动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用

2023-11-08王冬陈健封嘉蕊石明建

新型建筑材料 2023年10期

王冬，陈健，封嘉蕊，石明建

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210024；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏南京 211161；3.水利部水工新材料工程技术中心，江苏南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司，安徽马鞍山 238281）

0 前言

水工建筑物水下混凝土结构长期受到侵蚀环境、水压、水流、温度梯度和荷载作用等因素的影响，很容易出现裂缝、渗漏、冲坑等问题[1]。许多水工建筑物不具备将水放空的条件，必须在水介质条件下进行混凝土缺陷修补施工，常常需要带水作业，甚至深水作业。

水下环境复杂，材料、设备使用受限，目前，水下混凝土缺陷修复材料技术存在诸多技术瓶颈[2]。水下混凝土缺陷的存在严重降低了结构承载性能，急剧缩短了水工建筑物的使用寿命，直接影响了工程的安全运行。因此急需开展水工建筑物长期安全运行、提质增效与应急处置等相关技术研究，切实提升水工建筑物建设与运行安全[3-4]。

水下不分散混凝土以比重大、经济、环保、耐久性好等特点已被广泛接受和认可，在水下施工中得到广泛应用[5-7]。水下快硬不分散剂是在水下不分散剂基础上研究开发的，可与水泥、砂、石配制成水下不分散修补料，用于水下混凝土结构非活动裂缝、冲坑、蜂窝、鼓胀等病害的修复。由它配制出的水泥基修补材料具有快硬、高强、水下抗分散性高、粘结力好、超大流动度、体积稳定性好、施工方法简易、无毒等特性。

本文针对实际水下施工面临的动水环境，通过自制仿真水环境模拟装置研究不同水流速度对已开发的JK-PR400M水下不分散修补料的性能影响，确定该材料施工水流速度控制范围；并对实际修复工程中的示范应用效果进行评估。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5 水泥，主要化学成分及物理力学性能分别见表1 和表2；JK-PR400M 水下不分散修补料：是由特种水泥、活性矿物掺合料、细骨料及多种功能型外加剂精确复配的粉体材料，南京瑞迪高新技术有限公司提供[8]，JK-PR400M与水质量比为1∶0.12 时，参照GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》的相关要求，其主要技术性能见表3；石：5~16 mm 碎石。

表1 水泥的主要化学成分%

表2 水泥的物理力学性能

表3 JK-PR400M 的主要技术性能

1.2 设备

环形水槽：自制，该装置可模拟环境温度4~30 ℃，水深40 m、水流速度2.5 m/s 以内的真实水下环境。该装置结构示意见图1。

图1 环形水槽装置结构示意

1.3 诊测技术

空海一体智能化诊测技术：是由南京水利科学研究院研发的水下混凝土表面缺陷无损诊断技术，主要由iBoat BS3智能无人测量船+Shark-S900P 侧扫声呐+测深仪组成，再联合K-means 聚类分割算法解译图像方法及自主研发建立的水下混凝土缺陷评价标准进行评判。

1.4 试验方法

水泥砂浆流动度：参照GB/T 50448—2008 中的附录A.0.2进行测试。

混凝土拌合物坍落度和坍扩度：参照DL/T 5117—2000 进行测试。

混凝土抗压强度：将尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试模放入环形水槽中[在标准气压下调整水槽水温控制在（20±2）℃，水流速度在0~1.0 m/s 之间控制不同流速]，再参照DL/T 5117—2000 中规程7 的有关规定浇注水下试件，在不同水流速度下放置试块，接近初凝时修整试块表面，待终凝后取出试件，转标养室水养至测试龄期，进行抗压强度测试。

粘结强度：参照SL 352—2020《水工混凝土试验规程》进行测试。试模尺寸为500 mm×100 mm×100 mm，用500 mm×100 mm×2 mm 隔板固定在试模中央，先在陆地上成型500 mm×100 mm×50 mm 的试件，标养14 d 后取出，对一侧立面进行表面粗糙度打毛处理，将打毛好的试件垂直放在试模一侧，光面紧贴试模内壁，打毛面与试模之间形成尺寸约500 mm×100 mm×50 mm 的剩余空间。把装有一半试件的试模放入环形水槽中，进行水下剩余空间浇注，成型、养护方法同抗压强度试件，2 d 后将试件切割成100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块继续养护至测试龄期。

