学粘结力，进而提高长期滑动承载力FEA100膨胀剂的性能利于卡箍的长期承载性能3 3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究、膨胀

17、式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究卡箍试件结构图卡箍试件结构图卡箍试件结构截面图卡箍试件结构截面图3.2 3.2 试件试件的设计与制作的设计与制作3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究中间断开 3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究3.3 3.3 灌浆的成分配比灌浆的成分配比 灌浆膨胀剂水泥粉煤灰FEA100全补偿型膨胀剂产生膨胀压力山水牌PO42.5灌浆的主要成分二级粉煤灰改善灌浆的工作性能各个试件的详细灌浆成分表各个试件的详细灌浆成分表试件养护：水中养护358天，室内养护7天，共计1年卡箍试件的滑动承载力测试卡箍试件的滑动承载力测试3.4 3.4 试验过程试验过程3

18、. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究卡箍的破坏形式卡箍的破坏形式受损内管沿灌浆环受损内管沿灌浆环/ /受损内受损内管间的界面发生相对滑动管间的界面发生相对滑动卡箍试件的水下养护卡箍试件的水下养护螺栓长度的定期测量螺栓长度的定期测量螺栓测量：养护期间，定期测量卡箍的螺栓长度滑动承载力试验：养护完成后，使用万能试验机对试件进行承载力测试内管所受膨胀压力的长期测试结果内管所受膨胀压力的长期测试结果3.5 3.5 膨胀压力的长期监测膨胀压力的长期监测 3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究12%10%15%膨胀压力前7天迅速获得大部分的膨胀压力1年时间内膨胀压力整体保持稳定掺加

19、了FEA100的灌浆有着良好的长期膨胀性能3.6 3.6 长期滑动应力和长期膨胀压力的试验测试长期滑动应力和长期膨胀压力的试验测试 3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究卡箍试件的长期滑动应力和长期膨胀压力卡箍试件的长期滑动应力和长期膨胀压力最大膨胀最大膨胀压力压力最大滑动最大滑动应力应力15%膨胀剂掺量达到最大长期膨胀压力和滑动应力3.7 3.7 长期膨胀压力分析及与短期膨胀压力对比长期膨胀压力分析及与短期膨胀压力对比 3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究长期膨胀长期膨胀压力均值压力均值短期膨胀短期膨胀压力均值压力均值卡箍长期试件与短期试件的膨胀压力卡箍长期试件与短

20、期试件的膨胀压力平均长期膨胀压力与短期膨胀压力对比平均长期膨胀压力与短期膨胀压力对比最高增长最高增长率率长、短期膨胀压力对比长期膨胀压力比短期平均增长35.8%膨胀剂掺量15%的长期膨胀压力增长率最高 长期膨胀压力高于短期膨胀压力3.83.8 长期滑动应力分析及与短期滑动应力对比长期滑动应力分析及与短期滑动应力对比3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究最高增最高增长率长率卡箍长期试件与短期试件的滑动应力卡箍长期试件与短期试件的滑动应力长、短期滑动应力对比长期滑动应力比短期平均增长35.9%膨胀剂掺量8%的长期滑动应力增长率最高 滑动应力增长率随膨胀剂掺量增加呈下降趋势长期滑动应力高

21、于短期滑动应力平均长期滑动应力与短期滑动应力对比平均长期滑动应力与短期滑动应力对比短期滑动短期滑动应力均值应力均值长期滑动长期滑动应力均值应力均值 3.3. 长期承载性能的试验研究长期承载性能的试验研究3.9 3.9 长期滑动承载力高于短期滑动承载力的原因分析长期滑动承载力高于短期滑动承载力的原因分析滑动承载力由灌浆环内表面与内管外表面之间的化学粘结力和摩擦力两部分构成长期高于短期的原因 FEA膨胀剂中的氧化钙成分能够增加灌浆环的长期密实性，从而增加了界面之间的化学粘结力卡箍结构（包括密封结构）对灌浆膨胀的良好限制作用有利于长期膨胀压力的形成和积累，进而提高了界面之间的摩擦力 3.3. 长期承

