深水大坝混凝土裂缝高聚物注浆修复试验研究

2022-09-08石明生夏洋洋李逢源王超杰

人民黄河 2022年9期

石明生，夏洋洋，李逢源，王超杰，郑勇，田晗

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001;2.重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室，河南郑州 450001;3.南方工程检测修复技术研究院，广东惠州 516029;4.江西省水利科学院，江西南昌 330029）

在荷载和水环境的耦合作用下,现役水工建筑物的各种病害日益突出[1-2］,其中混凝土裂缝就是最常见的病害之一,若不及时处理将会造成严重的后果[3-4］。大量学者对混凝土裂缝修复问题进行了研究,谭日升[5］利用化学灌浆技术实现了水下混凝土裂缝的修复,且注浆结石体与混凝土界面的黏结强度在2 MPa左右；也有学者引入SRAP工艺[3］、聚氨酯注浆[6］及微生物固化技术[7-8］,将其应用于建筑物表面和局部裂缝的修复。然而,针对超过50 m深水大坝混凝土裂缝的修复案例鲜有报道,而在2016年,长江勘测规划设计研究有限责任公司曾使用化学灌浆技术,对我国首个水深超100 m的白云水电站进行了裂缝修复,但事先放空了水库[9］。如今,随着经济融合发展,放空水库对混凝土裂缝进行修复将会造成一定的经济损失,因此深水大坝混凝土裂缝的水下修复便成为亟待解决的技术难题[10］。

随着相关学者对上述问题的深入研究,相应的注浆修复技术在不断完善,非水反应类高聚物注浆技术是新近发展的基础工程设施修复技术。高聚物注浆材料具有无水反应、反应速度快、环保、强度高、可注性好、膨胀力大等特性[1］,已被广泛地应用于公路路基加固[11］、隧道止水[12］、堤防加固防渗[1,13-14］、高铁抬升[15］及管道非开挖修复[16-17］等基础工程设施的除险加固,但在水下混凝土裂缝修复方面的研究依然欠缺。早期研究已证明灌浆是针对混凝土裂缝进行抗渗补强的有效方法,且界面的黏结性能是影响修复效果的主要因素[5］,因此研究高聚物与基体界面黏结性能及浆液在裂缝中的扩散规律至关重要。起初,石明生等[18］基于锚杆拉拔试验研究了高聚物与粉土的黏结性能,Li等[19］通过大型直剪试验和DIC图像识别系统对高聚物与膨胀土界面间的黏结性能进行了研究,王钰轲等[20］则利用改进的直剪仪研究了竖向应力及剪切速率对高聚物与土工材料界面黏结强度的影响规律。以上研究为高聚物注浆技术的效果评估奠定了基础。此外,李晓龙等[21］利用有限体积法、Youngs方法及SIMPLE算法对自膨胀高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制进行了研究；Guo等[22］研究了高聚物在土体中的扩散机理,并为堤防高聚物防渗体系的提出奠定了基础；Liu等[23］基于Bingham模型对高聚物浆液在动水条件下的扩散规律进行研究,进一步指导工程实践。

然而,关于高聚物与混凝土基体界面黏结性能及浆液在深水裂缝中扩散规律的研究国内外未有报道。因此,本研究通过室内中心顶推试验和模型试验,对不同界面含水率下的界面黏结性能,以及不同工况下高聚物浆液在裂缝中的扩散规律进行研究,以此来进一步指导工程实践。

1 试验内容

1.1 高聚物与混凝土界面黏结特性试验

本文基于中心顶推试验对高聚物与混凝土界面黏结特性进行研究,为模拟深水低温环境,试样的制作选取在5℃的恒温室中进行,且界面分干燥、饱水两种情况,试验材料选用C60混凝土和普通发泡高聚物注浆材料。同时,为便于后期研究高聚物与混凝土界面的抗渗性能,混凝土抗渗试样尺寸为上底宽185 mm、下底宽175 mm、高度150 mm,且中间预留直径90 mm的中空圆筒用于注射高聚物,按照干燥、饱水两种情况每组分别制作17个不同高聚物密度的试样。中心顶推试验在万能试验机上进行,其中万能试验机的最大荷载为100 kN、加载速度设置为0.1 kN/s,用数据采集系统自动记录荷载和位移变化,且正式加载前进行预加载,预加载值为1.0 kN。

