石 湘，楊 彬，展旭和，程 陽

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100;2.海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍是一種新型的修復(fù)加固技術(shù)，主要用于維修海洋工程結(jié)構(gòu)的水下受損桿件，它具有滑動(dòng)承載力高、允許制造公差大、施工時(shí)間短和施工成本低的優(yōu)點(diǎn)［1-2］。國(guó)外Monash大學(xué)的Grundy等對(duì)使用膨脹劑產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的樁/套管灌漿連接進(jìn)行了剪切/粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［3］;趙曉玲等對(duì)這種預(yù)應(yīng)力樁/套管連接在大振幅動(dòng)力荷載作用下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究［4］。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)的金偉良、龔順風(fēng)對(duì)傳統(tǒng)灌漿卡箍技術(shù)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究［5-6］;同濟(jì)大學(xué)的蔣首超對(duì)預(yù)應(yīng)力樁/套管灌漿連接的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，包括影響其性能的參數(shù)、失效模式和物理性能等［7］;中國(guó)海洋大學(xué)的石湘等對(duì)膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍技術(shù)進(jìn)行了大量的物理模型試驗(yàn)研究［1-2］，試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍能在短期內(nèi)迅速獲得膨脹壓力并達(dá)到最大2.5 MPa的滑動(dòng)應(yīng)力，符合大多數(shù)水下結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固要求。但是，由于觀察到膨脹灌漿性能比普通灌漿難于控制，再加上對(duì)這種灌漿材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性的質(zhì)疑，致使這項(xiàng)技術(shù)一直沒有在海洋工程實(shí)踐中得到應(yīng)用［8］。

膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的長(zhǎng)期承載性能主要受到兩個(gè)因素影響:灌漿的收縮徐變和膨脹劑的性能。在膨脹劑的作用下，灌漿環(huán)有體積膨脹趨勢(shì)但受到卡箍鞍板抑制而產(chǎn)生膨脹壓力。在這種預(yù)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，灌漿環(huán)可能會(huì)發(fā)生徐變松弛從而減弱膨脹壓力。在灌漿完畢的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，徐變作用是否會(huì)減弱膨脹卡箍的長(zhǎng)期膨脹壓力，膨脹劑的長(zhǎng)期膨脹補(bǔ)償作用能否消除徐變對(duì)長(zhǎng)期膨脹壓力的不利作用，這些都對(duì)該類型卡箍的長(zhǎng)期承載性能有著至關(guān)重要的影響。對(duì)膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的長(zhǎng)期滑動(dòng)承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 卡箍試件設(shè)計(jì)及測(cè)試方法

1.1 試件結(jié)構(gòu)介紹

試驗(yàn)一共使用9套卡箍試件，并將它們進(jìn)行編號(hào)(如表1所示)?？ü吭嚰Ｐ头譃锳、B兩類結(jié)構(gòu)尺寸，其中A類卡箍共有4套試件，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1、2所示，鞍板總長(zhǎng)度為410 mm，毎側(cè)有6個(gè)雙頭螺栓。B類卡箍共有5套試件，與A類卡箍不同，B類卡箍鞍板總長(zhǎng)度為460 mm，毎側(cè)有5個(gè)雙頭螺栓，其它部分的結(jié)構(gòu)尺寸基本相同。卡箍試件中，模擬損傷構(gòu)件的內(nèi)管從正中間斷為兩段，之間用木塞對(duì)正連接，外端都設(shè)有用于做拉伸試驗(yàn)的拉頭。

圖1 卡箍試件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of clamp model

圖2 卡箍試件結(jié)構(gòu)截面示意Fig.2 Section diagram of clamp structure

1.2 膨脹劑及水泥漿配比

試驗(yàn)中使用的膨脹劑是石家莊市功能建材有限公司FEA100膨脹劑，這是一種低干縮、高補(bǔ)償效率的全補(bǔ)償型混凝土膨脹劑，它的主要原料為高級(jí)硫鋁酸鹽熟料、活性氧化鈣熟料、優(yōu)質(zhì)硬石膏及明礬石［9］。

灌漿的主要成分為水泥、膨脹劑和粉煤灰。水泥采用的是山水牌PO42.5水泥，并在漿體中摻入了3%的二級(jí)粉煤灰以改善灌漿的工作性能。為了比較膨脹劑摻量對(duì)長(zhǎng)期承載性能的影響，試驗(yàn)使用了8%、10%、12%、15%四種膨脹劑摻量(內(nèi)摻)，水灰比為0.45。各個(gè)卡箍試件的詳細(xì)灌漿成分和配合比如表1所示。

