橋梁水下結(jié)構(gòu)裂縫與空洞修復(fù)技術(shù)

魏洋，張希，邵虎，紀(jì)軍，解光林，孫壁存

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥230088;2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

橋梁水下結(jié)構(gòu)裂縫與空洞修復(fù)技術(shù)

魏洋1,2，張希2，邵虎1，紀(jì)軍2，解光林1，孫壁存1

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥230088;2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

由于上部荷載、水流及腐蝕環(huán)境等作用，橋梁水下混凝土結(jié)構(gòu)的病害往往較為嚴(yán)重且難以發(fā)現(xiàn)。以不排水加固為指導(dǎo)思想，開展了水下混凝土結(jié)構(gòu)病害修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究，通過(guò)在試驗(yàn)室水箱中對(duì)各類水下混凝土結(jié)構(gòu)的病害進(jìn)行模擬修復(fù)施工，提出水下病害修復(fù)技術(shù)工藝，主要包括水下混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)、孔洞缺陷修復(fù)工藝。水下修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)表明，水下裂縫修補(bǔ)試件的破壞位置并不位于原結(jié)構(gòu)裂縫位置，破壞屬于混凝土內(nèi)聚破壞，水下裂縫灌注膠對(duì)水下施工環(huán)境具有很好的適應(yīng)性。經(jīng)過(guò)水下混凝土孔洞修復(fù)工藝修復(fù)的缺陷試件，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到完好對(duì)比試件的強(qiáng)度，并超過(guò)其16.7%，修復(fù)所用的水下環(huán)氧膠強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)高于混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，使得修復(fù)試件的強(qiáng)度有所提高，試件破壞時(shí)孔洞周圍裂縫和破損較少，水下孔洞修復(fù)工藝對(duì)水下受損結(jié)構(gòu)的加固作用較為明顯。

橋梁；水下結(jié)構(gòu)；裂縫；孔洞；修復(fù)

截至2013年底，中國(guó)橋梁總數(shù)達(dá)86萬(wàn)座，居世界第一，預(yù)計(jì)2025年將突破100萬(wàn)座[1]。隨著時(shí)間的推移，這些橋梁難免出現(xiàn)各式各樣的結(jié)構(gòu)病害，從而引發(fā)安全隱患。雖然已有不少學(xué)者對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部墩柱的加固進(jìn)行了研究[2-4]，但這些研究主要集中于水面以上的結(jié)構(gòu)加固。而實(shí)際工程中，相當(dāng)數(shù)量的橋梁基礎(chǔ)、墩柱位于水中，這些水下結(jié)構(gòu)常常受到荷載、環(huán)境等各種因素的共同作用，產(chǎn)生各種損傷與缺陷，例如水下混凝土裂縫、孔洞等[5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水下結(jié)構(gòu)加固的研究主要集中于水下材料本身的開發(fā)。Assaad等[6]和Heniegal等[7]研究了沖刷對(duì)水下混凝土的強(qiáng)度損失及配合比對(duì)水下混凝土強(qiáng)度的影響；Horszczaruk等[8]研究了水下混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度影響規(guī)律；Assaad等[9]研究了沖刷對(duì)環(huán)氧鋼筋與水下混凝土之間黏結(jié)的影響；韓煒等[10]、張小娜等[11]、黃淑貞等[12]研究了大壩水下混凝土結(jié)構(gòu)裂縫與缺陷的修補(bǔ)材料；尚守平等[13]研究了適用于混凝土抗?jié)B的新型復(fù)合砂漿及其抗?jié)B加固效果。對(duì)于橋梁水下結(jié)構(gòu)的加固，目前研究主要集中于采用FRP材料包裹提升結(jié)構(gòu)承載力與耐久性方面[14-16]，未涉及橋梁水下結(jié)構(gòu)的既有病害(如裂縫、孔洞等)的修復(fù)處理。

目前，橋梁水下結(jié)構(gòu)加固技術(shù)以傳統(tǒng)的圍堰排水作為主要措施，將水下結(jié)構(gòu)加固變?yōu)槠胀懮辖Y(jié)構(gòu)加固修復(fù)。然而，圍堰排水等工程間接措施往往耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)代價(jià)[17]。因此，研究開發(fā)不排水條件下的橋梁水下結(jié)構(gòu)病害修復(fù)技術(shù)具有重要意義。筆者針對(duì)橋梁水下結(jié)構(gòu)兩種常見(jiàn)病害(裂縫、孔洞)，以不排水加固為指導(dǎo)思想(即在水下條件下實(shí)施修復(fù)加固)，研究橋梁水下結(jié)構(gòu)病害的水下修復(fù)技術(shù)，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證修復(fù)工藝的可行性。