1.2 混凝土裂缝中的高聚物注浆扩散试验

为研究高聚物材料在混凝土裂缝中的扩散规律设计了模型试验示意图见图1。试验通过钢板夹具将两块混凝土板固紧,混凝土板之间设有宽10 mm、厚15 mm的橡胶密封圈,用以模拟混凝土裂缝,并将自制的注浆盒固定在钢板夹具上进行注浆,沿注浆方向在混凝土上钻孔安装压力传感器,以此来模拟研究深水大坝混凝土裂缝在注浆修复过程中浆液的扩散规律。其中,钢板夹具尺寸为3300 mm×1500 mm×10 mm,混凝土板采用C60混凝土现浇,且现浇混凝土板尺寸为3000 mm×1000 mm×200 mm,注浆盒尺寸为800 mm×250 mm×10 mm,数据采集仪采用记录间隔为0.1 s的MIKR5000D型高速无纸记录仪,压力传感器采用测量进度为0.5%的MIK-P300型平膜压力传感器。此外,为模拟深水低温,试验在环境温度5℃左右恒温室中进行,注浆压力设为1850 psi,注浆量设为100枪(每枪125 g)。按照通缝进行设计,根据干、湿情况分为3种工况:①无水贯通；②饱水贯通；③湿缝贯通。

图1 混凝土裂缝高聚物注浆模型试验示意

2 试验结果与分析

2.1 高聚物密度对界面黏结特性的影响

界面黏结特性是决定裂缝修复效果的重要指标,基于中心顶推试验,图2给出了界面干燥与饱水状态下高聚物密度对界面黏结力的影响。结合线性拟合结果,可以看出,高聚物与混凝土基体界面的黏结强度随高聚物密度的增大大致呈线性趋势增长,且低密度时试验点据与拟合直线归一性较强,高密度时较为分散。但在界面饱水情况下的黏结强度总体低于干燥界面的,且随高聚物密度增大这一现象越显著。例如:高聚物密度分别为0.19、0.30、0.68、1.20 g/cm3时,干燥与饱水情况下对应的界面黏结强度分别为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。笔者认为此现象主要原因在于,非水反应类发泡高聚物的膨胀力随密度的增大而增大,在膨胀力作用及混凝土基体有限约束下,高聚物对界面的挤压和胶结作用加强,因此显示高聚物密度越大界面黏结力越强(见图2)。但在界面完全饱水的情况下,水的参与会增大浆液反应过程中的产气量,进而在界面位置形成大量泡孔,大幅削弱了界面黏结力。因此,如图3所示,干燥界面低密度与完全饱水界面试样的破坏形式表现为中心顶出(见破坏后试样1),而在干燥情况下高聚物密度超过某一值后,试样破坏形式表现为混凝土的开裂(见破坏后试样2),当然这也在一定程度上取决于混凝土基体的强度。但是实际工程[24］中高聚物的密度为0.2～0.3 g/cm3,在岩石裂隙中最大也不会超过0.6 g/cm3,故在低密度情况下本文试验结果对指导工程实践是有效的。

