化學(xué)灌漿技術(shù)處理樊口大閘船閘混凝土裂縫

摘要:環(huán)氧系列的化學(xué)漿液粘度低、親水性好、有足夠高的固結(jié)強度,能夠達到結(jié)構(gòu)加固的目的,并且有好的耐久性。結(jié)合鄂州樊口大閘船閘混凝土裂縫處理工程,闡述化學(xué)灌漿技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用。著重介紹了SK- E 環(huán)氧樹脂灌漿、水溶性聚氨酯灌漿技術(shù)的工作原理、適用范圍、灌漿方案選擇、關(guān)鍵技術(shù)措施和施工方法,有利于設(shè)計人員對該項技術(shù)的選擇和在施工中進行質(zhì)量監(jiān)控。

關(guān)　鍵：詞:裂縫; 化學(xué)灌漿; 混凝土; 樊口大閘

中圖分類號: TV543 + . 2 　　　文獻標識碼: A

1 　概述

　　樊口大閘位于長江中游南岸鄂州市雷山坡下,粑鋪大堤樁號104 + 287. 5～104 + 409. 5 處。由11 孔開敞式排水閘、一座100 t 級船閘和汽- 13 t 級公路橋組成。船閘位于大閘右岸,緊鄰雷山坡,閘室為U 型結(jié)構(gòu),凈寬10 m ,總長80. 10 m。沉降縫將閘室分為3 段:每段各26. 70 m;閘室側(cè)墻為鋼筋混凝土懸臂式結(jié)構(gòu),凈高18. 6 m ,底寬2 m ,頂寬0. 5 m ,混凝土設(shè)計強度為200 號。該閘于1970 年7 月動工興建,1972 年10 月基本建成,1973 年投入運行。

　　1999 年2 月,2001 年4 月,武漢水利電力學(xué)院試驗檢測中心和湖北大禹水利水電有限責(zé)任公司試驗室分別對大閘結(jié)構(gòu)進行了檢測,發(fā)現(xiàn)船閘側(cè)墻均出現(xiàn)與主筋受力方向平行的裂縫(豎向) ,共16 條,其中大于0. 2 mm的裂縫12 條,多數(shù)裂縫已貫穿。

　　裂縫大至可分為兩類:一類從墻頂開裂,向下延伸,跨中裂縫最長;另一類從底板的施工縫處開展向上延伸至12 m高處尖滅。

　　初步分析:第1 類裂縫是運行期出現(xiàn)的,出現(xiàn)的主要因素是因為閘室邊墻分塊過大,運行過程中,墻后水土荷載及基底變形等共同作用造成的;第2 類裂縫是施工期出現(xiàn)的,出現(xiàn)的主要原因是由于底板與墻體施工時間間隔過長,底板的混凝土體積收縮基本停止,約束了墻體混凝土收縮所致。1999 年2 月和2001年4 月的兩份檢測報告表明,裂縫在觀測期間相對穩(wěn)定。

　　由于裂縫平行于側(cè)墻主拉應(yīng)力,并不影響建筑物的功能及運行。但船閘投入運行后,水位升降頻繁,裂縫與側(cè)墻外的土體水位發(fā)生聯(lián)系,引起雙向補水。雙向流的作用將延遲乃至破壞土體在裂縫周圍形成的自然反濾層;當水位下降過快時,還可能在裂縫處產(chǎn)生負壓,導(dǎo)致土體中的細顆粒大量流失,使靠近側(cè)墻的土體出現(xiàn)滲流破壞,引起土體塌陷。因此,必須對貫穿裂縫進行封閉處理。2000 年樊口大閘整險加固時,長江水利委員會將船閘裂縫處理列入了整險加固范疇。

