王益國(guó)，李國(guó)豹，吳友仁，范紅枝

（1.招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司，廣東 深圳 518067；2.中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引言

由于地質(zhì)條件復(fù)雜、勘察設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差、施工操作不當(dāng)以及其他不可控因素的影響等，混凝土工程或多或少存在一些缺陷，裂縫是最為常見的一種缺陷。裂縫的存在，勢(shì)必影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，有些甚至?xí)饑?yán)重的滲漏，影響到建筑物的正常和安全使用[1]，因此，必須對(duì)裂縫缺陷進(jìn)行修復(fù)處理。

港口工程混凝土構(gòu)件根據(jù)所處環(huán)境不同，可分為大氣區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)。裂縫所處位置不同，修復(fù)處理難易程度差別很大。當(dāng)混凝土裂縫處于大氣區(qū)，修復(fù)相對(duì)簡(jiǎn)單，即使是在水位變動(dòng)區(qū)，也可等退潮后，采用傳統(tǒng)技術(shù)方法進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)裂縫處于水下，修補(bǔ)粘合材料與混凝土的交界面上會(huì)產(chǎn)生一層水層，相當(dāng)于形成了一個(gè)薄弱夾層，若無特殊措施，粘結(jié)效果會(huì)降低，從而導(dǎo)致修補(bǔ)效果欠佳[2]。而且水下修補(bǔ)工作環(huán)境惡劣，一般由潛水員直接進(jìn)行水下操作施工，如果沒有特殊工藝技術(shù)，修補(bǔ)工作比較困難。

本文從水下修補(bǔ)材料和水下修補(bǔ)工藝兩方面研究分析混凝土裂縫水下封閉修補(bǔ)技術(shù)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證修補(bǔ)效果，為后續(xù)類似工程提供借鑒和參考。

1 裂縫修補(bǔ)技術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)于陸上混凝土裂縫的處理，工民建工程中有相對(duì)較為成熟的技術(shù)方法和相應(yīng)的規(guī)范，但對(duì)于水下混凝土構(gòu)件裂縫的處理幾乎沒有涉及[3]。

我國(guó)在水工方面維修加固起步相對(duì)較晚，交通運(yùn)輸部于2011年才頒布關(guān)于水工結(jié)構(gòu)維修方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 311—2011《港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范》。規(guī)范中規(guī)定處于水下部位且截面不大的構(gòu)件，其裂縫和缺損可采用水下包覆層法或立模澆筑水下不分散混凝土法修補(bǔ)[4]。但從實(shí)施方面考慮，包覆層法技術(shù)含量要求高、施工難度大，而立模澆筑水下不分散混凝土法，以目前制作水下不分散混凝土的水平，一般情況下強(qiáng)度僅能達(dá)到C30左右，不僅工期長(zhǎng)、成本高，混凝土澆筑質(zhì)量還難以保證，因此這兩種方法都存在一定的局限性。

2 水下混凝土裂縫封閉修復(fù)技術(shù)

目前對(duì)于工程缺陷的處理，比較成熟的程序?yàn)椋悍治鋈毕莩梢颉牧霞肮に囘x擇→典型施工（同條件模擬施工）→效果評(píng)估→方案調(diào)整→大面積施工→檢測(cè)及驗(yàn)收。其中關(guān)鍵的步驟是材料及工藝選擇。

筆者在對(duì)工民建工程中混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)和水工結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析研究基礎(chǔ)上，試圖將混凝土裂縫嵌縫封閉修補(bǔ)技術(shù)通過改進(jìn)后運(yùn)用到水下工程，從修補(bǔ)材料和封閉工藝兩方面，探索適合水下混凝土裂縫的耐久性封閉修補(bǔ)技術(shù)。

2.1 修補(bǔ)材料選擇與試驗(yàn)研究

混凝土裂縫的修補(bǔ)加固，修補(bǔ)材料與結(jié)構(gòu)之間的粘接是關(guān)鍵，粘結(jié)質(zhì)量的好壞往往直接決定修補(bǔ)加固成功與否。對(duì)于水下構(gòu)件的裂縫修補(bǔ)，更是要解決好修補(bǔ)材料在水中與混凝土的粘接問題。