2 试验结果与讨论

2.1 水流速度对修补料性能的影响

确定JK-PR400M 可适用的水流速度范围，控制的关键技术指标为动水环境中修复材料抗分散与界面粘结强度性能的保持能力。本试验将JK-PR400M 与水按1∶0.12 质量比配合，用强制式混凝土搅拌机拌合好后进行动水性能测试：标准气压、20 ℃，将环形水槽通过流速仪调整控制水流速度分别为0.2、0.5、1.0 m/s 时，进行水下抗压强度和粘结强度试件成型，到达龄期后与陆地静水水下成型试件进行性能对比，判断JKPR400M 可承受的水流速度，以指导实际施工水流速度控制。动水条件下抗压强度试件成型如图2 所示，粘结强度试件成型及固化后表面冲刷状态如图3 所示，试验结果如表4 所示。

图2 动水条件下抗压强度试件成型照片

图3 粘结强度试件成型及固化后表面冲刷状态

表4 水流速度对JK-PR400M 抗分散性及水下粘结性能的影响

表4和图2、图3 试验结果表明：JK-PR400M 流动性好，水下浇注入模可水下自流平、自密实；在0.2、0.5、1.0 m/s 不同水流速度作用下，JK-PR400M 的28 d 水陆强度比分别达到103.0%、99.7%、99.8%和28 d 水陆粘结强度比分别达到93.5%、90.3%、87.1%，可见，在不大于1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 的抗分散性优；1.0 m/s 水流速度作用下JKPR400M 水下28 d 抗压和粘结强度分别达到了64.1、2.7 MPa，具备水下修复材料的高强、高粘的高性能特性。

由图3 还可以看出，JK-PR400M 凝固前表面受水流冲刷作用会出现浆体流失，0.2 m/s 水流作用浆体基本不流失，0.5 m/s 水流作用表面浆体最深处流失在10 mm 以内，而1.0 m/s水流作用表面浆体最深处流失则大于30 mm。

综上所述，水流速度≤1.0 m/s 对JK-PR400M 水下抗分散性和粘结性影响较小，但1.0 m/s 水流会造成JK-PR400M表面浆体硬化前受水流冲刷造成较大流失，因此，建议施工时尽量选择水流速度较低或采取围挡措施控制水流速度≤0.5 m/s 时浇注并控制水流速度在浆体硬化前减少波动。另外，由图2 可见，水流作用下浇注料会随水流作用方向发生偏移，并随水流速度增加浇注偏移距离增大；试验可观察到偏移距离不仅与水流速度有关，还与浇注速度、浇注高度、导管口径等因素有关，因此，实际施工中要根据具体情况控制偏移。

2.2 工程示范应用与效果评估

某船闸是连接江苏南北地区最主要的水运大动脉，通航任务重。船下部螺旋桨和水流冲刷作用造成船闸下游引航道护岸墙基础和护底破坏，为确保通航安全、稳定河势边界条件需对引航道重力式护岸底部及靠船墩墙进行修复加固。

该船闸是名幅其实的“水上高速”，停航修复经济成本巨大，因此，对护底进行加固必须在正常通航状态下进行。该船闸水深在6.5 m 左右，土石围堰危险性较大、沙袋围堰施工宽幅大，影响航道通航，另外，项目工期紧、经费有限。以上工程条件大大限制了施工工艺的选择，对施工技术提出了很高要求。

针对项目困难，结合试验科研成果，在该项目上采用了空海一体智能化诊测技术，先进行缺陷部位探查定位，然后在水流速度0.5 m/s 左右时使用JK-PR400M 配制的混凝土修补料（配合比及性能见表5）直接对护底进行水下浇注修补，最后再使用上述诊测技术进行修复效果评估。对船闸引航道目标区域桩号K0+277.5~K0+337.5 的60 m 标准段侧扫声呐部分解译图见图4，局部淘刷区加密至每3 m 提取剖面典型照片见图5，修复料水下浇注施工现场见图6，淘刷区修补前后淘刷深度最大处数据统计见表6。

图4 淘刷区侧扫声呐解译

图5 淘刷区加密剖面

图6 修复料水下浇注施工现场

表5 工程应用修补料配合比及性能

表6 水下淘刷区域情况

由表6 可知，淘刷区①、②局部淘刷深度较大，达20 cm左右，且淘刷区总面积也大，为修复重点区；淘刷区③淘刷深度最浅，淘刷最深处小于10 cm，且总面积最小，为次要修复区。施工过程在正常通航条件下进行，修复后探查重点修复区剖面高程与设计高程相差最大处为30 mm，满足偏差≤30 mm/2 m 的要求，修复效果良好。

该成果应用降低了动水水流冲刷影响、实现通航条件下水下缺陷的快速恢复。新材料的使用为工程节约经费近40%、缩短工期1 个月，最大限度地降低了水下改建维修工程给通航带来的不便和巨额经济影响。