石明生，夏洋洋，李逢源，王超杰，鄭 勇，田 晗

(1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測修復(fù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 鄭州 450001;3.南方工程檢測修復(fù)技術(shù)研究院，廣東 惠州 516029;4.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029）

在荷載和水環(huán)境的耦合作用下,現(xiàn)役水工建筑物的各種病害日益突出[1-2］,其中混凝土裂縫就是最常見的病害之一,若不及時處理將會造成嚴重的后果[3-4］。大量學(xué)者對混凝土裂縫修復(fù)問題進行了研究,譚日升[5］利用化學(xué)灌漿技術(shù)實現(xiàn)了水下混凝土裂縫的修復(fù),且注漿結(jié)石體與混凝土界面的黏結(jié)強度在2 MPa左右；也有學(xué)者引入SRAP工藝[3］、聚氨酯注漿[6］及微生物固化技術(shù)[7-8］,將其應(yīng)用于建筑物表面和局部裂縫的修復(fù)。然而,針對超過50 m深水大壩混凝土裂縫的修復(fù)案例鮮有報道,而在2016年,長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司曾使用化學(xué)灌漿技術(shù),對我國首個水深超100 m的白云水電站進行了裂縫修復(fù),但事先放空了水庫[9］。如今,隨著經(jīng)濟融合發(fā)展,放空水庫對混凝土裂縫進行修復(fù)將會造成一定的經(jīng)濟損失,因此深水大壩混凝土裂縫的水下修復(fù)便成為亟待解決的技術(shù)難題[10］。

隨著相關(guān)學(xué)者對上述問題的深入研究,相應(yīng)的注漿修復(fù)技術(shù)在不斷完善,非水反應(yīng)類高聚物注漿技術(shù)是新近發(fā)展的基礎(chǔ)工程設(shè)施修復(fù)技術(shù)。高聚物注漿材料具有無水反應(yīng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保、強度高、可注性好、膨脹力大等特性[1］,已被廣泛地應(yīng)用于公路路基加固[11］、隧道止水[12］、堤防加固防滲[1,13-14］、高鐵抬升[15］及管道非開挖修復(fù)[16-17］等基礎(chǔ)工程設(shè)施的除險加固,但在水下混凝土裂縫修復(fù)方面的研究依然欠缺。早期研究已證明灌漿是針對混凝土裂縫進行抗?jié)B補強的有效方法,且界面的黏結(jié)性能是影響修復(fù)效果的主要因素[5］,因此研究高聚物與基體界面黏結(jié)性能及漿液在裂縫中的擴散規(guī)律至關(guān)重要。起初,石明生等[18］基于錨桿拉拔試驗研究了高聚物與粉土的黏結(jié)性能,Li等[19］通過大型直剪試驗和DIC圖像識別系統(tǒng)對高聚物與膨脹土界面間的黏結(jié)性能進行了研究,王鈺軻等[20］則利用改進的直剪儀研究了豎向應(yīng)力及剪切速率對高聚物與土工材料界面黏結(jié)強度的影響規(guī)律。以上研究為高聚物注漿技術(shù)的效果評估奠定了基礎(chǔ)。此外,李曉龍等[21］利用有限體積法、Youngs方法及SIMPLE算法對自膨脹高聚物注漿材料在巖體裂隙中的擴散機制進行了研究；Guo等[22］研究了高聚物在土體中的擴散機理,并為堤防高聚物防滲體系的提出奠定了基礎(chǔ)；Liu等[23］基于Bingham模型對高聚物漿液在動水條件下的擴散規(guī)律進行研究,進一步指導(dǎo)工程實踐。

然而,關(guān)于高聚物與混凝土基體界面黏結(jié)性能及漿液在深水裂縫中擴散規(guī)律的研究國內(nèi)外未有報道。因此,本研究通過室內(nèi)中心頂推試驗和模型試驗,對不同界面含水率下的界面黏結(jié)性能,以及不同工況下高聚物漿液在裂縫中的擴散規(guī)律進行研究,以此來進一步指導(dǎo)工程實踐。

1 試驗內(nèi)容

1.1 高聚物與混凝土界面黏結(jié)特性試驗

本文基于中心頂推試驗對高聚物與混凝土界面黏結(jié)特性進行研究,為模擬深水低溫環(huán)境,試樣的制作選取在5℃的恒溫室中進行,且界面分干燥、飽水兩種情況,試驗材料選用C60混凝土和普通發(fā)泡高聚物注漿材料。同時,為便于后期研究高聚物與混凝土界面的抗?jié)B性能,混凝土抗?jié)B試樣尺寸為上底寬185 mm、下底寬175 mm、高度150 mm,且中間預(yù)留直徑90 mm的中空圓筒用于注射高聚物,按照干燥、飽水兩種情況每組分別制作17個不同高聚物密度的試樣。中心頂推試驗在萬能試驗機上進行,其中萬能試驗機的最大荷載為100 kN、加載速度設(shè)置為0.1 kN/s,用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄荷載和位移變化,且正式加載前進行預(yù)加載,預(yù)加載值為1.0 kN。