混凝土為高表面能的無機(jī)材料，對(duì)水的吸附能力很強(qiáng)，因而在有水情況下，會(huì)存在受表面剩余力場(chǎng)作用被吸附在表面的附著水，采用一般的方法無法將其排走。在這種情況下進(jìn)行粘合，封閉粘結(jié)材料覆蓋到被粘物表面時(shí)，在界面上不可避免地會(huì)留下一層水層，就相當(dāng)于在粘接面上形成了一個(gè)薄弱表面層，因而使得粘接效果大大下降。為了解決這個(gè)問題，必須從分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上入手，在粘合材料分子結(jié)構(gòu)中利用共混作用引入強(qiáng)極性親水基團(tuán)，當(dāng)粘合材料分子與潮濕表面接觸時(shí)，親水性基團(tuán)就可以溶于水膜，從而既大大降低粘合劑與水膜的界面張力，同時(shí)也降低了水膜的表面張力，因此有利于粘合劑在水膜中自發(fā)溶解和擴(kuò)散，這樣就可以減少水的影響，使粘合劑的效果得到充分發(fā)揮[2]。

另外，受水流沖刷、水溫、水中各種腐蝕鹽類等的影響，修補(bǔ)材料還應(yīng)能在水中快速固化，固化后還應(yīng)滿足修補(bǔ)所需的強(qiáng)度、抵抗水流沖刷的抗沖擊性能和抵抗海水腐蝕的耐腐蝕性。

目前，在這方面具備一定功效的材料主要包括合成樹脂類、聚合物膠凝類等，聚合物膠凝類一般需要進(jìn)行壓力灌漿或者立模澆筑，水下施工可操作性相對(duì)較差。

因此，本文研究選用了合成樹脂類嵌縫材料，即環(huán)氧樹脂改性物和改性胺類固化劑按照一定比例配合生成的改性環(huán)氧修補(bǔ)材料。該材料適用的被粘基材廣泛，具備固化收縮低、固化時(shí)放熱緩和、固化后粘結(jié)力強(qiáng)、固化物韌性好、抗沖擊性能好、耐冷熱沖擊、抗開裂性優(yōu)良等特點(diǎn)，同時(shí)由于其合成物中擁有強(qiáng)極性親水基團(tuán)，是水下裂縫的封閉修補(bǔ)的理想材料[5]。為驗(yàn)證改性環(huán)氧材料水下修補(bǔ)的可行性及修補(bǔ)效果，筆者進(jìn)行了兩方面的試驗(yàn)研究，一個(gè)是材料性能指標(biāo)測(cè)試，另一個(gè)是水下修補(bǔ)模擬試驗(yàn)。

2.1.1 材料性能測(cè)試

按照國(guó)標(biāo)GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》對(duì)該種改性環(huán)氧合成物的膠體抗壓強(qiáng)度、膠體抗拉強(qiáng)度、與干表面混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度、與濕表面混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試[6]，驗(yàn)證其是否滿足JTS 311—2011《港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范》第4.2.3條封縫修補(bǔ)材料性能指標(biāo)的規(guī)定。材料性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 改性環(huán)氧封縫材料性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Performance test results of the improving epoxy joint sealing material

根據(jù)材料性能測(cè)試結(jié)果，該種改性環(huán)氧修補(bǔ)材料膠體抗拉、抗壓、與干、濕表面混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度等級(jí)較高，滿足JTS 311—2011《港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范》第4.2.3條封縫修補(bǔ)材料性能指標(biāo)的各項(xiàng)規(guī)定，尤其是與濕表面混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度高于原混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，破壞界面都在混凝土內(nèi)，表明這種改性環(huán)氧修補(bǔ)材料用于濕表面粘結(jié)時(shí)效果良好。

2.1.2 水下修補(bǔ)模擬試驗(yàn)

水下修補(bǔ)模擬試驗(yàn)是在抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C40、尺寸為100mm×100mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊表面，采用切割和鑿除設(shè)備切鑿開一個(gè)寬2 cm、深3 cm的U形凹槽，清除掉槽內(nèi)碎屑，然后將配制好的改性環(huán)氧修補(bǔ)材料在水下嵌縫封閉修補(bǔ)，修補(bǔ)構(gòu)件達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，觀察其修補(bǔ)效果。

試驗(yàn)過程及試驗(yàn)效果記錄如圖1所示。

圖1 混凝土試塊改性環(huán)氧水下嵌縫修補(bǔ)模擬試驗(yàn)Fig.1 Simulation test of the underwater caulking repair with improving epoxy material for concrete block

從水下修補(bǔ)模擬試驗(yàn)結(jié)果來看，該種改性環(huán)氧嵌縫修補(bǔ)材料，施工方便，水下可操作性較強(qiáng)，修補(bǔ)后構(gòu)件修補(bǔ)部位表面外觀良好，通過目測(cè)和敲擊等方法，未發(fā)現(xiàn)有縫隙、夾層和空腔等情況，且修補(bǔ)膠與混凝土結(jié)合緊密，表明改性環(huán)氧修補(bǔ)膠嵌縫封閉修補(bǔ)效果良好，可以進(jìn)行正式施工。

