水下玻纤套筒加固技术研究

肖勇辉

（上海兰德公路工程咨询设计有限公司,上海市 200065）

水下玻纤套筒加固技术研究

肖勇辉

（上海兰德公路工程咨询设计有限公司,上海市 200065）

简述水下玻纤套筒加固系统的国外应用历史及国内今年发展状况,水下玻纤套筒加固系统与传统桥墩加固方法的性能对比。通过独立研发数据展示水下环氧灌浆料研发过程,核心性能指标的检测方法和水下灌注模拟试验的测试结果。最后结合国内水下玻纤套筒加固系统实际应用工程,探讨水下玻纤套筒加固系统的应用前景和技术改进方向。

玻璃纤维复合材料；玻纤套筒；水下环氧灌浆料；水下加固；墩柱加固

0 引言

建筑根据有关部门的统计,截止到2007年,我国各类桥梁约有52万座,每年开工建筑的桥梁约为10 000余座。这其中相当数量的桥梁基础、墩柱位于水中,桥梁水下结构的使用条件和使用环境较之水上结构更为恶劣。例如:水下较高的静态应力和疲劳应力、河水冲刷、淘刷、磨损、气蚀、严寒地区的冻融和侵蚀（化学腐蚀和电化学腐蚀）、船舶碰撞、浮冰及地震袭击、环境荷载（如生物附着）和桥梁上部结构传递的工作荷载等,均易导致桥梁水下结构形成各类损伤缺陷,且不易被发现,这些损伤、缺陷导致桥梁承载能力和耐久性降低,严重危及行车安全和桥梁的寿命。因此,研究可行的快速、便捷、低成本的桥梁水下结构加固技术具有重要的意义[1]。

水下玻纤套筒加固系统（又称“夹克法”）是国外上世纪70年代以来的一个成熟的加固技术,在美国最早的应用案例为1971年在马里兰州BEAR CREEK BRIDGE大桥的桥墩加固,至今已有40多年的历史。其在国外,尤其是美国,得到了广泛的应用,主要应用于对各种腐蚀、混凝土脱落等病害的结构基础、码头桩基和（包括桥墩柱混凝土桩、钢桩和木桩）等修复和加固防护,以及对新建结构的预先防护。

该项技术自2012年引入国内市场以来,得到了国内客户的广泛认可。目前在国内已有20多项的工程案例,其案例主要分布于桥梁、码头中涉水的墩柱和桩基的病害加固。其解决的病害主要有:海水环境中的钢筋露筋、混凝土剥落等病害,淡水环境中由于河流冲刷造成的桩基露筋、墩柱缩径等病害,码头中由于船只撞击造成的病害等。其在国内的代表性项目有:温州洞头浅门、窄门大桥加固维修工程,宁波北仑港集装箱码头一期加固工程,上海临港公共区码头加固工程,江西省丰城电厂赣江大桥桩基维修加固工程,宁波姚江大桥桩基维修加固工程等。在以上工程中,水下玻纤套筒加固系统都表现出了良好的适用性,施工简便,同时加固完之后,整体的耐久性和美观程度较好。

1 水下玻纤套筒加固系统介绍及与传统工艺对比

水下玻纤套筒加固系统（又称“夹克法”）是根据病害的墩柱和桩基的尺寸,在工厂加工一个防腐蚀的玻璃纤维套筒,并保证玻璃纤维套筒与原病害结构之间有一定间隙。进行加固施工时,需要潜水员在水中把高防腐蚀玻纤套筒像穿衣服一样套在破损的桩基或者桩基外,再灌注高强度的水下环氧灌浆料,即可完成主要的修复工序。施工快捷方便,无需搭设围堰及排水作业。

水下玻纤套筒加固系统“夹克法”主要有以下三大特性:

（1）防腐性——环氧灌浆料采用高分子聚合物,有高强度的防腐蚀作用,可应对海水腐蚀。由于玻纤套筒对化学反应的惰性,可抗各种化学制剂,耐酸、耐碱性。

（2）水下施工——环氧灌浆料为独特配方设计,在水下施工仍有超强,紧密的粘结力；水中施工时可自流平,不离析。特别是,可在“水下施工”,而不需要搭建围堰及排水。是一套省时、省工、省钱的防护系统。

（3）耐久性——可抵抗因气候循环所引起的干湿、冷热、冻融等交互作用,及水流、海洋潮汐、废水、电解等持续性或间歇性的腐蚀作用,耐久性特佳。

传统的加固维修工艺是增大截面法:在桩基或墩柱周边构筑围堰；用潜水泵排干围堰内的积水；清除墩柱病害部分及其周围表面松散层,对外露钢筋进行除锈；植钢筋入桩基,挂钢筋网；架立钢模板后,混凝土泵送混凝土入模内,捣震夯实；混凝土强度达到设计强度70%时拆除钢模板；拆除围堰及便桥,并把材料、设备移至下一个墩柱工作面继续施工。

