摘要:环氧系列的化学浆液粘度低、亲水性好、有足够高的固结强度,能够达到结构加固的目的,并且有好的耐久性。结合鄂州樊口大闸船闸混凝土裂缝处理工程,阐述化学灌浆技术在水利工程中的应用。着重介绍了SK- E 环氧树脂灌浆、水溶性聚氨酯灌浆技术的工作原理、适用范围、灌浆方案选择、关键技术措施和施工方法,有利于设计人员对该项技术的选择和在施工中进行质量监控。
关 键：词:裂缝; 化学灌浆; 混凝土; 樊口大闸
中图分类号: TV543 + . 2 文献标识码: A
1 概述
樊口大闸位于长江中游南岸鄂州市雷山坡下,粑铺大堤桩号104 + 287. 5～104 + 409. 5 处。由11 孔开敞式排水闸、一座100 t 级船闸和汽- 13 t 级公路桥组成。船闸位于大闸右岸,紧邻雷山坡,闸室为U 型结构,净宽10 m ,总长80. 10 m。沉降缝将闸室分为3 段:每段各26. 70 m;闸室侧墙为钢筋混凝土悬臂式结构,净高18. 6 m ,底宽2 m ,顶宽0. 5 m ,混凝土设计强度为200 号。该闸于1970 年7 月动工兴建,1972 年10 月基本建成,1973 年投入运行。
1999 年2 月,2001 年4 月,武汉水利电力学院试验检测中心和湖北大禹水利水电有限责任公司试验室分别对大闸结构进行了检测,发现船闸侧墙均出现与主筋受力方向平行的裂缝(竖向) ,共16 条,其中大于0. 2 mm的裂缝12 条,多数裂缝已贯穿。
裂缝大至可分为两类:一类从墙顶开裂,向下延伸,跨中裂缝最长;另一类从底板的施工缝处开展向上延伸至12 m高处尖灭。
初步分析:第1 类裂缝是运行期出现的,出现的主要因素是因为闸室边墙分块过大,运行过程中,墙后水土荷载及基底变形等共同作用造成的;第2 类裂缝是施工期出现的,出现的主要原因是由于底板与墙体施工时间间隔过长,底板的混凝土体积收缩基本停止,约束了墙体混凝土收缩所致。1999 年2 月和2001年4 月的两份检测报告表明,裂缝在观测期间相对稳定。
由于裂缝平行于侧墙主拉应力,并不影响建筑物的功能及运行。但船闸投入运行后,水位升降频繁,裂缝与侧墙外的土体水位发生联系,引起双向补水。双向流的作用将延迟乃至破坏土体在裂缝周围形成的自然反滤层;当水位下降过快时,还可能在裂缝处产生负压,导致土体中的细颗粒大量流失,使靠近侧墙的土体出现渗流破坏,引起土体塌陷。因此,必须对贯穿裂缝进行封闭处理。2000 年樊口大闸整险加固时,长江水利委员会将船闸裂缝处理列入了整险加固范畴。
2 处理方案选择
常见的混凝土缝处理方法有开槽法修补、粘钢补强、粘纤维补强、水泥灌浆、化学灌浆、裂缝表面封闭等。鉴于船闸的裂缝已基本稳定等实际情况,该裂缝不需要采用开槽法修补、粘钢补强、粘纤维补强等方法。尽管灌注普通水泥浆或超细水泥浆是一种有效的方法,但加固范围受到限制,高压磨细水泥浆虽然可提高可灌性,但毕竟还是粒状材料,对于细微裂缝很难有效渗入,渗透扩散半径也是有限的。而环氧系列和聚胺脂系列的化学浆液属于均相液体,粘度只有几个厘泊,已接近水的粘度,在压力下渗入细微裂缝是可能的。环氧系列的化学浆液粘度低、亲水性好,有足够高的固结强度,能够达到结构加固的目的,并具有好的耐久性。因此该裂缝处理应以化学灌浆为最佳方案。既可以封闭裂缝,保护钢筋免遭水气的锈蚀,又可以达到混凝土补强的作用,而聚胺脂材料的价格较高,因此樊口大闸船闸裂缝处理选用环氧树脂灌浆方案。
影响环氧树脂灌浆固结效果的因素主要是浆液粘度和亲水性。现有的环氧浆液粘度已能达到几个厘泊,接近水的粘度,可灌性不是问题;关键在于其亲水性,SK- E环氧浆材所采用的固化剂改性聚酰胺,通过化学反应,在聚酰胺中加入了亲水性好的羟基,具有水下固化的的特点,改善了浆液有水情况的固化性能。为此我们选用SK- E 环氧树脂浆液。