1 水下混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)

1.1 試驗(yàn)概況

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究混凝土水下裂縫修復(fù)工藝，驗(yàn)證水下裂縫修復(fù)的可行性和有效性，采用試驗(yàn)室水箱模擬橋梁水下環(huán)境，對(duì)混凝土裂縫灌注修復(fù)材料并通過(guò)混凝土試件裂縫修復(fù)前后的力學(xué)性能對(duì)比，驗(yàn)證水下裂縫修復(fù)的技術(shù)效果。

針對(duì)水下裂縫修復(fù)的需要，經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇，采用四川隆昌承華膠業(yè)生產(chǎn)的CH-4D潮濕型微細(xì)裂縫灌縫膠，其力學(xué)性能測(cè)試如表1。

表1 CH-4D潮濕型微細(xì)裂縫灌縫膠材料性能(水中養(yǎng)護(hù))

Table 1 Material properties of the potting adhesive (CH-40D humid type) for underwater micro cracks

試驗(yàn)所用混凝土試件為圓柱體，試件尺寸為φ150 mm×300 mm，混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為46.6 MPa，實(shí)測(cè)圓柱體強(qiáng)度為32.3 MPa。試件共分CZ0和CZ1兩組，CZ0組是完好的對(duì)比試件，CZ1組為預(yù)制裂縫后水下修復(fù)試件，每組3個(gè)試件，如表2所示。在水下裂縫修復(fù)實(shí)施前，對(duì)混凝土試件預(yù)制裂縫模擬水下開裂混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)制裂縫在3 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；同時(shí)，為避免試件在預(yù)制裂縫過(guò)程中混凝土被壓潰，混凝土試件內(nèi)沿四周配置6圈10#鐵絲制成鐵絲籠，預(yù)制裂縫時(shí)對(duì)試件低速加載，當(dāng)裂縫由頂面發(fā)展至側(cè)面，數(shù)量在3～4條時(shí)即停止加載，裂縫位置、長(zhǎng)度標(biāo)示于試件頂面(圖1)，寬度0.15～0.30 mm。

表2 水下混凝土裂縫修復(fù)試驗(yàn)試件參數(shù)Table 2 Specimen parameters of cracks repair tests on underwater concrete structures

1.1.2 水下混凝土裂縫修復(fù)工藝

水下混凝土裂縫修復(fù)工藝流程主要包括：材料準(zhǔn)備→混凝土表面清理→底座粘貼與裂縫封閉→水下裂縫灌注→養(yǎng)護(hù)及表面清理(圖2)。

1)材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備裂縫灌注所需的原材料，包括潮濕型裂縫灌注膠和低壓注射工藝所需的注射器、底座等。

2)混凝土表面清理：用鋼絲刷清理裂縫內(nèi)部殘?jiān)氨砻骐s物并風(fēng)干，同時(shí)標(biāo)出裂縫走向，測(cè)量記錄裂縫長(zhǎng)度和寬度。

3)底座粘貼與裂縫封閉：利用配制好的膠黏劑將底座粘貼在裂縫下端，同時(shí)不應(yīng)堵塞底座灌注孔，并將底座周圍密封，底座粘貼完畢后將裂縫表面用膠黏劑密封，在試件頂端裂縫末端留出出氣孔。實(shí)際施工過(guò)程中，如果出氣孔在水面以下，其也應(yīng)粘貼底座，并連接出氣管，便于觀察灌注膠流出情況，確保裂縫被灌注飽滿。

注：裂縫長(zhǎng)度表示為頂面長(zhǎng)度+側(cè)面長(zhǎng)度，單位：mm。圖1 混凝土試件預(yù)制裂縫分布Fig. 1 Prefabricated crack distributions on concrete specimens

4)水下裂縫灌注：膠黏劑達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度(表1)后，將試件置于水箱中，將CH-4D裂縫灌注膠按規(guī)定比例稱取、混合均勻，用注射器抽取相應(yīng)量的灌注膠，并與底座擰緊，當(dāng)出氣孔均勻地流出裂縫