2 　處理方案選擇

　　常見的混凝土縫處理方法有開槽法修補、粘鋼補強、粘纖維補強、水泥灌漿、化學(xué)灌漿、裂縫表面封閉等。鑒于船閘的裂縫已基本穩(wěn)定等實際情況,該裂縫不需要采用開槽法修補、粘鋼補強、粘纖維補強等方法。盡管灌注普通水泥漿或超細水泥漿是一種有效的方法,但加固范圍受到限制,高壓磨細水泥漿雖然可提高可灌性,但畢竟還是粒狀材料,對于細微裂縫很難有效滲入,滲透擴散半徑也是有限的。而環(huán)氧系列和聚胺脂系列的化學(xué)漿液屬于均相液體,粘度只有幾個厘泊,已接近水的粘度,在壓力下滲入細微裂縫是可能的。環(huán)氧系列的化學(xué)漿液粘度低、親水性好,有足夠高的固結(jié)強度,能夠達到結(jié)構(gòu)加固的目的,并具有好的耐久性。因此該裂縫處理應(yīng)以化學(xué)灌漿為最佳方案。既可以封閉裂縫,保護鋼筋免遭水氣的銹蝕,又可以達到混凝土補強的作用,而聚胺脂材料的價格較高,因此樊口大閘船閘裂縫處理選用環(huán)氧樹脂灌漿方案。

　　影響環(huán)氧樹脂灌漿固結(jié)效果的因素主要是漿液粘度和親水性?，F(xiàn)有的環(huán)氧漿液粘度已能達到幾個厘泊,接近水的粘度,可灌性不是問題;關(guān)鍵在于其親水性,SK- E環(huán)氧漿材所采用的固化劑改性聚酰胺,通過化學(xué)反應(yīng),在聚酰胺中加入了親水性好的羥基,具有水下固化的的特點,改善了漿液有水情況的固化性能。為此我們選用SK- E 環(huán)氧樹脂漿液。

3 　漿材性能及灌漿機理

　　SK- E 環(huán)氧樹脂漿材是以環(huán)氧樹脂為主劑,加入糠醛、丙酮稀釋劑,與改性低分子聚酰胺固化劑及助劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后,形成一種固結(jié)強度高、粘度低、滲透性能好,并具有良好的親水性的漿液,對含水裂隙具有很好的粘結(jié)性能,漿材具有低毒和低刺激性,固結(jié)后沒有毒性。其主要性能指標如表1。

　　在壓力作用下,SK- E 環(huán)氧樹脂漿材能滲入裂隙周邊的混凝土中,3～4 h 后開始固化,最終將裂開的混凝土粘合在一起,共同作用,從而達到補強和防滲的目的。

4 　主要施工措施

　　環(huán)氧漿材應(yīng)用于具體工程并非100 %的成功,具體表現(xiàn)在取樣成功率低,固結(jié)強度低等。我們認為影響灌漿成功與否的因素很多,關(guān)鍵問題是要解決地下水對環(huán)氧固結(jié)的影響;采用化學(xué)灌漿進行混凝土裂縫加固,在提高灌漿材料性能的同時,還應(yīng)注重施工工藝的研究。在樊口大閘船閘混凝土裂縫灌漿過程中,我們采取了如下主要措施:

　　(1) 采取水溶性聚胺脂堵漏、高壓風(fēng)驅(qū)水等措施減少縫內(nèi)水份。資料表明環(huán)氧漿液灌有水縫的粘結(jié)強度比灌干縫降低50 %。環(huán)氧漿液遇水時,由于滲透壓力的作用,水在漿液中擴散,對漿液材料進行稀釋,漿液聚合速度減慢,聚合后高聚物強度降低;水過多時,甚至不能形成凝膠。另外,由于環(huán)氧樹脂漿液固化速度慢,漿液易流失。因此在處理貫穿性滲水縫時,采取措施封閉裂縫,防止墻后土體內(nèi)水份滲入縫內(nèi),對環(huán)氧樹脂固化和強度提高是非常必要的。然而,側(cè)墻背面的填土已覆蓋了裂縫,無法進行裂縫表面封閉;但水溶性聚胺脂漿材遇水后立即固化,漿液既不會流失,而且還能堵住滲水減少縫內(nèi)水份。為此,我們在處理貫穿性滲水縫時,先用水溶性聚胺脂灌漿封閉墻背裂縫,截斷滲水,用高壓風(fēng)吹干縫隙內(nèi)水份和雜質(zhì)后,再用SKE環(huán)氧樹脂灌漿(圖1) ;無滲水裂縫,用高壓風(fēng)吹干縫隙內(nèi)水份和雜質(zhì)后,直接用SK- E 環(huán)氧樹脂灌漿。

