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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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)傳送到岸上，監(jiān)理工程師可以根據(jù)錄像隨時(shí)了解和檢查施工情況，隨時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)，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(huì)受諸多因素的影響，且一般情況下都會(huì)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(gè)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(gè)連接一個(gè)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(gè)灌漿單元，布置灌漿孔和出漿孔各2個(gè)，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(shí)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(gè)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(gè)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。