表1 灌漿成分表Tab.1 Chemical composition of grout

1.3 試件的制作、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試

將受損內(nèi)管置于卡箍鞍板之間，用雙頭螺栓緊固，先充水檢查試件的水密封性，調(diào)整密封件以防止?jié)B漏?？ü康纳舷聝蓚?cè)各有一個(gè)灌漿口，下為進(jìn)漿口，上為出漿口(如圖2所示)，灌漿前先把試件沒于水中使灌漿空腔充滿水，然后再將水泥漿從進(jìn)漿口灌入，逐步將空腔中的水排出，直到出漿口流出水泥漿并檢查出漿口水泥漿密度與進(jìn)漿口一致為止。灌漿完畢后，封堵進(jìn)出漿口，將卡箍試件放置于水箱中養(yǎng)護(hù)358天，然后置于空氣中7天，使試件干固以便于測(cè)試，總計(jì)養(yǎng)護(hù)期為一年。

在卡箍試件的養(yǎng)護(hù)期間，使用游標(biāo)卡尺(精度為0.01 mm)定期測(cè)量卡箍的螺栓長(zhǎng)度，如圖3所示。為了保證測(cè)量精度，將螺栓兩端打磨成錐形，如圖1所示。具體的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)為:灌漿完畢后的第7天、28天、60天、90天、120天……，一直到一年養(yǎng)護(hù)期完畢為止，每次測(cè)量的同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度。然后將在水中養(yǎng)護(hù)了一年的卡箍試件放置在萬能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以測(cè)試其滑動(dòng)承載力，如圖4所示?？ü吭嚰煸囼?yàn)完畢后，將雙頭螺栓拆卸下來，測(cè)量其自由長(zhǎng)度，以便通過螺栓伸長(zhǎng)量計(jì)算灌漿卡箍的膨脹壓力。

圖3 螺栓長(zhǎng)度的測(cè)量Fig.3 Measurement of bolt length

圖4 卡箍試件滑動(dòng)承載力的測(cè)試Fig.4 Test on slip capacity of clamp model

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膨脹壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

通過定期測(cè)量卡箍試件的螺栓長(zhǎng)度，可以得到卡箍在養(yǎng)護(hù)期間的螺栓長(zhǎng)度變化情況。因?yàn)橹率孤菟ㄩL(zhǎng)度發(fā)生變化的拉伸力是由卡箍?jī)?nèi)灌漿膨脹受限產(chǎn)生的膨脹壓力提供的，所以螺栓長(zhǎng)度的變化情況反映了卡箍?jī)?nèi)部膨脹壓力的變化趨勢(shì)。通過測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)量能夠計(jì)算出卡箍?jī)?nèi)部灌漿對(duì)內(nèi)管外表面的膨脹壓力［2，10］，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 5 所示。

圖5顯示了3種膨脹劑摻量即10%、12%和15%試件的長(zhǎng)期膨脹壓力，從測(cè)試結(jié)果可知，膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍會(huì)在灌漿完畢的前7天內(nèi)迅速獲得大部分的膨脹壓力，并且在隨后的一年時(shí)間內(nèi)膨脹壓力值稍微有所下降但總體來說基本保持穩(wěn)定。這說明摻加了FEA100的灌漿有著良好的長(zhǎng)期膨脹性能，能夠消除灌漿收縮徐變產(chǎn)生的不良影響。需要說明的是在測(cè)量卡箍螺栓長(zhǎng)度的過程中，由于時(shí)間跨度大(一年)，測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度不同存在熱脹冷縮，影響了螺栓長(zhǎng)度的測(cè)量精度，從而影響了膨脹壓力的計(jì)算精度。由于三個(gè)試件的灌制時(shí)間不同，測(cè)量時(shí)各自所處的環(huán)境溫度不同，使得圖5中在相同時(shí)間點(diǎn)上的各個(gè)試件膨脹壓力數(shù)值有所偏差，但對(duì)于同一個(gè)試件，在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)其膨脹壓力的整體變化趨勢(shì)是準(zhǔn)確的。

圖5 內(nèi)管所受膨脹壓力的長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果Fig.5 Long-term test result of expansive pressure on internal tube

2.2 長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力和膨脹壓力的試驗(yàn)測(cè)試

將在水中養(yǎng)護(hù)了一年的卡箍試件放置在萬能試驗(yàn)機(jī)上，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試其滑動(dòng)承載力，通過滑動(dòng)承載力可以計(jì)算出卡箍試件的滑動(dòng)應(yīng)力，通過測(cè)量拉伸前后卡箍試件上雙頭螺栓的長(zhǎng)度變化，可以計(jì)算出膨脹灌漿環(huán)產(chǎn)生的膨脹壓力［2，10］，具體結(jié)果如表2所示。

表2 卡箍試件的長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力和長(zhǎng)期膨脹壓力Tab.2 Long-term slip stress and long-term expansive pressure of clamp specimens

從表中可知，長(zhǎng)期膨脹壓力和長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力隨著膨脹劑摻量的增加而增大?？ü吭谂蛎泟搅繛?5%時(shí)達(dá)到最大為2.62 MPa的長(zhǎng)期膨脹壓力和最大為2.97 MPa的長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力。