1.2 混凝土裂縫中的高聚物注漿擴散試驗

為研究高聚物材料在混凝土裂縫中的擴散規(guī)律設(shè)計了模型試驗示意圖見圖1。試驗通過鋼板夾具將兩塊混凝土板固緊,混凝土板之間設(shè)有寬10 mm、厚15 mm的橡膠密封圈,用以模擬混凝土裂縫,并將自制的注漿盒固定在鋼板夾具上進行注漿,沿注漿方向在混凝土上鉆孔安裝壓力傳感器,以此來模擬研究深水大壩混凝土裂縫在注漿修復(fù)過程中漿液的擴散規(guī)律。其中,鋼板夾具尺寸為3300 mm×1500 mm×10 mm,混凝土板采用C60混凝土現(xiàn)澆,且現(xiàn)澆混凝土板尺寸為3000 mm×1000 mm×200 mm,注漿盒尺寸為800 mm×250 mm×10 mm,數(shù)據(jù)采集儀采用記錄間隔為0.1 s的MIKR5000D型高速無紙記錄儀,壓力傳感器采用測量進度為0.5%的MIK-P300型平膜壓力傳感器。此外,為模擬深水低溫,試驗在環(huán)境溫度5℃左右恒溫室中進行,注漿壓力設(shè)為1850 psi,注漿量設(shè)為100槍(每槍125 g)。按照通縫進行設(shè)計,根據(jù)干、濕情況分為3種工況:①無水貫通；②飽水貫通；③濕縫貫通。

圖1 混凝土裂縫高聚物注漿模型試驗示意

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高聚物密度對界面黏結(jié)特性的影響

界面黏結(jié)特性是決定裂縫修復(fù)效果的重要指標,基于中心頂推試驗,圖2給出了界面干燥與飽水狀態(tài)下高聚物密度對界面黏結(jié)力的影響。結(jié)合線性擬合結(jié)果,可以看出,高聚物與混凝土基體界面的黏結(jié)強度隨高聚物密度的增大大致呈線性趨勢增長,且低密度時試驗點據(jù)與擬合直線歸一性較強,高密度時較為分散。但在界面飽水情況下的黏結(jié)強度總體低于干燥界面的,且隨高聚物密度增大這一現(xiàn)象越顯著。例如:高聚物密度分別為0.19、0.30、0.68、1.20 g/cm3時,干燥與飽水情況下對應(yīng)的界面黏結(jié)強度分別為0.41 MPa和0.27 MPa、0.51 MPa和0.35 MPa、1.35 MPa和0.59 MPa、2.21 MPa和1.0 MPa。筆者認為此現(xiàn)象主要原因在于,非水反應(yīng)類發(fā)泡高聚物的膨脹力隨密度的增大而增大,在膨脹力作用及混凝土基體有限約束下,高聚物對界面的擠壓和膠結(jié)作用加強,因此顯示高聚物密度越大界面黏結(jié)力越強(見圖2)。但在界面完全飽水的情況下,水的參與會增大漿液反應(yīng)過程中的產(chǎn)氣量,進而在界面位置形成大量泡孔,大幅削弱了界面黏結(jié)力。因此,如圖3所示,干燥界面低密度與完全飽水界面試樣的破壞形式表現(xiàn)為中心頂出(見破壞后試樣1),而在干燥情況下高聚物密度超過某一值后,試樣破壞形式表現(xiàn)為混凝土的開裂(見破壞后試樣2),當(dāng)然這也在一定程度上取決于混凝土基體的強度。但是實際工程[24］中高聚物的密度為0.2～0.3 g/cm3,在巖石裂隙中最大也不會超過0.6 g/cm3,故在低密度情況下本文試驗結(jié)果對指導(dǎo)工程實踐是有效的。

圖2 高聚物密度對界面黏結(jié)特性的影響

圖3 頂推試驗試樣破壞形式

2.2 模型試驗注漿過程中高聚物漿液擴散規(guī)律

為探討高聚物漿液在混凝土裂縫中的擴散規(guī)律,與Liu等[23］的研究不同,圖4給出了模型試驗各工況下裂縫不同位置處壓力隨時間變化曲線,壓力傳感器的布置見圖1。

