深水大壩混凝土裂縫高聚物注漿修復試驗研究

石明生，夏洋洋，李逢源，王超杰，鄭 勇，田 晗

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001;2.重大基礎設施檢測修復技術國家地方聯合工程實驗室，河南 鄭州 450001;3.南方工程檢測修復技術研究院，廣東 惠州 516029;4.江西省水利科學院，江西 南昌 330029）

在荷載和水環境的耦合作用下,現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］。大量學者對混凝土裂縫修復問題進行了研究,譚日升[5］利用化學灌漿技術實現了水下混凝土裂縫的修復,且注漿結石體與混凝土界面的黏結強度在2 MPa左右；也有學者引入SRAP工藝[3］、聚氨酯注漿[6］及微生物固化技術[7-8］,將其應用于建筑物表面和局部裂縫的修復。然而,針對超過50 m深水大壩混凝土裂縫的修復案例鮮有報道,而在2016年,長江勘測規劃設計研究有限責任公司曾使用化學灌漿技術,對我國首個水深超100 m的白云水電站進行了裂縫修復,但事先放空了水庫[9］。如今,隨著經濟融合發展,放空水庫對混凝土裂縫進行修復將會造成一定的經濟損失,因此深水大壩混凝土裂縫的水下修復便成為亟待解決的技術難題[10］。

隨著相關學者對上述問題的深入研究,相應的注漿修復技術在不斷完善,非水反應類高聚物注漿技術是新近發展的基礎工程設施修復技術。高聚物注漿材料具有無水反應、反應速度快、環保、強度高、可注性好、膨脹力大等特性[1］,已被廣泛地應用于公路路基加固[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[16-17］等基礎工程設施的除險加固,但在水下混凝土裂縫修復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滲補強的有效方法,且界面的黏結性能是影響修復效果的主要因素[5］,因此研究高聚物與基體界面黏結性能及漿液在裂縫中的擴散規律至關重要。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性能,Li等[19］通過大型直剪試驗和DIC圖像識別系統對高聚物與膨脹土界面間的黏結性能進行了研究,王鈺軻等[20］則利用改進的直剪儀研究了豎向應力及剪切速率對高聚物與土工材料界面黏結強度的影響規律。以上研究為高聚物注漿技術的效果評估奠定了基礎。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；Liu等[23］基于Bingham模型對高聚物漿液在動水條件下的擴散規律進行研究,進一步指導工程實踐。

然而,關于高聚物與混凝土基體界面黏結性能及漿液在深水裂縫中擴散規律的研究國內外未有報道。因此,本研究通過室內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性能,以及不同工況下高聚物漿液在裂縫中的擴散規律進行研究,以此來進一步指導工程實踐。

1 試驗內容

1.1 高聚物與混凝土界面黏結特性試驗

本文基于中心頂推試驗對高聚物與混凝土界面黏結特性進行研究,為模擬深水低溫環境,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滲性能,混凝土抗滲試樣尺寸為上底寬185 mm、下底寬175 mm、高度150 mm,且中間預留直徑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、加載速度設置為0.1 kN/s,用數據采集系統自動記錄荷載和位移變化,且正式加載前進行預加載,預加載值為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律設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過程中漿液的擴散規律。其中,鋼板夾具尺寸為3300 mm×1500 mm×10 mm,混凝土板采用C60混凝土現澆,且現澆混凝土板尺寸為3000 mm×1000 mm×200 mm,注漿盒尺寸為800 mm×250 mm×10 mm,數據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,試驗在環境溫度5℃左右恒溫室中進行,注漿壓力設為1850 psi,注漿量設為100槍(每槍125 g)。按照通縫進行設計,根據干、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 試驗結果與分析

2.1 高聚物密度對界面黏結特性的影響

界面黏結特性是決定裂縫修復效果的重要指標,基于中心頂推試驗,圖2給出了界面干燥與飽水狀態下高聚物密度對界面黏結力的影響。結合線性擬合結果,可以看出,高聚物與混凝土基體界面的黏結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強度總體低于干燥界面的,且隨高聚物密度增大這一現象越顯著。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的界面黏結強度分別為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。筆者認為此現象主要原因在于,非水反應類發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作用加強,因此顯示高聚物密度越大界面黏結力越強(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過程中的產氣量,進而在界面位置形成大量泡孔,大幅削弱了界面黏結力。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,試樣破壞形式表現為混凝土的開裂(見破壞后試樣2),當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果對指導工程實踐是有效的。

圖2 高聚物密度對界面黏結特性的影響

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律

為探討高聚物漿液在混凝土裂縫中的擴散規律,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先增大再緩慢減小然后趨于穩定的趨勢,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律與石明生[24］曾研究過的高聚物膨脹力隨時間的變化規律基本一致,這表明漿液在注漿盒處一經混合就迅速開始反應膨脹,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定,此時漿液已經固化。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生阻礙,漿液只有將裂縫中的水分驅替后才能填充,所以注漿階段初期不同位置處壓力傳感器讀數波蕩起伏,并且水的存在也對高聚物的膨脹固化產生影響,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,在反應階段注漿盒內壓力迅速下降,且很快低于1號、2號測點。結合圖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)所示在反應的后期700 s時刻,13號、1號、2號傳感器對應的壓力分別是0.34、0.39、0.38 MPa。總體而言,裂隙中水的參與將會使漿液起始反應時間滯后,并延緩壓力消散速率,但在一定程度上會提升峰值應力。

2.3 模型試驗注漿后高聚物密度分布規律

石明生[24］曾通過試驗對多樣本不同密度高聚物固結體抗壓強度和抗滲性能進行了研究,并建立了高聚物密度與抗壓強度及起滲壓力的關系。為此,本研究對3種工況下混凝土裂縫中高聚物結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的高聚物結石體。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大面積結晶,漿液在注漿過程中已開始反應,先擴散到末端的漿液反應膨脹固化填充裂縫,而后續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境溫度存在一定的關系,即經驗公式(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對其進行修復,在注漿時設置注漿孔和出漿孔,首先將裂縫內水分通過注漿擠出,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。

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為環境溫度,℃。

3 結論

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

(1)隨著高聚物密度的增大,其與混凝土界面間的黏結力增大,且飽水裂縫黏結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漿液起始反應時間滯后,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能有效地對混凝土裂縫實施封堵修復。