3 浆材性能及灌浆机理
SK- E 环氧树脂浆材是以环氧树脂为主剂,加入糠醛、丙酮稀释剂,与改性低分子聚酰胺固化剂及助剂发生化学反应后,形成一种固结强度高、粘度低、渗透性能好,并具有良好的亲水性的浆液,对含水裂隙具有很好的粘结性能,浆材具有低毒和低刺激性,固结后没有毒性。其主要性能指标如表1。
在压力作用下,SK- E 环氧树脂浆材能渗入裂隙周边的混凝土中,3～4 h 后开始固化,最终将裂开的混凝土粘合在一起,共同作用,从而达到补强和防渗的目的。
4 主要施工措施
环氧浆材应用于具体工程并非100 %的成功,具体表现在取样成功率低,固结强度低等。我们认为影响灌浆成功与否的因素很多,关键问题是要解决地下水对环氧固结的影响;采用化学灌浆进行混凝土裂缝加固,在提高灌浆材料性能的同时,还应注重施工工艺的研究。在樊口大闸船闸混凝土裂缝灌浆过程中,我们采取了如下主要措施:
(1) 采取水溶性聚胺脂堵漏、高压风驱水等措施减少缝内水份。资料表明环氧浆液灌有水缝的粘结强度比灌干缝降低50 %。环氧浆液遇水时,由于渗透压力的作用,水在浆液中扩散,对浆液材料进行稀释,浆液聚合速度减慢,聚合后高聚物强度降低;水过多时,甚至不能形成凝胶。另外,由于环氧树脂浆液固化速度慢,浆液易流失。因此在处理贯穿性渗水缝时,采取措施封闭裂缝,防止墙后土体内水份渗入缝内,对环氧树脂固化和强度提高是非常必要的。然而,侧墙背面的填土已覆盖了裂缝,无法进行裂缝表面封闭;但水溶性聚胺脂浆材遇水后立即固化,浆液既不会流失,而且还能堵住渗水减少缝内水份。为此,我们在处理贯穿性渗水缝时,先用水溶性聚胺脂灌浆封闭墙背裂缝,截断渗水,用高压风吹干缝隙内水份和杂质后,再用SKE环氧树脂灌浆(图1) ;无渗水裂缝,用高压风吹干缝隙内水份和杂质后,直接用SK- E 环氧树脂灌浆。
水溶性聚胺脂浆材是聚醚与TDI 的预聚体,这种材料除具有遇水反应,固化发泡、两次扩散等特点外,还具有可与水以各种比例混合(最高达1∶40) 的优越的亲水性。水溶性聚胺脂灌浆材料在压力作用下进入裂缝,即刻与裂缝中存留的水或水汽结合,产生化学反应并膨胀,在很短的时间内形成密实的类似止水橡皮的弹性胶凝体,堵塞裂缝,从而阻止墙背土体中的水份进入缝隙,为环氧灌浆创造无水或少水的工作环境。
(2) 调整环氧树脂浆材配合比,确定合理固化时间。环氧灌浆属压力慢渗灌浆,时间长,以往控制固化时间均采用和灌浆时间相当的时间,而我们认为,裂隙的情况和室内试验的固结情况相差很大,裂隙内有水,温度低,固化剂加量应大于室内试验结果。再者,环氧凝结时间虽没有具体的标准参考,但目前所采用的方法均不是浆液完全固结所采用的时间,即使灌浆历时已达到浆液凝胶时间,在压力下仍能流动。反之,若浆液凝胶时间控制太长,裂隙水会溶蚀浆液组分,影响固结性能,若凝胶时间过长,将导致固结物强度低甚至无强度,而最终形成的是类似溶胀的胶体,而不是固结物。经过现场试灌,我们最终确定采用SK- E - Ⅱ型环氧浆材,并根据缝隙内水份情况,适当加大固化剂的用量。
(3) 合理布置灌浆孔。现场试验检测结果显示:SK- E环氧浆液在有水的情况下能够固结,但水的多少直接影响固结性能,靠近灌浆孔的部位固结效果较好,而离灌浆孔远的地方则是水和很稀的浆液的混合物,固结效果就很差。而钻孔太密,又增加工程成本。经过对现场试验结果对比分析,环氧灌浆孔采用骑缝孔,孔距取0. 80～1. 20 m效果较好且经济。
水溶性聚胺脂灌浆孔采用斜孔,并在墙背与裂缝相交。根据水溶聚氨酯浆材特性和现场试验结果分析,若要达到满意的灌浆效果:裂缝宽度在0. 5 mm以上,设置灌浆咀的距离应在1. 0m左右;裂缝宽度在0. 3～0. 5 mm ,灌浆孔距0. 8 m左右;裂缝宽度在0. 3 mm以下,灌浆孔距0. 5 m左右。