　　水溶性聚胺脂漿材是聚醚與TDI 的預(yù)聚體,這種材料除具有遇水反應(yīng),固化發(fā)泡、兩次擴散等特點外,還具有可與水以各種比例混合(最高達1∶40) 的優(yōu)越的親水性。水溶性聚胺脂灌漿材料在壓力作用下進入裂縫,即刻與裂縫中存留的水或水汽結(jié)合,產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并膨脹,在很短的時間內(nèi)形成密實的類似止水橡皮的彈性膠凝體,堵塞裂縫,從而阻止墻背土體中的水份進入縫隙,為環(huán)氧灌漿創(chuàng)造無水或少水的工作環(huán)境。

　　(2) 調(diào)整環(huán)氧樹脂漿材配合比,確定合理固化時間。環(huán)氧灌漿屬壓力慢滲灌漿,時間長,以往控制固化時間均采用和灌漿時間相當?shù)臅r間,而我們認為,裂隙的情況和室內(nèi)試驗的固結(jié)情況相差很大,裂隙內(nèi)有水,溫度低,固化劑加量應(yīng)大于室內(nèi)試驗結(jié)果。再者,環(huán)氧凝結(jié)時間雖沒有具體的標準參考,但目前所采用的方法均不是漿液完全固結(jié)所采用的時間,即使灌漿歷時已達到漿液凝膠時間,在壓力下仍能流動。反之,若漿液凝膠時間控制太長,裂隙水會溶蝕漿液組分,影響固結(jié)性能,若凝膠時間過長,將導(dǎo)致固結(jié)物強度低甚至無強度,而最終形成的是類似溶脹的膠體,而不是固結(jié)物。經(jīng)過現(xiàn)場試灌,我們最終確定采用SK- E - Ⅱ型環(huán)氧漿材,并根據(jù)縫隙內(nèi)水份情況,適當加大固化劑的用量。

　　(3) 合理布置灌漿孔?，F(xiàn)場試驗檢測結(jié)果顯示:SK- E環(huán)氧漿液在有水的情況下能夠固結(jié),但水的多少直接影響固結(jié)性能,靠近灌漿孔的部位固結(jié)效果較好,而離灌漿孔遠的地方則是水和很稀的漿液的混合物,固結(jié)效果就很差。而鉆孔太密,又增加工程成本。經(jīng)過對現(xiàn)場試驗結(jié)果對比分析,環(huán)氧灌漿孔采用騎縫孔,孔距取0. 80～1. 20 m效果較好且經(jīng)濟。

　　水溶性聚胺脂灌漿孔采用斜孔,并在墻背與裂縫相交。根據(jù)水溶聚氨酯漿材特性和現(xiàn)場試驗結(jié)果分析,若要達到滿意的灌漿效果:裂縫寬度在0. 5 mm以上,設(shè)置灌漿咀的距離應(yīng)在1. 0m左右;裂縫寬度在0. 3～0. 5 mm ,灌漿孔距0. 8 m左右;裂縫寬度在0. 3 mm以下,灌漿孔距0. 5 m左右。

　　(4) 合理選擇灌漿順序。采用化學(xué)灌漿處理混凝土裂縫時,無論裂縫有多寬、漏水多大,都應(yīng)采用順序灌漿,而不是分序灌漿。裂縫中的水雖然很多,但被漿液順序趕出,留下的只有少數(shù)的水,和室內(nèi)的飽和水樣品試驗很相當了。

　　傳統(tǒng)的水泥灌漿施工均采用分序施工法,但是水泥固結(jié)的機理和化學(xué)漿液固結(jié)的機理存在本質(zhì)的區(qū)別,水泥固結(jié)多數(shù)由于壓力下水泥漿液中水泥顆粒阻塞通道,漿液析水而固結(jié),灌漿后仍存在滲水性,所以,經(jīng)過水泥灌漿一序孔施工后,二、三序孔仍能擠出孔隙內(nèi)水份,從而逐步阻塞滲流通道,達到水泥漿液固結(jié)的目的。有的單位在進行化學(xué)灌漿施工時,也按水泥灌漿方法,采用分序施工法,其結(jié)果是:一序施工完后,二、三序孔勢必遭遇以下情況:一序孔完全固結(jié),則二、三序孔孔中積水和裂隙水無排出通道,漿液無法注入,或是只有少數(shù)通道,漿液順此通道而出,達不到完全加固的效果;或者是一序孔還沒有完全固結(jié),二、三序施工時則有可能擠壓劈裂一序孔尚未完全固結(jié)的漿液,而首先被擠進的則是水和灌漿孔中的積水,結(jié)果勢必導(dǎo)致灌漿效果降低,使夾雜水份的漿液固結(jié),其粘結(jié)強度和抗壓強度將大大降低,甚至成為無強度的膠體。