灌注膠時(shí)即可封閉出口，同時(shí)保持相應(yīng)注射壓力直至灌注膠固化。

5)養(yǎng)護(hù)及表面清理：被修復(fù)試件在水中養(yǎng)護(hù)，隨后清除注射器和底座，將混凝土表面打磨平整。

圖2 水下混凝土裂縫灌注工藝Fig. 2 Crack potting technology for underwater concrete structures

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件加載采用3 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速度按1.6 kN/s，加載控制和數(shù)據(jù)采集均由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成，試驗(yàn)過(guò)程中記錄最大荷載和破壞模式。各試件的極限荷載及極限強(qiáng)度如表3所示，試件典型破壞如圖3所示。

表3 水下混凝土裂縫灌注試件的試件參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Parameters and testing results of crack potting specimens on underwater concrete structures

試驗(yàn)加載過(guò)程中，水下混凝土裂縫修復(fù)試件在達(dá)到荷載峰值后裂縫迅速發(fā)展，試件隨之破壞，破壞模式與對(duì)比試件相似，修復(fù)試件的裂縫開展位置隨機(jī)出現(xiàn)。水下混凝土裂縫修復(fù)試件破壞細(xì)節(jié)如圖4所示。從圖4可以清晰地看出，灌注膠將原結(jié)構(gòu)裂縫充分填充，并將裂縫兩側(cè)混凝土很好地黏結(jié)，破壞后的試件顯示，其破壞位置并不位于原結(jié)構(gòu)裂縫位置，屬于混凝土內(nèi)聚破壞，證明該灌注膠對(duì)水下施工的適應(yīng)性較好，其在水下施工的性能滿足相關(guān)規(guī)定對(duì)陸上結(jié)構(gòu)裂縫灌注膠的要求。

圖3 試件典型破壞圖Fig. 3 Typical failure modes of specimens

圖4 水下裂縫修復(fù)試件破壞細(xì)節(jié)Fig. 4 Failure details of underwater crack rehabilitated specimens

從表3可看出，完好的對(duì)比試件平均極限荷載為570.0 kN、平均極限強(qiáng)度為32.3 MPa，經(jīng)過(guò)水下裂縫灌注修復(fù)的受損試件平均極限荷載為603.0 kN、平均極限強(qiáng)度為34.1 MPa，受損的混凝土圓柱體試件經(jīng)水下裂縫灌注工藝后極限強(qiáng)度提高了5.8%。由此說(shuō)明，所提出的水下混凝土裂縫修復(fù)工藝具有很好的可行性，修復(fù)所用的水下灌縫膠強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)高于混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，使得修復(fù)試件的強(qiáng)度有所提高，CH-4D潮濕型裂縫灌注膠對(duì)于水下混凝土裂縫修復(fù)具有良好的適用性。

2 水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞修復(fù)技術(shù)

2.1 試驗(yàn)概況

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷修復(fù)工藝，驗(yàn)證相關(guān)工藝的可行性和有效性，本次試驗(yàn)在試驗(yàn)室預(yù)制帶有孔洞缺陷的試件，選擇適當(dāng)?shù)募庸滩牧显谒渲袑?duì)其進(jìn)行模擬加固施工。試驗(yàn)所用混凝土試件為圓柱體，試件尺寸為φ150 mm×300 mm，實(shí)測(cè)圓柱體強(qiáng)度為34.0 MPa。試件共分HZ0和HZ1兩組，每組各有3個(gè)試件，HZ0組為完好的對(duì)比試件，HZ1組為預(yù)制帶孔洞缺陷的混凝土圓柱試件。孔洞缺陷由1～2個(gè)預(yù)埋泡沫材料隨機(jī)形成，試件破損孔洞尺寸見(jiàn)表4，其孔洞體積比為3.2%～10.3%。試件孔洞修復(fù)材料采用四川隆昌承華膠業(yè)生產(chǎn)的C-2多功能環(huán)氧膠，其帶水黏結(jié)水中固化，7 d力學(xué)性能指標(biāo)為：鋼-鋼拉伸強(qiáng)度≥30 MPa、鋼-鋼剪切強(qiáng)度≥18 MPa、與混凝土正拉黏結(jié)強(qiáng)度≥4.5 MPa、抗壓強(qiáng)度≥60 MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度≥8.5 MPa(實(shí)測(cè)為14.2 MPa)、抗彎強(qiáng)度≥50 MPa(實(shí)測(cè)為71.3 MPa)，符合GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)A級(jí)結(jié)構(gòu)膠黏劑的要求。各試件參數(shù)如表4所示。

