混凝土建筑物水下补强加固技术

混凝土建筑物水下补强加固技术研究摘要：本文针对混凝土水下病害整治中传统围堰干法施工的缺陷，结合工程实例，提出水下补强加固新技术。由现场模拟施工试验并经工程实际应用表明，这一结合防渗、整体补强水下施工技术切实可行，水下浇筑薄层不分散混凝土各项力学性能指标，满足工程加固设计要求，新老混凝土结合良好。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[1]，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[2]，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[3]，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，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φ12@150钢筋网，并用锚固钢筋把新老混凝土连成整体。

文献[4]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

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19℃～34℃，水温16℃～29℃，水质状况：氯离子390～680mg/L、硫酸根离子45～150mg/L、高猛酸盐5.8～10.6mg/L、pH值7.7～8.9.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4～5m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；(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：6×3×1.5m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。表1

水下不分散混凝土力学性能试验成果

--------------------------------------------------------------------------------力学性能

试件尺寸/

48d强度代表值/

换算成28d强度值/

cm

Mpa

MPa

--------------------------------------------------------------------------------抗压强度*

15×15×15

30.0

26.3

抗压强度

D=10

25.6

22.0

劈拉强度

D=9.8，H=10

2.53

剪切强度

D=10，H=10

3.87

握裹强度

D=15

3.90

--------------------------------------------------------------------------------注：抗压强度为机口成型，自然状态养护。

水下不分散混混凝土的力学学性能

水下不分散散混凝土的力力学性能包括括抗压强度、劈劈拉强度、剪剪切强度和握握裹强度，试试验按SD105—82和GB81—85进行，试件件为现场钻孔孔取芯样，试试件尺寸及其其检测结果见见表1所示。由表表中可见：(1)水下不分散散混凝土芯样样抗压强度为为25.6MMPa，与现场回回弹试验检测测的抗压强度度值(25.22MPa)相当接近，强强度表里一致致，达到设计计标准(C20)，说明加盖盖模板和泵送送挤压两条工工艺措施非常常有效；(2)水下不散混混凝土在水下下浇筑成型并并在水中养护护的试件强度度与在机口取取样成型自然然状态养护的的试件强度(水上试件)的比值为83.6%，强度损失失约16%；(3)水下不分散散混凝土的劈劈拉强度约为为抗压强度的的10%，与文献[4]的数据基本本一致；(4)水下混凝土土的剪切强度度约为抗压强强度的1/6～1/7，与混凝土土的常规比值值基本相符[5]。(5)握裹强度(3.900MPa)与文献[5]现场取样结结果(3.300MPa)相近，但与与其室内试验验结果(8.6MMPa)相差较多，这这是由于现场场取样难以做做到锚筋居中中且不偏斜，因因而可以认为为实际的水下下不分散混凝凝土的握裹强强度大于3.9MPPa.

2.2..3

新老混凝土土的结合性能能

在老混凝土土的表面，通通过浇筑新混混凝土来加固固结构，使其其发挥整体结结构性能，这这种新老混凝凝土结合的关关键是结合界界面能否有效效地传递和承承担应力。一一般而言，结结合面能够较较好地传递压压应力，而传传递拉力和剪剪力会受诸多多因素的影响响，且一般情情况下都会被被削弱。为此此，着重测试试新老混凝土土结合面的抗抗拉和抗剪性性能。

混凝土结合合面的结合性性能试验成果果见表2.由表2可见，所有有试件的破坏坏面均为新老老混凝土的结结合面，用结结合强度系数数K(表示新老混混凝土结合面面强度与整体体新混凝土强强度的比值)，作为结合合面的粘结性性能评定指标标，可以得出出劈拉结合强强度系数为0.45，剪切结合合强度系数为为0.56.由此可见，新新老混凝土的的结合强度约约为整体新混混凝土强度的的一半(不包含锚筋筋作用)，表明水下下施工环境对对新老混凝土土结合面的强强度有一定影影响，而锚固固增强是非常常有效和必要要的措施。研研究表明[5]，锚筋能提提高劈拉强度度70%左右，提高高剪切强度50%左右。

表2

新老混凝土土结合性能试试验成果

------------------------------------------------------------------------------------------------力学性能

试件尺寸/

龄期/

破坏荷载/

强度值/

结合强度系系数

破坏位置

cm

dd

kN

MMPa

K

------------------------------------------------------------------------------------------------轴拉强度