5 　關(guān)鍵施工工藝

　　灌漿施工操作步驟:裂縫清理→鉆孔→固定灌漿咀→清縫及通氣試驗→水溶性聚胺脂堵漏→封閉裂縫→高壓風(fēng)驅(qū)水→環(huán)氧灌漿→質(zhì)量檢查→現(xiàn)場清理鉆孔、清縫:同一條縫上的全部灌漿孔一次鉆成。為了保證灌漿質(zhì)量,采用高壓水清除縫隙內(nèi)的析出物及其他殘留物,至回水反清后,用高壓風(fēng)吹干縫內(nèi)水份。

　　灌漿:按由下而上的順序進行灌漿。灌漿過程中,鄰孔可作為排水、排氣孔,若鄰孔出漿,排除積水后,開始灌注鄰孔,第1孔仍保持壓力灌漿,當?shù)? 孔出漿時,視進漿情況停止第1 孔灌漿(第1 孔出現(xiàn)不進漿或在最大壓力下,進漿率小于0. 05 LPmin ,延續(xù)灌注時間不少于60 min ,可停止第1 孔灌漿) 。灌漿壓力應(yīng)保持在0. 1～0. 3 MPa ,當灌到最后一個灌漿嘴時,應(yīng)適當加大壓力迸漿。迸漿期間應(yīng)觀察是否還在進漿。灌漿結(jié)束標準以不吸漿為原則,如果吸漿率小于0. 01 LPmin ,應(yīng)維持至少10 min ,可作為結(jié)束標準,停止灌漿。

　　漿材配制:漿材配制時應(yīng)置于容器中,用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)及攪拌器具不得有油污及雜質(zhì)。應(yīng)根據(jù)裂縫寬度、環(huán)境溫度決定漿材的每次拌和量,并嚴格控制漿液不得長時間暴露在空氣中。

　　清縫及通氣試驗:灌漿前進行通氣試驗,一方面了解灌漿孔與裂縫是否通暢,檢查封縫是否有效,確定可否灌漿;另一方面則可吹出孔及裂隙內(nèi)水份,提高灌漿效果。

　　目前,混凝土病害處理行業(yè)很少見到規(guī)范和標準,我們根據(jù)相關(guān)資料和部分專家的意見,擬定了如下質(zhì)量檢查標準僅供大家參考,是否可行有待商榷。

　　(1) 灌漿處理后的裂縫沒有明顯滲水現(xiàn)象,局部出現(xiàn)面濕(不滲水) ,為合格。灌漿處理后的裂縫沒有滲水現(xiàn)象為優(yōu)良。

　　(2) 裂縫表面基本平整、干凈,遺留少量的漿液,水泥防護層硬化后僅出現(xiàn)極少的鼓泡、脫落為合格。裂縫表面平整干凈、美觀,基本沒有殘留漿液,水泥漿硬化后沒有出現(xiàn)鼓泡、脫落,為優(yōu)良。

　　(3) 灌漿資料基本齊全、整潔,記錄基本清晰為合格。灌漿記錄資料齊全、整潔,記錄清晰、詳細為優(yōu)良。

6 　結(jié)語

　　(1) 工程病害產(chǎn)生原因是復(fù)雜多樣的。如地質(zhì)勘探、工程設(shè)計、工程施工、自然與人為的多種因素相關(guān),還有不確定因素的影響。

　　(2) 用化學(xué)灌漿加固時,在提高灌漿材料性能的同時,不可忽視的問題是施工工藝存在缺陷;

　　(3) 要減少地下水對灌漿材料固結(jié)的影響,采用順序灌漿,壓氣驅(qū)水也是一個簡單而有效的方法。