2.3 長(zhǎng)期膨脹壓力分析及與短期膨脹壓力對(duì)比

將卡箍試件的長(zhǎng)期膨脹壓力(1年養(yǎng)護(hù))與文獻(xiàn)［2］的短期膨脹壓力(28天養(yǎng)護(hù))進(jìn)行繪制，如圖6所示?？梢钥闯鲈谂蛎泟┎煌瑩搅肯驴ü康拈L(zhǎng)期膨脹壓力都明顯高于短期膨脹壓力。

表3中計(jì)算出膨脹劑四種摻量下長(zhǎng)期和短期膨脹壓力的平均值以及長(zhǎng)期壓力相對(duì)于短期壓力的增長(zhǎng)率，可以看出卡箍長(zhǎng)期試件的膨脹壓力明顯高于短期試件的測(cè)試平均值，平均增長(zhǎng)率為35.8%。膨脹劑四種摻量中，摻量15%的卡箍試件長(zhǎng)期膨脹壓力增長(zhǎng)率最高。

表3 平均長(zhǎng)期膨脹壓力與短期膨脹壓力對(duì)比Tab.3 Comparison of mean expansive pressures between long-term and short-term specimens

2.4 長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力分析及與短期滑動(dòng)應(yīng)力對(duì)比

將卡箍試件的長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力(1年養(yǎng)護(hù))與文獻(xiàn)［2］的短期滑動(dòng)應(yīng)力(28天養(yǎng)護(hù))進(jìn)行繪制，如圖7所示?？梢钥闯雠蛎泟┎煌瑩搅肯驴ü康拈L(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力都明顯高于短期滑動(dòng)應(yīng)力。

圖6 卡箍長(zhǎng)期試件與短期試件的膨脹壓力Fig.6 Expansive pressures of long-term and short-term clamp specimens

圖7 卡箍長(zhǎng)期試件與短期試件的滑動(dòng)應(yīng)力Fig.7 Slip stresses of long-term and short-term clamp specimens

表4中計(jì)算出膨脹劑四種摻量下長(zhǎng)期和短期滑動(dòng)應(yīng)力的平均值以及長(zhǎng)期應(yīng)力相對(duì)于短期應(yīng)力的增長(zhǎng)率?？梢钥闯鲩L(zhǎng)期試件的滑動(dòng)應(yīng)力高于短期試件的測(cè)試平均值約35.9%。膨脹劑四種摻量中，摻量8%的卡箍試件滑動(dòng)應(yīng)力增長(zhǎng)率最高，滑動(dòng)應(yīng)力增長(zhǎng)率隨著膨脹劑摻量的增加呈下降趨勢(shì)。

膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的滑動(dòng)承載力由灌漿環(huán)內(nèi)表面與內(nèi)管外表面這一界面之間的化學(xué)粘結(jié)力和摩擦力兩部分構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力大于短期滑動(dòng)應(yīng)力，經(jīng)分析是由兩方面的原因產(chǎn)生:其一是FEA100膨脹劑中的氧化鈣成分能夠增加灌漿環(huán)的長(zhǎng)期密實(shí)性［9］，從而增加了界面之間的化學(xué)粘結(jié)力。其二是卡箍結(jié)構(gòu)(包括密封結(jié)構(gòu))對(duì)灌漿膨脹的良好限制作用有利于長(zhǎng)期膨脹壓力的形成和積累，并使得灌漿環(huán)處于三向受壓狀態(tài)下，進(jìn)而提高了界面之間的摩擦力，因此使得灌漿卡箍的長(zhǎng)期承載性能優(yōu)于短期承載性能。

表4 平均長(zhǎng)期滑動(dòng)應(yīng)力與短期滑動(dòng)應(yīng)力對(duì)比Tab.4 Comparison of mean slip stresses between long-term and short-term specimens

3 結(jié)語

對(duì)膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的長(zhǎng)期滑動(dòng)承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:與28天養(yǎng)護(hù)期試件相比，一年養(yǎng)護(hù)期試件的膨脹壓力和滑動(dòng)應(yīng)力并沒有下降，反而有所提高，膨脹壓力的平均增長(zhǎng)率為35.8%，滑動(dòng)應(yīng)力的平均增長(zhǎng)率為35.9%。經(jīng)分析，這種提高主要是由于膨脹劑中的氧化鈣成分對(duì)灌漿長(zhǎng)期密實(shí)性的提高以及卡箍結(jié)構(gòu)對(duì)灌漿膨脹的良好限制作用而產(chǎn)生的?？傊?，膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的長(zhǎng)期承載性能并沒有受到純水泥灌漿收縮徐變的不利影響，反而具有很好的長(zhǎng)期承載能力和耐久性，能夠滿足多數(shù)水下構(gòu)件和管線的加固要求，適合在海洋結(jié)構(gòu)物中進(jìn)行工程應(yīng)用。

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