D=100

48

88800

11.12

新老混凝

劈拉强度

D=100,H=100

48

117900

1.14

0.45

土结合面

剪切强度

D=100,H=100

48

221650

2.16

0.56

------------------------------------------------------------------------------------------------

22.2.4

PBM混凝土嵌槽槽的结合性能能

PBM系互穿网络络高分子材料料，拥有不同同高分子的互互补和协同效效应，体现出出高分子合金金性能。由它它制备的砂浆浆或混凝土具具有优越的性性能。用PBM混凝土嵌槽槽修补裂缝，是是为了达到恢恢复结构整体体性、防水性性及耐久性的的目的，并为为裂缝灌浆做做好准备。PBM嵌槽的力学学性能试验成成果见表3，其破坏位位置皆在PBM混凝土与老老混凝土的结结合面上，说说明结合面仍仍是强度薄弱弱环节。结合合强度系数K(表示PBM混凝土结合合面的剪切强强度、抗弯强强度与整体老老混凝土的剪剪切强度、抗抗弯强度比值值)值为0.4～0.55，可见其总总体粘结性能能约为老混凝凝土的50%，对于裂缝缝修补而言，整整体性能的恢恢复有了一定定的改善。因因此，PBM不失为一种种水下修补可可选用的优良良材料。

表3

PBM混凝土嵌槽槽与老混凝土土力学性能试试验成果

------------------------------------------------------------------------------------------------力学性能

试件尺寸/cm

破坏荷载/kN

强度值/MPa

结合强度系系数K

PBM破坏位置

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------D

H

LL

PBM

OC

PBBM

OC

------------------------------------------------------------------------------------------------轴拉强度

4.5

8.0

112.0

22810

00.78

PPBM与老混凝土土结合面

剪切强度

4.5

4.5

112.0

66680

112050

3.30

5.95

0.55

抗弯强度

4.5

4.5

99.0

16610

34450

1..59

4..00

0..40

------------------------------------------------------------------------------------------------注：OC为老混凝土土。

LW+HW混混合液灌缝的的粘结强度及及防渗效果

LW、HW为水溶性聚聚氨酯化学灌灌浆材料，LW具有快速高高效的防渗堵堵漏性能，HW具有防渗堵堵漏和固结补补强的双重性性能，两者可可视工程需要要以任意比例例互溶。为了了检验其堵漏漏和补强效果果，特制备了了一组直径D=15ccm，含有LW+HW混合液灌缝缝的劈拉试件件，该混合液液灌缝的劈拉拉强度为0.22MMPa.根据测试，堵堵漏效果良好好。

33

工程应用

33.1

工程概况

黄沙港闸是是淮河入海尾尾闾江苏省里里下河地区四四大港排涝挡挡潮的控制工工程之一，1972年6月竣工，设设计日均流量量200m33/s，左岸第一一孔为通航孔孔净宽8m，其余15个排水孔，每每孔净宽5m，排水孔中中墩为混凝土土与砌石混合合结构，厚0.9m，闸底板采采用素混凝土土反拱底板型型式，底板厚厚0.5m，底板与闸闸墩连成整体体不分缝，成成为16跨连拱结构构。运行至今今已有多孔反反拱底板出现现裂缝，裂缝缝分布在底板板拱顶顺水流流方向，缝宽宽1～2mm，严重的7号孔反拱底板板两处向上冒冒水。经过沉沉陷观测资料料的分析计算算，认为反拱拱底板的裂缝缝是由于拱脚脚不均匀沉陷陷引起的，沉沉陷已基本趋趋于稳定。经经多方案比较较及模拟施工工现场试验，决决定采用水下下修补方案。

33.2

施工工艺

33.2.1

底板裂缝处处理

(1)沿缝凿槽。沿沿底板裂缝走走向用风钻一一个连接一个个地钻孔，孔孔深为42mm，钻孔直径径为42mm，然后修成42mm××42mm的U型槽。(2)钻灌浆孔。沿沿裂缝走向骑骑缝钻灌浆孔孔和出浆孔，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0.1～0.15MPa.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1～2d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φ42mm.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φ20长40cm的钢筋(锚筋外露20cm)和φ20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φ12@150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。(5)架立钢模。模板采用4mm钢板和∠75×