图2 高聚物密度对界面黏结特性的影响

图3 顶推试验试样破坏形式

2.2 模型试验注浆过程中高聚物浆液扩散规律

为探讨高聚物浆液在混凝土裂缝中的扩散规律,与Liu等[23］的研究不同,图4给出了模型试验各工况下裂缝不同位置处压力随时间变化曲线,压力传感器的布置见图1。

图4 各工况下裂缝不同位置处压力随时间变化曲线

图4(a)为界面干燥情况下裂缝不同位置处压力随时间变化曲线,可以看出在注浆阶段不同位置处压力均呈现先增大再缓慢减小然后趋于稳定的趋势,且距离注浆孔越远起始压力上升时间越滞后、峰值压力越小,其中注浆盒中最大压力为0.45 MPa,进一步表明浆液沿轴向由近及远扩散。不同位置处的压力变化规律与石明生[24］曾研究过的高聚物膨胀力随时间的变化规律基本一致,这表明浆液在注浆盒处一经混合就迅速开始反应膨胀,并且压力在注浆120 s左右达到峰值,注浆完成后压力逐渐消散最终趋于稳定,此时浆液已经固化。然而,在饱水界面,图4(b)中整个注浆过程可以分为初期水分驱替和后期浆液填充两个阶段,由于裂缝中水的存在对浆液的扩散产生阻碍,浆液只有将裂缝中的水分驱替后才能填充,所以注浆阶段初期不同位置处压力传感器读数波荡起伏,并且水的存在也对高聚物的膨胀固化产生影响,因此注浆阶段各处压力较小,且增长速度较为缓慢,注浆2500 s左右达到峰值,压力随时间大致呈先增大再缓慢减小然后趋于稳定趋势。图4(c)为潮湿情况下裂缝不同位置处压力随时间变化曲线,在注浆阶段各测点压力随时间先增大再减小,且距离注浆口越近压力越大,在反应阶段注浆盒内压力迅速下降,且很快低于1号、2号测点。结合图4(c)可知潮湿裂缝在一定程度上延迟了压力达到峰值的时间,同时也延缓了压力消散速率,例如:图4(c)所示在反应的后期700 s时刻,13号、1号、2号传感器对应的压力分别是0.34、0.39、0.38 MPa。总体而言,裂隙中水的参与将会使浆液起始反应时间滞后,并延缓压力消散速率,但在一定程度上会提升峰值应力。

2.3 模型试验注浆后高聚物密度分布规律

石明生[24］曾通过试验对多样本不同密度高聚物固结体抗压强度和抗渗性能进行了研究,并建立了高聚物密度与抗压强度及起渗压力的关系。为此,本研究对3种工况下混凝土裂缝中高聚物结石体的密度进行了取样测量,图5给出了沿轴向不同位置处高聚物密度的分布图及对应的高聚物结石体。从图5看出:工况2饱水裂缝高聚物成色较为均匀,大致呈乳白色,且结石体密度波动较小,均值为0.26 g/cm3；工况1在干燥情况下靠近注浆孔一端出现大面积结晶,浆液在注浆过程中已开始反应,先扩散到末端的浆液反应膨胀固化填充裂缝,而后续的浆液只能停留在注浆孔附近形成晶块,故而沿注浆孔轴向位置高聚物密度先增大后呈双曲递减；工况3潮湿裂缝的情况下同样如此,但高聚物密度与干燥裂缝相比略有减小,这也是靠近注浆口处压力传感器测得的压力较大的原因,即干燥情况下高聚物的膨胀特性略强于潮湿情况下。此外,胡郑壕[25］对不同温度环境下高聚物的抗压强度研究表明,不同密度高聚物材料的抗压强度与环境温度存在一定的关系,即经验公式(1)。通过式(1)可对各工况下高聚物的抗压强度进行估算,在裂缝饱水的情况下,环境温度为5℃时高聚物的抗压强度为2.2 MPa；在干燥或潮湿情况下高聚物的平均密度为0.5 g/cm3左右,对应的抗压强度约为14.4 MPa,起渗压力约为1.0 MPa。因此,针对高库大坝混凝土裂缝可以使用高聚物注浆技术对其进行修复,在注浆时设置注浆孔和出浆孔,首先将裂缝内水分通过注浆挤出,待浆液从出浆口处排出后再停止注浆,之后高聚物反应完全后抗压强度均超过1.0 MPa,能承受100 m以上的压力水头,即能有效地对混凝土裂缝实施封堵修复。