2.2 封閉工藝

對(duì)于水下部位的裂縫，由于受到水的影響，封閉材料與施工工藝、設(shè)備的選擇受到限制，若直接采用常規(guī)的工藝方法來處理，結(jié)果往往不理想。

根據(jù)水下修補(bǔ)模擬試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際工程水下混凝土所處環(huán)境，對(duì)于水下混凝土的裂縫修補(bǔ)，除了要用特殊的水下修補(bǔ)材料外，在采用嵌縫的方法進(jìn)行封閉處理時(shí)，應(yīng)采取以下封閉工藝和措施：

對(duì)混凝土水下開裂情況進(jìn)行探摸→對(duì)裂縫處混凝土表面進(jìn)行清理→采用水下切割設(shè)備沿裂縫走向進(jìn)行切縫處理→采用水下鑿除設(shè)備沿裂縫走向進(jìn)行鑿槽處理→采用鋼刷或高壓水槍等設(shè)備對(duì)凹槽進(jìn)行表面清洗→岸上按比例稱量配制修補(bǔ)膠→潛水員將配制好的修補(bǔ)膠帶至待修補(bǔ)部位→人工把修補(bǔ)膠壓入凹槽進(jìn)行嵌縫修補(bǔ)→采用橡膠墊或擋板等對(duì)裂縫修補(bǔ)部位進(jìn)行防護(hù)→待修補(bǔ)膠固化后拆除防護(hù)擋板對(duì)裂縫修補(bǔ)情況進(jìn)行檢查→存在修補(bǔ)缺陷時(shí)對(duì)修補(bǔ)缺陷進(jìn)行處理。

值得注意的是，切割開鑿形成的凹槽大小影響到嵌縫效果，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)滿足水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范規(guī)定的至少寬2 cm、深3 cm的尺寸要求。另外，根據(jù)改性環(huán)氧修補(bǔ)膠的特性，人工嵌縫時(shí)修補(bǔ)膠應(yīng)略高于凹槽，并適當(dāng)增加修補(bǔ)膠的寬度和長(zhǎng)度；同時(shí)將修補(bǔ)材料充分壓實(shí)，將修補(bǔ)膠與混凝土結(jié)合面的水分盡量擠壓走，并使修補(bǔ)膠保持受壓狀態(tài)一段時(shí)間，待其初步固化后，采用橡膠墊或擋板等對(duì)修補(bǔ)膠進(jìn)行防護(hù)，盡量減少水流沖刷的影響。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某高樁梁板碼頭，基樁為φ1200mm后張法大管樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。部分基樁在沉樁后發(fā)現(xiàn)樁身開裂現(xiàn)象，基本上為豎向裂縫，多數(shù)分布于水面以下泥面以上5m范圍，基樁開裂情況如圖2所示。經(jīng)專家多次研討，認(rèn)為開裂基樁在沉樁后承載力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于出現(xiàn)的開裂缺陷應(yīng)按照J(rèn)TS 311—2011《港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行耐久性修復(fù)。

圖2 混凝土基樁水下典型開裂情況Fig.2 Typical under water cracking conditions of concrete foundation piles

3.2 施工工藝

本工程裂縫采用改性環(huán)氧水下嵌縫封閉修復(fù)技術(shù)，封閉修復(fù)示意如圖3所示，具體工藝流程為：

圖3 基樁裂縫封閉法修補(bǔ)工藝示意圖Fig.3 Sketch of the closing patch technology for foundation pile cracks

1）對(duì)開裂情況進(jìn)行探摸復(fù)核；

2）清理裂縫處基樁表面附著海生物；

3）根據(jù)裂縫走向在裂縫兩側(cè)各1 cm左右位置，采用水下風(fēng)動(dòng)金剛石鋸開兩道切割線；

4）在兩切割線內(nèi)用水下氣鑿鑿開一條寬2 cm、深3 cm的U形凹槽，凹槽在裂縫兩端的長(zhǎng)度應(yīng)比裂縫長(zhǎng)不少于10 cm，如圖4所示；