表4 水下混凝土孔洞修復(fù)試件參數(shù)Table 4 Specimen parameters of s holes repair tests on underwater concrete structures

2.1.2 水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷修復(fù)工藝

基于不排水施工前提下的水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷修復(fù)的關(guān)鍵工藝流程包括：材料準(zhǔn)備→缺陷清理→局部模板設(shè)置→修補(bǔ)膠的灌注→養(yǎng)護(hù)及脫模(圖5)。

1)材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備修復(fù)孔洞所需的原材料，如C-2多功能建筑膠、鋁片、玻璃膠等。

2)缺陷清理：清理混凝土表面，除去混凝土殘?jiān)⑶逑锤蓛簟?/p>

3)局部模板設(shè)置：根據(jù)孔洞破損情況，裁剪適當(dāng)尺寸的薄鋁板，彎成倒置漏斗狀，將底部和側(cè)面粘貼在孔洞周圍，用玻璃膠進(jìn)行密封。在實(shí)際應(yīng)用中，可在鋁板上開孔，留設(shè)進(jìn)漿孔、排氣孔，其密封性能可參照注膠修復(fù)裂縫工藝要求。

4)修補(bǔ)膠的灌注：按說(shuō)明要求精確稱取相應(yīng)比例的A組分、B組分C-2多功能環(huán)氧膠，并充分混合均勻，氣溫較低時(shí)可采用適當(dāng)措施進(jìn)行加熱，確保膠黏劑的流動(dòng)性；將配制好的修補(bǔ)膠注入其中，并注意隨時(shí)補(bǔ)充，保證缺陷的孔洞密實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中可用壓縮空氣將修補(bǔ)膠或砂漿壓入孔洞。

5)養(yǎng)護(hù)及脫模：待修補(bǔ)膠固化后，即可除去模板。

圖5 水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷修補(bǔ)流程Fig. 5 Holes repairing process of underwater concrete structures

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件加載采用3 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，其試件典型破壞如圖6所示。從圖6可以看出，在試件達(dá)到峰值荷載后，試件出現(xiàn)裂縫并迅速破壞，同時(shí)可以看出在試件的孔洞缺陷處并未發(fā)生破損，裂縫較少，說(shuō)明該修復(fù)材料對(duì)混凝土界面有較強(qiáng)的黏結(jié)作用，能在水下施工的條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的孔洞進(jìn)行有效的修復(fù)。

圖6 水下混凝土孔洞缺陷修復(fù)試件典型破壞圖Fig. 6 Typical failure modes of holes repaired specimens on underwater concrete structure

水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷試件的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，帶有不同程度破損的混凝土圓柱試件經(jīng)過(guò)灌注水下適用的膠黏劑進(jìn)行修復(fù)，其峰值強(qiáng)度相差不大，說(shuō)明水下混凝土結(jié)構(gòu)缺陷加固技術(shù)較為可靠，相關(guān)試件的力學(xué)性能較為穩(wěn)定。同時(shí)，相較于完好無(wú)損的對(duì)比試件，經(jīng)過(guò)加固修復(fù)的試件平均峰值強(qiáng)度高出5.7 MPa，超出完

表5 水下混凝土孔洞缺陷修復(fù)試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Testing results of hole repaired specimens on underwater concrete structure specimens

好對(duì)比試件強(qiáng)度16.7%。這主要是因?yàn)樾迯?fù)所用的水下環(huán)氧膠強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)高于混凝土，使得修復(fù)試件的強(qiáng)度有所提高，且孔洞體積比越大，修復(fù)后強(qiáng)度一般表現(xiàn)越大。從上述分析可以看出，經(jīng)過(guò)水下混凝土缺陷加固修復(fù)的混凝土圓柱試件力學(xué)性能有一定的提高，該工藝具備一定的實(shí)用性和可靠性。