圖4 各工況下裂縫不同位置處壓力隨時間變化曲線

圖4(a)為界面干燥情況下裂縫不同位置處壓力隨時間變化曲線,可以看出在注漿階段不同位置處壓力均呈現(xiàn)先增大再緩慢減小然后趨于穩(wěn)定的趨勢,且距離注漿孔越遠起始壓力上升時間越滯后、峰值壓力越小,其中注漿盒中最大壓力為0.45 MPa,進一步表明漿液沿軸向由近及遠擴散。不同位置處的壓力變化規(guī)律與石明生[24］曾研究過的高聚物膨脹力隨時間的變化規(guī)律基本一致,這表明漿液在注漿盒處一經(jīng)混合就迅速開始反應(yīng)膨脹,并且壓力在注漿120 s左右達到峰值,注漿完成后壓力逐漸消散最終趨于穩(wěn)定,此時漿液已經(jīng)固化。然而,在飽水界面,圖4(b)中整個注漿過程可以分為初期水分驅(qū)替和后期漿液填充兩個階段,由于裂縫中水的存在對漿液的擴散產(chǎn)生阻礙,漿液只有將裂縫中的水分驅(qū)替后才能填充,所以注漿階段初期不同位置處壓力傳感器讀數(shù)波蕩起伏,并且水的存在也對高聚物的膨脹固化產(chǎn)生影響,因此注漿階段各處壓力較小,且增長速度較為緩慢,注漿2500 s左右達到峰值,壓力隨時間大致呈先增大再緩慢減小然后趨于穩(wěn)定趨勢。圖4(c)為潮濕情況下裂縫不同位置處壓力隨時間變化曲線,在注漿階段各測點壓力隨時間先增大再減小,且距離注漿口越近壓力越大,在反應(yīng)階段注漿盒內(nèi)壓力迅速下降,且很快低于1號、2號測點。結(jié)合圖4(c)可知潮濕裂縫在一定程度上延遲了壓力達到峰值的時間,同時也延緩了壓力消散速率,例如:圖4(c)所示在反應(yīng)的后期700 s時刻,13號、1號、2號傳感器對應(yīng)的壓力分別是0.34、0.39、0.38 MPa?？傮w而言,裂隙中水的參與將會使?jié){液起始反應(yīng)時間滯后,并延緩壓力消散速率,但在一定程度上會提升峰值應(yīng)力。

2.3 模型試驗注漿后高聚物密度分布規(guī)律

石明生[24］曾通過試驗對多樣本不同密度高聚物固結(jié)體抗壓強度和抗?jié)B性能進行了研究,并建立了高聚物密度與抗壓強度及起滲壓力的關(guān)系。為此,本研究對3種工況下混凝土裂縫中高聚物結(jié)石體的密度進行了取樣測量,圖5給出了沿軸向不同位置處高聚物密度的分布圖及對應(yīng)的高聚物結(jié)石體。從圖5看出:工況2飽水裂縫高聚物成色較為均勻,大致呈乳白色,且結(jié)石體密度波動較小,均值為0.26 g/cm3；工況1在干燥情況下靠近注漿孔一端出現(xiàn)大面積結(jié)晶,漿液在注漿過程中已開始反應(yīng),先擴散到末端的漿液反應(yīng)膨脹固化填充裂縫,而后續(xù)的漿液只能停留在注漿孔附近形成晶塊,故而沿注漿孔軸向位置高聚物密度先增大后呈雙曲遞減；工況3潮濕裂縫的情況下同樣如此,但高聚物密度與干燥裂縫相比略有減小,這也是靠近注漿口處壓力傳感器測得的壓力較大的原因,即干燥情況下高聚物的膨脹特性略強于潮濕情況下。此外,胡鄭壕[25］對不同溫度環(huán)境下高聚物的抗壓強度研究表明,不同密度高聚物材料的抗壓強度與環(huán)境溫度存在一定的關(guān)系,即經(jīng)驗公式(1)。通過式(1)可對各工況下高聚物的抗壓強度進行估算,在裂縫飽水的情況下,環(huán)境溫度為5℃時高聚物的抗壓強度為2.2 MPa；在干燥或潮濕情況下高聚物的平均密度為0.5 g/cm3左右,對應(yīng)的抗壓強度約為14.4 MPa,起滲壓力約為1.0 MPa。因此,針對高庫大壩混凝土裂縫可以使用高聚物注漿技術(shù)對其進行修復(fù),在注漿時設(shè)置注漿孔和出漿孔,首先將裂縫內(nèi)水分通過注漿擠出,待漿液從出漿口處排出后再停止注漿,之后高聚物反應(yīng)完全后抗壓強度均超過1.0 MPa,能承受100 m以上的壓力水頭,即能有效地對混凝土裂縫實施封堵修復(fù)。

圖5 裂縫軸向不同位置處高聚物密度分布

式中:σ0.5為密度等于0.5g/cm3時的抗壓強度,MPa；T為環(huán)境溫度,℃。

3 結(jié)論

本研究基于中心頂推試驗和模型試驗,對高聚物注漿技術(shù)在深水大壩混凝土裂縫修復(fù)中應(yīng)用的可行性進行了論證分析,得到如下結(jié)論:

(1)隨著高聚物密度的增大,其與混凝土界面間的黏結(jié)力增大,且飽水裂縫黏結(jié)力相比干燥界面差值也越來越大。

(2)高聚物漿液在混凝土裂縫中沿軸向由近及遠擴散,各測點壓力隨時間呈先增大再減小并趨于穩(wěn)定的趨勢,同一時刻距離注漿口越遠測點壓力越小,且裂縫中水的參與使?jié){液起始反應(yīng)時間滯后,壓力消散速率變緩。

(3)與潮濕和干燥情況相比,飽水裂縫高聚物密度分布較為均勻,且各工況下高聚物的抗壓強度均超過1.0 MPa,能承受100 m以上的壓力水頭,即利用高聚物注漿技術(shù)能有效地對混凝土裂縫實施封堵修復(fù)。