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摘 要 本文針對混凝土水下病害整治中傳統(tǒng)圍堰干法施工的缺陷，結(jié)合工程實(shí)例，提出水下補(bǔ)強(qiáng)加固新技術(shù)。由現(xiàn)場模擬施工試驗(yàn)并經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用表明，這一結(jié)合防滲、整體補(bǔ)強(qiáng)水下施工技術(shù)切實(shí)可行，水下澆筑薄層不分散混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，滿足工程加固設(shè)計(jì)要求，新老混凝土結(jié)合良好。關(guān)鍵詞 混凝土，水下修補(bǔ)，試驗(yàn)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(tǒng)方法為圍堰排水修補(bǔ)，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)大量的時間和費(fèi)用[1]，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，簡化施工工藝，降低工程費(fèi)用，是一個值得研究的課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料的問世[2]，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[3]，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

 
    文獻(xiàn)[4]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，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，及時傳送到岸上，監(jiān)理工程師可以根據(jù)錄像隨時了解和檢查施工情況，隨時發(fā)現(xiàn)和解決存在問題。2 現(xiàn)場試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)概況2.1.1 試驗(yàn)?zāi)�擬條件 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)場模擬施工試驗(yàn)。試驗(yàn)時盡量仿真。若直接在有裂縫的閘孔上進(jìn)行，萬一試驗(yàn)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(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兩假鉸之間的尺寸完全仿真，順?biāo)�流方向的尺寸考慮試塊的重量及施工作業(yè)面，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求20cm厚度澆筑。試驗(yàn)現(xiàn)場置于閘上游側(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)場試驗(yàn)，動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)檢測成果2.2.1 外觀檢查及抗壓強(qiáng)度 模擬試塊與現(xiàn)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(nèi)部密實(shí)，說明水下不分散混凝土有較好的流動性和自密實(shí)性。為了多方位測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)場回彈試驗(yàn)檢測其抗壓強(qiáng)度，測區(qū)10個，抗壓強(qiáng)度平均值25.2MPa(齡期48d)，滿足設(shè)計(jì)要求。表1 水下不分散混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)成果 



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力學(xué)性能 試件尺寸/ 48d強(qiáng)度代表值/ 換算成28d強(qiáng)度值/ 
cm Mpa MPa 

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抗壓強(qiáng)度* 15×15×15 30.0 26.3 
抗壓強(qiáng)度 D=10 25.6 22.0 
劈拉強(qiáng)度 D=9.8，H=10 2.53   
剪切強(qiáng)度 D=10，H=10 3.87   
握裹強(qiáng)度 D=15 3.90   

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注：抗壓強(qiáng)度為機(jī)口成型，自然狀態(tài)養(yǎng)護(hù)。 
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)場鉆孔取芯樣，試件尺寸及其檢測結(jié)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(qiáng)度為25.6MPa，與現(xiàn)場回彈試驗(yàn)檢測的抗壓強(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]。(5)握裹強(qiáng)度(3.90MPa)與文獻(xiàn)[5]現(xiàn)場取樣結(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，通過澆筑新混凝土來加固結(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(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)成果見表2.由表2可見，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，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[5]，錨筋能提高劈拉強(qiáng)度70%左右，提高剪切強(qiáng)度50%左右。表2 新老混凝土結(jié)合性能試驗(yàn)成果 



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力學(xué)性能 試件尺寸/ 齡期/ 破壞荷載/ 強(qiáng)度值/ 結(jié)合強(qiáng)度系數(shù) 破壞位置 
cm d kN MPa K 

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軸拉強(qiáng)度 D=10 48 8800 1.12   新老混凝 
劈拉強(qiáng)度 D=10,H=10 48 17900 1.14 0.45 土結(jié)合面 
剪切強(qiáng)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(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，可見其總體粘結(jié)性能約為老混凝土的50%，對于裂縫修補(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。表3 PBM混凝土嵌槽與老混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)成果 

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力學(xué)性能 試件尺寸/cm 破壞荷載/kN 強(qiáng)度值/MPa 結(jié)合強(qiáng)度系數(shù)K PBM破壞位置 

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D H L PBM OC PBM OC 

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軸拉強(qiáng)度 4.5 8.0 12.0 2810   0.78     PBM與老混凝土結(jié)合面 
剪切強(qiáng)度 4.5 4.5 12.0 6680 12050 3.30 5.95 0.55 
抗彎強(qiáng)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(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)�流方向，縫寬1～2mm，嚴(yán)重的7號孔反拱底板兩處向上冒水。經(jīng)過沉陷觀測資料的分析計(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(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(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(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)活頁蓋板，并可封牢。(6)澆筑混凝土。在岸上按事先通過試驗(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，提高一個等級配置)，用混凝土泵直接送到澆筑倉內(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，拆膜后對混凝土進(jìn)行檢查，將露出混凝土表面的螺栓進(jìn)行割除。    黃沙港閘7號、8號兩孔反拱底板修補(bǔ)加固完工后，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。4 結(jié) 論    本文研究提出的混凝土建筑物水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)，通過現(xiàn)場模擬施工試驗(yàn)和工程的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了這一新技術(shù)是可行、實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)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(bǔ)的原材料是有效的，與之相應(yīng)的施工方案和施工工藝是科學(xué)的，水下修補(bǔ)加固技術(shù)施工質(zhì)量是可以控制的。檢測得到的成果足以表明經(jīng)加固修補(bǔ)后的混凝土結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)皆滿足預(yù)期的工程要求。水下修補(bǔ)加固技術(shù)已成功地應(yīng)用于黃沙港閘反拱底板的裂縫修補(bǔ)，該項(xiàng)技術(shù)適用于所有水工、海岸工程等結(jié)構(gòu)的混凝土水下補(bǔ)強(qiáng)加固或興建，尤其在無法或難于修筑圍堰的情況下，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)更是切實(shí)可行。由于不須棄水施工，大大節(jié)約工期，減少投資。混凝土水下補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)，是混凝土水下病害整治的一條新途徑，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。