3 結(jié) 論

以不排水加固為指導(dǎo)思想，開展了水下混凝土結(jié)構(gòu)病害修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究，包括水下混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)和水下混凝土孔洞修復(fù)技術(shù)，通過(guò)模擬水下混凝土缺陷修復(fù)施工工藝及對(duì)比試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)水下混凝土裂縫修復(fù)的主要工藝為材料準(zhǔn)備、混凝土表面清理、底座粘貼與裂縫封閉、水下裂縫灌注和養(yǎng)護(hù)及表面清理；水下混凝土結(jié)構(gòu)孔洞缺陷修復(fù)的關(guān)鍵工藝為材料準(zhǔn)備、缺陷清理、局部模板設(shè)置、修補(bǔ)膠的灌注、養(yǎng)護(hù)及脫模。

2)水下裂縫修補(bǔ)混凝土試件與完好試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，水下裂縫修補(bǔ)試件的破壞位置并不位于原結(jié)構(gòu)裂縫位置，破壞屬于內(nèi)聚破壞，由于水下灌注膠的增強(qiáng)作用，修復(fù)試件的極限荷載超過(guò)對(duì)比試件5.8%，證明CH-4D裂縫灌注膠對(duì)水下施工環(huán)境適應(yīng)性較好，水下混凝土裂縫灌注工藝較為可靠。

3)預(yù)制帶混凝土孔洞缺陷的修復(fù)試件與完好試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，經(jīng)過(guò)水下混凝土孔洞修復(fù)工藝修復(fù)的缺陷試件，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到完好對(duì)比試件的強(qiáng)度，并超過(guò)其16.7%，修復(fù)所用的水下環(huán)氧膠強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)高于混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，使得修復(fù)試件的強(qiáng)度有所提高，試件破壞時(shí)缺陷周圍裂縫和破損較少，說(shuō)明該工藝對(duì)水下受損結(jié)構(gòu)的加固作用較為明顯。

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Rehabilitation technologies for cracks and holeon underwater structures of bridge

WEI Yang1,2*, ZHANG Xi2, SHAO Hu1, JI Jun2, XIE Guanglin1, SUN Bicun1

(1. Anhui Transportaion Holding Group Co., Ltd., Hefei 230088, China;2. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Because of the effects of loads, water and corrosive environments, it is often severe and difficult to find the distresses of underwater concrete structures of bridges. To rehabilitate underwater concrete structures under undrained conditions, studies on rehabilitation technologies were carried out. In this paper, various types of distresses of underwater concrete structures were simulated to repair in laboratory water tank, and the rehabilitation technologies were presented for repairing the cracks and holes on underwater concrete structures. Three or four cracks were produced for each specimen by preloading to simulate cracked concrete structures, and the specimens with cracks were repaired by ejecting adhesive underwater. The axial compression test results of rehabilitated concrete specimens showed that the cracking damage of the underwater repaired specimen was not at the original location of the structural cracks, and the new cracks belonged to concrete cohesive failure. Because of the rehabilitating effect of underwater adhesive, the load-carrying capacity of the repaired specimens enhanced by 5.8% compared with that of the intact ones. Therefore the underwater ejecting adhesive showed a good adaptability for underwater construction environments. In order to study repair technology for holes on underwater concrete structures, six cylinder specimens with size ofφ150 mm×300 mm were prepared. Among them, three specimens had holes with volume ratios from 3.2% to 10.3%, and the other three specimens were in good conditions. The defective specimens were repaired with underwater epoxy resin under undrained conditions. Axial compression tests were conducted on all specimens. The compressive strengths of defective specimens that were rehabilitated underwater were higher than those of the controlling specimens by 16.7%. This is due to the fact that the strength index of the underwater epoxy adhesive used in the rehabilitation process was much higher than that of concrete, improving the strength of repaired specimens. Few cracks and damage occurred around the prefabricated holes on specimens. The reinforcing effects of the underwater rehabilitation technology are significant for concrete holes and cracks on damaged bridge structures.

bridges; underwater structures; cracks; holes; rehabilitation

2016-04-14

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51208262)；安徽省交通控股集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151520)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇省“333”工程(BRA2016421)；江蘇省“青藍(lán)工程”項(xiàng)目。

魏洋，男，教授，主要從事橋梁加固技術(shù)研究。E-mail:wy78@njfu.edu.cn

U443

A

2096-1359(2017)03-0131-06