動水環(huán)境中水下不分散修補料的性能研究及示范應用

王冬，陳健，封嘉蕊，石明建

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京 210024；2.南京瑞迪高新技術有限公司，江蘇南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術中心，江蘇南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司，安徽馬鞍山 238281）

0 前 言

水工建筑物水下混凝土結構長期受到侵蝕環(huán)境、水壓、水流、溫度梯度和荷載作用等因素的影響，很容易出現(xiàn)裂縫、滲漏、沖坑等問題[1]。許多水工建筑物不具備將水放空的條件，必須在水介質(zhì)條件下進行混凝土缺陷修補施工，常常需要帶水作業(yè)，甚至深水作業(yè)。

水下環(huán)境復雜，材料、設備使用受限，目前，水下混凝土缺陷修復材料技術存在諸多技術瓶頸[2]。水下混凝土缺陷的存在嚴重降低了結構承載性能，急劇縮短了水工建筑物的使用壽命，直接影響了工程的安全運行。因此急需開展水工建筑物長期安全運行、提質(zhì)增效與應急處置等相關技術研究，切實提升水工建筑物建設與運行安全[3-4]。

水下不分散混凝土以比重大、經(jīng)濟、環(huán)保、耐久性好等特點已被廣泛接受和認可，在水下施工中得到廣泛應用[5-7]。水下快硬不分散劑是在水下不分散劑基礎上研究開發(fā)的，可與水泥、砂、石配制成水下不分散修補料，用于水下混凝土結構非活動裂縫、沖坑、蜂窩、鼓脹等病害的修復。由它配制出的水泥基修補材料具有快硬、高強、水下抗分散性高、粘結力好、超大流動度、體積穩(wěn)定性好、施工方法簡易、無毒等特性。

本文針對實際水下施工面臨的動水環(huán)境，通過自制仿真水環(huán)境模擬裝置研究不同水流速度對已開發(fā)的JK-PR400M水下不分散修補料的性能影響，確定該材料施工水流速度控制范圍；并對實際修復工程中的示范應用效果進行評估。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5 水泥，主要化學成分及物理力學性能分別見表1 和表2；JK-PR400M 水下不分散修補料：是由特種水泥、活性礦物摻合料、細骨料及多種功能型外加劑精確復配的粉體材料，南京瑞迪高新技術有限公司提供[8]，JK-PR400M與水質(zhì)量比為1∶0.12 時，參照GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》和DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》的相關要求，其主要技術性能見表3；石：5~16 mm 碎石。

表1 水泥的主要化學成分%

表2 水泥的物理力學性能

表3 JK-PR400M 的主要技術性能

1.2 設備

環(huán)形水槽：自制，該裝置可模擬環(huán)境溫度4~30 ℃，水深40 m、水流速度2.5 m/s 以內(nèi)的真實水下環(huán)境。該裝置結構示意見圖1。

圖1 環(huán)形水槽裝置結構示意

1.3 診測技術

空海一體智能化診測技術：是由南京水利科學研究院研發(fā)的水下混凝土表面缺陷無損診斷技術，主要由iBoat BS3智能無人測量船+Shark-S900P 側掃聲吶+測深儀組成，再聯(lián)合K-means 聚類分割算法解譯圖像方法及自主研發(fā)建立的水下混凝土缺陷評價標準進行評判。

1.4 試驗方法

水泥砂漿流動度：參照GB/T 50448—2008 中的附錄A.0.2進行測試。

混凝土拌合物坍落度和坍擴度：參照DL/T 5117—2000 進行測試。

混凝土抗壓強度：將尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試模放入環(huán)形水槽中[在標準氣壓下調(diào)整水槽水溫控制在（20±2）℃，水流速度在0~1.0 m/s 之間控制不同流速]，再參照DL/T 5117—2000 中規(guī)程7 的有關規(guī)定澆注水下試件，在不同水流速度下放置試塊，接近初凝時修整試塊表面，待終凝后取出試件，轉標養(yǎng)室水養(yǎng)至測試齡期，進行抗壓強度測試。

粘結強度：參照SL 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測試。試模尺寸為500 mm×100 mm×100 mm，用500 mm×100 mm×2 mm 隔板固定在試模中央，先在陸地上成型500 mm×100 mm×50 mm 的試件，標養(yǎng)14 d 后取出，對一側立面進行表面粗糙度打毛處理，將打毛好的試件垂直放在試模一側，光面緊貼試模內(nèi)壁，打毛面與試模之間形成尺寸約500 mm×100 mm×50 mm 的剩余空間。把裝有一半試件的試模放入環(huán)形水槽中，進行水下剩余空間澆注，成型、養(yǎng)護方法同抗壓強度試件，2 d 后將試件切割成100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊繼續(xù)養(yǎng)護至測試齡期。

2 試驗結果與討論

2.1 水流速度對修補料性能的影響

確定JK-PR400M 可適用的水流速度范圍，控制的關鍵技術指標為動水環(huán)境中修復材料抗分散與界面粘結強度性能的保持能力。本試驗將JK-PR400M 與水按1∶0.12 質(zhì)量比配合，用強制式混凝土攪拌機拌合好后進行動水性能測試：標準氣壓、20 ℃，將環(huán)形水槽通過流速儀調(diào)整控制水流速度分別為0.2、0.5、1.0 m/s 時，進行水下抗壓強度和粘結強度試件成型，到達齡期后與陸地靜水水下成型試件進行性能對比，判斷JKPR400M 可承受的水流速度，以指導實際施工水流速度控制。動水條件下抗壓強度試件成型如圖2 所示，粘結強度試件成型及固化后表面沖刷狀態(tài)如圖3 所示，試驗結果如表4 所示。