22、载性能的试验研究长期承载性能的试验研究 小结小结小结试验结果原因分析结论长期承载性能优于短期承载性能膨胀剂中的氧化钙成分对灌浆环长期密实性的提高卡箍结构对灌浆膨胀的良好限制作用膨胀式自应力灌浆卡箍的长期承载性能并没有受到灌浆收缩徐变的不利影响，反而具有很好的长期承载能力和耐久性，适合在海洋结构物的修复加固中进行工程应用膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能的试验研究试验研究3、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的研究2、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍短期承载性能的研究1、研究现状及意义、研究现状及意义4、膨

23、胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构的研究主要内容主要内容4.1 4.1 新旧型自应力灌浆卡箍的结构对比新旧型自应力灌浆卡箍的结构对比4.2 4.2 新型自应力灌浆卡箍的试验数据分析新型自应力灌浆卡箍的试验数据分析4.3 4.3 当前试验总结与展望当前试验总结与展望4、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构4.1 4.1 新旧自应力灌浆卡箍的结构对比新旧自应力灌浆卡箍的结构对比传统型卡箍（长螺栓）传统型卡箍（长螺栓） 新型卡箍（短螺栓）新型卡箍（短螺栓） 通过结构对比可以直观的看出：新型卡箍结构具有用钢量少，轴向密封性好以及装配简单的优点。4、膨胀式自应力

24、灌浆卡箍新结构、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构4、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构、膨胀式自应力灌浆卡箍新结构4.2 4.2 新型自应力灌浆卡箍的试验分析新型自应力灌浆卡箍的试验分析新型新型卡箍的滑动承载力测试卡箍的滑动承载力测试4.2 4.2 新型自应力灌浆卡箍的试验分析新型自应力灌浆卡箍的试验分析1 目前新型卡箍已测的试验数据总结目前新型卡箍已测的试验数据总结细长比FEA膨胀剂含量1234平均平均滑动应力1.6710%139.5101111119.5117.81.9312%138124136.5126131.12.1515%145.5154.3161137149.52.451.3010%678410

25、110388.81.8715%94102.5138151121.42.561.02(待测)10%15%15%FEA膨胀剂掺量下的新型卡箍由应变值测得的膨胀压力(MPa)水平位置垂直位置2.85.34.2 4.2 新型自应力膨胀卡箍的试验分析新型自应力膨胀卡箍的试验分析2 不同不同FEA膨胀剂掺量下新型卡箍滑动承载力数据对比膨胀剂掺量下新型卡箍滑动承载力数据对比总结：在同细长比下，随着膨胀剂含量的增加而抗拉能力增总结：在同细长比下，随着膨胀剂含量的增加而抗拉能力增加即滑动承载力变大。加即滑动承载力变大。117.8131.1149.588.8121.48010012014016010%12%15%

26、极限拉力（极限拉力（KN）不同不同FEAFEA膨胀剂掺量的卡箍抗拉对比膨胀剂掺量的卡箍抗拉对比细长比1.67细长比1.30 FEA膨胀剂掺量 卡箍类型10%12%15%新型卡箍平均滑动承载力(KN)117.8131.1149.5传统型卡箍平均滑动承载力(KN)90.498.9128.215%FEA膨胀剂掺量由应变值测得的膨胀压力(MPa)由螺栓长度测得的膨胀压力(MPa)水平位置垂直位置新型2.85.3-传统型1.48-1.784.2 4.2 新型自应力膨胀卡箍的试验分析新型自应力膨胀卡箍的试验分析3 新型与传统型卡箍新型与传统型卡箍膨胀压力以及滑动承载力对比膨胀压力以及滑动承载力对比无论是从膨胀压力还是滑动承载力方面，试验数据显示新型卡箍均优于传无论是从膨胀压力还是滑动承载力方面，试验数据显示新型卡箍均优于传统型卡箍。统型卡箍。在膨胀剂在膨胀剂掺量掺量同为同为15%的条件下，新型卡箍的条件下，新型卡箍的的膨胀压力均膨胀压力均大于大于传统型卡箍传统型卡箍的膨胀压力。的膨胀压力。滑动