以上的传统加固工艺施工工期长,措施费成本高,同时,可能在未来需要对墩柱进行重复的维修。

水下玻纤套筒加固系统配套的材料有:玻璃纤维套筒、玻璃纤维套筒、环氧灌浆料、水下环氧封口胶、水下环氧封顶胶、不锈钢钉、紧固带、可压缩密封条等。其特点主要有:强度高、耐UV、免维护；环氧灌浆料与套筒粘结强度高；适用性强,对木、混凝土和钢墩柱都有效；防腐性能好,耐海水腐蚀和各种化学制剂；耐干湿、冷热、冻融的交互作用；耐海水潮汐、废水、电解等侵蚀；可水下施工,无需构筑围堰及排水；施工快捷方便,无需封桥或断路施工；可人工灌注或泵送环氧灌浆料；符合海洋生物环境安全标准,在咸水、淡水和半咸水内都有效。

其加固截面示意见图1。

图1 加固截面示意图

2 水下玻纤套筒加固系统研发和测试

2.1 能够完全在水下固化的环氧固化体系

国内已有的环氧固化体系往往只适用于干燥的操作环境,在潮湿甚至是完全水环境下环氧固化体系就无法正常固化使用,归纳下来有以下几点:

（1）环氧胶粘剂无法在水下正常固化,或者固化后胶粘剂表面产生白化现象,强度严重下降；

（2）胶粘剂不能很好浸润结构层,或者与结构层粘结不牢固,不密实。

因此,开发能够在水下完全固化的环氧固化体系是水下环氧灌浆料研发的重中之重。

通过选定的多种固化剂的的水下固化实验,最终确立了完全水下环氧固化体系,该体系具有极强的憎水性,能够在水下完全固化,对有水界面具有极强的粘附能力且韧性极好,该环氧固化体系树脂浇注体样条的样品尺寸示意见图2,相关性能测试见表1。

图1 树脂浇注体样条制作示意图（单位:mm）

表1 树脂浇注体性能检测表

2.2 三组分特定比例灌浆料体系

在已经确定能够完全水下固化的环氧固化A, B组分后,配合A,B,C三组分的研发理念,继续对C组分填料进行研发,为满足水下环氧灌浆料抗压等方面的性能要求,选择了以石英砂为支撑粗骨料,配合特殊的粉末填充细骨料,构建灌浆料的抗压骨架,通过固体颗粒度分析,最终确立了密度合适,颗粒分布均匀的C填料配方。在灌浆料的施工中,要求灌浆料有极好的流动性,且流动度满足自流平砂浆的特性,为此需要灌浆料A,B,C三组分要有合适的质量配比。为此,我们进行了多组实施例计划实验,测试灌浆料的流动度,见图3,最终确定了满足特殊要求的灌浆料三组分比例为2.5∶1∶9,表2为该配比下对应灌浆料的性能测试数据:

图3 水下环氧灌浆料流动性测试图片

A,B,C三组分质量比2.5∶1∶9,取适量A组分,依次加入对应比例的C组分,B组分,然后高速搅拌混合均匀,测试灌浆料的相关性能,见表2。

表2 A∶B∶C=2.5∶1∶9水下环氧灌浆料性能测试数据

2.3 环氧灌浆料经过特殊助剂处理

初步确定水下灌浆料三组分配方后,对灌浆料进行水下灌浆模拟操作,在水下灌浆模拟操作中,灌浆料与结构层之间由于诸多因素,易产生界面不相容问题,影响粘接力,为此,加入特定的界面张力消除剂,能够很好地解决界面问题,实现灌浆料对结构层界面的良好浸润；另一方面,灌浆操作在水下进行,由于水阻力的存在,影响了灌浆料的流动性,因此,一些改善流动性助剂的加入,可以很好地解决灌浆料的流动性,实现灌浆料的自流平。特殊助剂的加入,能够很好的解决灌浆料在施工中遇到的难题。

2.4 灌浆料现场模拟施工

灌浆料配置完成后,将灌浆料送国家建材院检测,检测数据见表3；并对灌浆料进行现场模拟施工,待灌浆料养护到期后,对加固结构作横截面切割处理,得到了玻纤套筒—水下环氧灌浆料—混凝土结构层切面样品,见图4。

表3 灌浆料性能检测表

图4 加固后的灌浆料横截面示意图

从图4加固后的灌浆料横截面示意,可以清晰地看到,灌浆料在灌浆固化后形成了致密均一的固化体,而且灌浆料与玻纤套筒以及混凝土粘结紧密。

对照表3灌浆料性能检测表,可以看出灌浆料固化后,与混凝土层有很好的粘接力,正拉粘结强度高达3.10 MPa,而且灌浆料固化物具有极高的抗压强度以及优异的弹性模量。