圖4 水下沖擊鉆鑿縫Fig.4 Bore cracks by underwater impact drill

5）采用鋼刷對(duì)凹槽進(jìn)行表面清洗；

6）岸上按比例稱量配制修補(bǔ)膠，由潛水員將配制好的修補(bǔ)膠帶至待修補(bǔ)部位；

7）人工把修補(bǔ)膠一次或分次壓入凹槽內(nèi)使其略高出槽面，適當(dāng)增加補(bǔ)膠的寬度，并采用灰刀進(jìn)一步壓實(shí)抹平修整，如圖5所示；

圖5 人工嵌縫修補(bǔ)壓實(shí)Fig.5 Caulking patch and compaction by artificial

8）采用橡膠墊對(duì)裂縫修補(bǔ)部位進(jìn)行防護(hù)，減少水流沖刷的影響；

9）待修補(bǔ)膠固化后拆除防護(hù)擋板對(duì)裂縫修補(bǔ)情況進(jìn)行檢查記錄。

3.3 質(zhì)量保證措施

為保證裂縫修補(bǔ)質(zhì)量，項(xiàng)目在施工過程中主要采取了以下質(zhì)量保證措施：

1）嚴(yán)把材料關(guān)，不合格產(chǎn)品不得使用，材料送檢合格方能使用；

2）加強(qiáng)施工過程管理，潛水員使用無線電通訊裝置與岸上人員溝通，確保施工步驟和修補(bǔ)部位的準(zhǔn)確；

3）采用水下攝像的方式對(duì)修補(bǔ)過程進(jìn)行監(jiān)控和檢查，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)整改；

4）采取逐步驗(yàn)收的方法，上一步工作不合格不進(jìn)行下一步施工；

5）修補(bǔ)完成后由潛水員采用目測(cè)、敲擊等方法進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，構(gòu)件修補(bǔ)連接處應(yīng)結(jié)合緊密，發(fā)現(xiàn)有縫隙、夾層和空腔等修補(bǔ)缺陷時(shí)應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

3.4 效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)水下裂縫的修補(bǔ)效果，施工完成后，通過潛水探摸發(fā)現(xiàn)基樁裂縫修補(bǔ)膠已經(jīng)固化、密實(shí)飽滿，修補(bǔ)膠與基樁連接處結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)有縫隙、夾層和空腔等修補(bǔ)缺陷（裂縫修補(bǔ)后典型效果如圖6所示）。

圖6 裂縫修補(bǔ)典型效果Fig.6 Typical effect of crack patch

另外進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)在基樁裂縫修補(bǔ)處樁內(nèi)位置也未發(fā)現(xiàn)漏水、滲水現(xiàn)象（現(xiàn)場(chǎng)抽水檢查如圖7所示）。由此表明，基樁裂縫修補(bǔ)效果良好，改性環(huán)氧修補(bǔ)膠對(duì)混凝土水下裂縫的封閉起到了很好的作用。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)抽水檢查結(jié)果（樁內(nèi)側(cè)）Fig.7 On-site pumping inspection result（inner side of pile）

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土水下裂縫修復(fù)難度大、修復(fù)質(zhì)量容易受施工人員的操作影響出現(xiàn)偏差等問題一直是困擾工程技術(shù)人員的一大難題。本文在分析以往研究成果和水下修補(bǔ)材料與混凝土粘結(jié)機(jī)理的基礎(chǔ)上，從改性環(huán)氧修補(bǔ)材料性能測(cè)試和水下混凝土裂縫封閉修補(bǔ)模擬試驗(yàn)兩方面進(jìn)行研究，成功提出混凝土水下裂縫改性環(huán)氧封閉修補(bǔ)技術(shù)，并結(jié)合工程應(yīng)用情況對(duì)其可行性和修補(bǔ)效果進(jìn)行驗(yàn)證，取得了良好的成效。

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[2] 張捷.大壩混凝土缺陷水下修補(bǔ)技術(shù)[J].大壩與安全，2004（4）：8-13.ZHANG Jie.Underwater patching technology of dam concrete cracks[J].Dam&Safety，2004（4）：8-13.

[3] GB 50367—2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50367—2006，Design code for strengthening concrete structure[S].

[4] JTS311—2011，港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].JTS 311—2011，Technical code for repair and strengthening of harbor and marine structures[S].

[5] 黃強(qiáng)，劉波，王超，等.改性環(huán)氧樹脂膠粘劑耐人工海水的性能研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，12（6）：718-722.HUANG Qiang，LIU Bo，WANG Chao，et al.Study on durability of modification epoxy adhesive in saltwater[J].Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2010，12（6）：718-722.

[6] GB/T 2567—2008，樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法[S].GB/T 2567—2008，Performance test methods of the resin casting[S].