圖2 動水條件下抗壓強度試件成型照片

圖3 粘結強度試件成型及固化后表面沖刷狀態(tài)

表4 水流速度對JK-PR400M 抗分散性及水下粘結性能的影響

表4和圖2、圖3 試驗結果表明：JK-PR400M 流動性好，水下澆注入?？伤伦粤髌?、自密實；在0.2、0.5、1.0 m/s 不同水流速度作用下，JK-PR400M 的28 d 水陸強度比分別達到103.0%、99.7%、99.8%和28 d 水陸粘結強度比分別達到93.5%、90.3%、87.1%，可見，在不大于1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 的抗分散性優(yōu)；1.0 m/s 水流速度作用下JKPR400M 水下28 d 抗壓和粘結強度分別達到了64.1、2.7 MPa，具備水下修復材料的高強、高粘的高性能特性。

由圖3 還可以看出，JK-PR400M 凝固前表面受水流沖刷作用會出現(xiàn)漿體流失，0.2 m/s 水流作用漿體基本不流失，0.5 m/s 水流作用表面漿體最深處流失在10 mm 以內(nèi)，而1.0 m/s水流作用表面漿體最深處流失則大于30 mm。

綜上所述，水流速度≤1.0 m/s 對JK-PR400M 水下抗分散性和粘結性影響較小，但1.0 m/s 水流會造成JK-PR400M表面漿體硬化前受水流沖刷造成較大流失，因此，建議施工時盡量選擇水流速度較低或采取圍擋措施控制水流速度≤0.5 m/s 時澆注并控制水流速度在漿體硬化前減少波動。另外，由圖2 可見，水流作用下澆注料會隨水流作用方向發(fā)生偏移，并隨水流速度增加澆注偏移距離增大；試驗可觀察到偏移距離不僅與水流速度有關，還與澆注速度、澆注高度、導管口徑等因素有關，因此，實際施工中要根據(jù)具體情況控制偏移。

2.2 工程示范應用與效果評估

某船閘是連接江蘇南北地區(qū)最主要的水運大動脈，通航任務重。船下部螺旋槳和水流沖刷作用造成船閘下游引航道護岸墻基礎和護底破壞，為確保通航安全、穩(wěn)定河勢邊界條件需對引航道重力式護岸底部及靠船墩墻進行修復加固。

該船閘是名幅其實的“水上高速”，停航修復經(jīng)濟成本巨大，因此，對護底進行加固必須在正常通航狀態(tài)下進行。該船閘水深在6.5 m 左右，土石圍堰危險性較大、沙袋圍堰施工寬幅大，影響航道通航，另外，項目工期緊、經(jīng)費有限。以上工程條件大大限制了施工工藝的選擇，對施工技術提出了很高要求。

針對項目困難，結合試驗科研成果，在該項目上采用了空海一體智能化診測技術，先進行缺陷部位探查定位，然后在水流速度0.5 m/s 左右時使用JK-PR400M 配制的混凝土修補料（配合比及性能見表5）直接對護底進行水下澆注修補，最后再使用上述診測技術進行修復效果評估。對船閘引航道目標區(qū)域樁號K0+277.5~K0+337.5 的60 m 標準段側掃聲吶部分解譯圖見圖4，局部淘刷區(qū)加密至每3 m 提取剖面典型照片見圖5，修復料水下澆注施工現(xiàn)場見圖6，淘刷區(qū)修補前后淘刷深度最大處數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。

圖4 淘刷區(qū)側掃聲吶解譯

圖5 淘刷區(qū)加密剖面

圖6 修復料水下澆注施工現(xiàn)場

表5 工程應用修補料配合比及性能

表6 水下淘刷區(qū)域情況

由表6 可知，淘刷區(qū)①、②局部淘刷深度較大，達20 cm左右，且淘刷區(qū)總面積也大，為修復重點區(qū)；淘刷區(qū)③淘刷深度最淺，淘刷最深處小于10 cm，且總面積最小，為次要修復區(qū)。施工過程在正常通航條件下進行，修復后探查重點修復區(qū)剖面高程與設計高程相差最大處為30 mm，滿足偏差≤30 mm/2 m 的要求，修復效果良好。

該成果應用降低了動水水流沖刷影響、實現(xiàn)通航條件下水下缺陷的快速恢復。新材料的使用為工程節(jié)約經(jīng)費近40%、縮短工期1 個月，最大限度地降低了水下改建維修工程給通航帶來的不便和巨額經(jīng)濟影響。

3 結 論

（1）在不大于1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 的抗分散性優(yōu)；1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 水下28 d 抗壓和粘結強度分別達到了64.1、2.7 MPa，具備水下修復材料的高強、高粘的高性能特性。

（2）JK-PR400M 在自流平狀態(tài)下在水下動水環(huán)境中仍具有良好的抗分散性，1.0 m/s 水流速度作用下，28 d 水陸抗壓強度比和水陸粘結強度比分別為99.8%和87.1%。

（3）水流速度會造成澆注偏移和表面沖刷流失現(xiàn)象，建議施工中宜采取措施控制水流速度在0.5 m/s 以內(nèi)避免水流沖刷造成修復表面流失。

（4）動水條件下，新材料在實際船閘引航道護底修復加固項目中成功示范應用，經(jīng)空海一體智能化診測技術評估修復效果良好，社會、經(jīng)濟效益顯著。