因此,研发的灌浆料能够很好地对水下受损结构进行维修加固。

3 水下玻纤套筒加固系统实际应用工程案例分析

本文以浙江省宁波市姚江大桥水下桩基维修加固工程项目为例,进行了水下玻纤套筒加固系统与传统工艺的对比,并对其优点进行了分析。

3.1 传统加固方案的实施较为困难

浙江姚江大桥建于1990年12月,由于河水冲刷等环境因素导致桩基出现混凝土剥落、露筋等缺陷。根据检测报告反映该桥部分墩柱锈胀露环向钢筋,墩柱与桩基结合部位外包混凝土存在露骨、剥落、露筋现象,需对病害墩柱、桩基进行补强加固[2]。

姚江大桥位于宁波市环城北路上,横跨姚江,为东西走向,是中心城区主要的排洪河流。当地水务主管部门强烈要求施工单位对桩基加固期间及竣工后均不能影响姚江防汛排洪功能,同时要求在施工前须对桩基加固方案进行防洪评价和水上施工许可。因此项目所处特殊环境,不利于传统加固维修桩基工艺的实施。

如果在本项目中采用传统加固方案将存在以下问题:由于施工期间在墩柱周围用砂包围堰后大大减少姚江排洪能力,而施工后每根桩基外包15 cm厚的钢筋混凝土将进一步降低泄洪标准,对周边密集的居民区产生较大影响,尤其是增加上游居民区水浸的危险。这样的方案很难通过当地水务主管部门的防洪评价审批,也拿不到水中施工的许可。

3.2 水下玻纤套筒加固桩基的施工方案的优点

施工单位通过调查,认为水下墩柱玻纤套筒加固技术在本项目中具有以下优点:

（1）施工时潜水员在水中把高防腐蚀玻纤套筒像穿衣服一样套在破损的桩基外,再灌注高强度的环氧浆料,即可完成主要的修复工序。施工快捷方便,无需搭便桥。

（2）现场不需要围堰,不影响姚江的原排洪能力。由于维修后桩径仅增加3.0 cm,不会降低姚江泄洪标准,不会增加上游居民区水浸的危险。桩基维修工程不改变现状防洪标准,不占用防汛抢险通道和设施,对水利规划实施无明显不利影响。

（3）所有的材料均符合海洋生物环境安全标准,而且灌浆料不会在河水中扩散。施工过程无噪音,不会扰民。实际施工过程没有接到一宗市民的投诉。

（4）经测算,实际工期是90d,比传统施工计划工期180 d,减少工期90 d,工期压缩50%,形成较好的社会效益和经济效益。

最终,方案设计为采用水下玻纤套加固系统进行桩基加固工作。该系统的环氧灌浆料采用了对水不敏感的配方,可在潮湿或水下环境使用,能牢固粘结到结构表面。最终采用水下墩柱玻纤套加固工艺的桩基维修工程防洪评价报告方案顺利通过当地水务主管部门的防洪评价审批,同时也获得在姚江中施工的许可。

4 结语

随着国民经济的快速增长,我国的交通运输事业,特别是公路桥梁、码头等的建设正处在空前的高速增长时期。同时,也意味着桥梁的加固、维修、养护的需求会越来越大；而桥梁墩柱、桩基在海水和淡水环境下,发生混凝土剥落、露筋现象是一种常见的病害。传统加固和修复工艺施工工期长,措施费成本高,同时,可能在未来需要对墩柱进行重复的维修。

而水下玻纤套筒加固系统作为一个国外已经很成熟的用于水下墩柱和桩基加固、修复的一个加固工艺,无需任何围堰和排水作业,施工工期短,加固后结构整体耐久性好,是一种新型的水下结构加固新工艺,在国内公路桥梁、码头等结构加固中有着广阔的应用前景。

后期,为了满足未来对水下结构加固技术更高的防腐要求,可以考虑对夹克内部增加牺牲阳极防腐装置的可行性进行研究,提高水下玻纤套筒加固系统在高腐蚀性环境（如海水环境等）的耐久性,同时也能最大限度的增加水下结构的寿命,满足更高的耐久性要求。

[1]魏洋,吴刚,吴智深,等.水下桥墩加固新技术[J].建筑结构,2010(S2): 683-686.

[2]宁波市城建设计研究院有限公司.姚江大桥桩基维修加固工程施工图[Z].2015.

山西省4年将改建农村公路6万km

今年起至2020年4年间,山西省计划新改建农村公路6万km,其中涵盖了58个贫困县共计4万km。

山西省交通运输厅日前与全省11个市分别签订了共建“四好农村路”协议,提出到2020年全面实现全省“建好、管好、护好、运营好”农村公路总目标。2017年至2020年,山西省计划新改建农村公路6万km,实施农村公路安全生命防护工程2.3万km,总投资约1 000亿元。其中,58个贫困县新改建农村公路4万km,实施农村公路安全生命防护工程1.14万km,投资约485亿元。

U445

B

1009-7716（2017）07-0146-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.043

2017-04-17

肖勇辉（1976-）,男,江西南昌人,工程师,从事桥梁设计工作。