(4) 合理选择灌浆顺序。采用化学灌浆处理混凝土裂缝时,无论裂缝有多宽、漏水多大,都应采用顺序灌浆,而不是分序灌浆。裂缝中的水虽然很多,但被浆液顺序赶出,留下的只有少数的水,和室内的饱和水样品试验很相当了。
传统的水泥灌浆施工均采用分序施工法,但是水泥固结的机理和化学浆液固结的机理存在本质的区别,水泥固结多数由于压力下水泥浆液中水泥颗粒阻塞通道,浆液析水而固结,灌浆后仍存在渗水性,所以,经过水泥灌浆一序孔施工后,二、三序孔仍能挤出孔隙内水份,从而逐步阻塞渗流通道,达到水泥浆液固结的目的。有的单位在进行化学灌浆施工时,也按水泥灌浆方法,采用分序施工法,其结果是:一序施工完后,二、三序孔势必遭遇以下情况:一序孔完全固结,则二、三序孔孔中积水和裂隙水无排出通道,浆液无法注入,或是只有少数通道,浆液顺此通道而出,达不到完全加固的效果;或者是一序孔还没有完全固结,二、三序施工时则有可能挤压劈裂一序孔尚未完全固结的浆液,而首先被挤进的则是水和灌浆孔中的积水,结果势必导致灌浆效果降低,使夹杂水份的浆液固结,其粘结强度和抗压强度将大大降低,甚至成为无强度的胶体。
5 关键施工工艺
灌浆施工操作步骤:裂缝清理→钻孔→固定灌浆咀→清缝及通气试验→水溶性聚胺脂堵漏→封闭裂缝→高压风驱水→环氧灌浆→质量检查→现场清理钻孔、清缝:同一条缝上的全部灌浆孔一次钻成。为了保证灌浆质量,采用高压水清除缝隙内的析出物及其他残留物,至回水反清后,用高压风吹干缝内水份。
灌浆:按由下而上的顺序进行灌浆。灌浆过程中,邻孔可作为排水、排气孔,若邻孔出浆,排除积水后,开始灌注邻孔,第1孔仍保持压力灌浆,当第3 孔出浆时,视进浆情况停止第1 孔灌浆(第1 孔出现不进浆或在最大压力下,进浆率小于0. 05 LPmin ,延续灌注时间不少于60 min ,可停止第1 孔灌浆) 。灌浆压力应保持在0. 1～0. 3 MPa ,当灌到最后一个灌浆嘴时,应适当加大压力迸浆。迸浆期间应观察是否还在进浆。灌浆结束标准以不吸浆为原则,如果吸浆率小于0. 01 LPmin ,应维持至少10 min ,可作为结束标准,停止灌浆。
浆材配制:浆材配制时应置于容器中,用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内及搅拌器具不得有油污及杂质。应根据裂缝宽度、环境温度决定浆材的每次拌和量,并严格控制浆液不得长时间暴露在空气中。
清缝及通气试验:灌浆前进行通气试验,一方面了解灌浆孔与裂缝是否通畅,检查封缝是否有效,确定可否灌浆;另一方面则可吹出孔及裂隙内水份,提高灌浆效果。
目前,混凝土病害处理行业很少见到规范和标准,我们根据相关资料和部分专家的意见,拟定了如下质量检查标准仅供大家参考,是否可行有待商榷。
(1) 灌浆处理后的裂缝没有明显渗水现象,局部出现面湿(不渗水) ,为合格。灌浆处理后的裂缝没有渗水现象为优良。
(2) 裂缝表面基本平整、干净,遗留少量的浆液,水泥防护层硬化后仅出现极少的鼓泡、脱落为合格。裂缝表面平整干净、美观,基本没有残留浆液,水泥浆硬化后没有出现鼓泡、脱落,为优良。
(3) 灌浆资料基本齐全、整洁,记录基本清晰为合格。灌浆记录资料齐全、整洁,记录清晰、详细为优良。
6 结语
(1) 工程病害产生原因是复杂多样的。如地质勘探、工程设计、工程施工、自然与人为的多种因素相关,还有不确定因素的影响。
(2) 用化学灌浆加固时,在提高灌浆材料性能的同时,不可忽视的问题是施工工艺存在缺陷;
(3) 要减少地下水对灌浆材料固结的影响,采用顺序灌浆,压气驱水也是一个简单而有效的方法。
