王冬，陳健，封嘉蕊，石明建

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210024；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術(shù)中心，江蘇南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司，安徽馬鞍山 238281）

0 前 言

水工建筑物水下混凝土結(jié)構(gòu)長期受到侵蝕環(huán)境、水壓、水流、溫度梯度和荷載作用等因素的影響，很容易出現(xiàn)裂縫、滲漏、沖坑等問題[1]。許多水工建筑物不具備將水放空的條件，必須在水介質(zhì)條件下進(jìn)行混凝土缺陷修補(bǔ)施工，常常需要帶水作業(yè)，甚至深水作業(yè)。

水下環(huán)境復(fù)雜，材料、設(shè)備使用受限，目前，水下混凝土缺陷修復(fù)材料技術(shù)存在諸多技術(shù)瓶頸[2]。水下混凝土缺陷的存在嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)承載性能，急劇縮短了水工建筑物的使用壽命，直接影響了工程的安全運(yùn)行。因此急需開展水工建筑物長期安全運(yùn)行、提質(zhì)增效與應(yīng)急處置等相關(guān)技術(shù)研究，切實(shí)提升水工建筑物建設(shè)與運(yùn)行安全[3-4]。

水下不分散混凝土以比重大、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、耐久性好等特點(diǎn)已被廣泛接受和認(rèn)可，在水下施工中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。水下快硬不分散劑是在水下不分散劑基礎(chǔ)上研究開發(fā)的，可與水泥、砂、石配制成水下不分散修補(bǔ)料，用于水下混凝土結(jié)構(gòu)非活動裂縫、沖坑、蜂窩、鼓脹等病害的修復(fù)。由它配制出的水泥基修補(bǔ)材料具有快硬、高強(qiáng)、水下抗分散性高、粘結(jié)力好、超大流動度、體積穩(wěn)定性好、施工方法簡易、無毒等特性。

本文針對實(shí)際水下施工面臨的動水環(huán)境，通過自制仿真水環(huán)境模擬裝置研究不同水流速度對已開發(fā)的JK-PR400M水下不分散修補(bǔ)料的性能影響，確定該材料施工水流速度控制范圍；并對實(shí)際修復(fù)工程中的示范應(yīng)用效果進(jìn)行評估。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5 水泥，主要化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分別見表1 和表2；JK-PR400M 水下不分散修補(bǔ)料：是由特種水泥、活性礦物摻合料、細(xì)骨料及多種功能型外加劑精確復(fù)配的粉體材料，南京瑞迪高新技術(shù)有限公司提供[8]，JK-PR400M與水質(zhì)量比為1∶0.12 時(shí)，參照GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)要求，其主要技術(shù)性能見表3；石：5~16 mm 碎石。

表1 水泥的主要化學(xué)成分%

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 JK-PR400M 的主要技術(shù)性能

1.2 設(shè)備

環(huán)形水槽：自制，該裝置可模擬環(huán)境溫度4~30 ℃，水深40 m、水流速度2.5 m/s 以內(nèi)的真實(shí)水下環(huán)境。該裝置結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 環(huán)形水槽裝置結(jié)構(gòu)示意

1.3 診測技術(shù)

空海一體智能化診測技術(shù)：是由南京水利科學(xué)研究院研發(fā)的水下混凝土表面缺陷無損診斷技術(shù)，主要由iBoat BS3智能無人測量船+Shark-S900P 側(cè)掃聲吶+測深儀組成，再聯(lián)合K-means 聚類分割算法解譯圖像方法及自主研發(fā)建立的水下混凝土缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判。

1.4 試驗(yàn)方法

水泥砂漿流動度：參照GB/T 50448—2008 中的附錄A.0.2進(jìn)行測試。

混凝土拌合物坍落度和坍?dāng)U度：參照DL/T 5117—2000 進(jìn)行測試。

混凝土抗壓強(qiáng)度：將尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試模放入環(huán)形水槽中[在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下調(diào)整水槽水溫控制在（20±2）℃，水流速度在0~1.0 m/s 之間控制不同流速]，再參照DL/T 5117—2000 中規(guī)程7 的有關(guān)規(guī)定澆注水下試件，在不同水流速度下放置試塊，接近初凝時(shí)修整試塊表面，待終凝后取出試件，轉(zhuǎn)標(biāo)養(yǎng)室水養(yǎng)至測試齡期，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

粘結(jié)強(qiáng)度：參照SL 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測試。試模尺寸為500 mm×100 mm×100 mm，用500 mm×100 mm×2 mm 隔板固定在試模中央，先在陸地上成型500 mm×100 mm×50 mm 的試件，標(biāo)養(yǎng)14 d 后取出，對一側(cè)立面進(jìn)行表面粗糙度打毛處理，將打毛好的試件垂直放在試模一側(cè)，光面緊貼試模內(nèi)壁，打毛面與試模之間形成尺寸約500 mm×100 mm×50 mm 的剩余空間。把裝有一半試件的試模放入環(huán)形水槽中，進(jìn)行水下剩余空間澆注，成型、養(yǎng)護(hù)方法同抗壓強(qiáng)度試件，2 d 后將試件切割成100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至測試齡期。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水流速度對修補(bǔ)料性能的影響

確定JK-PR400M 可適用的水流速度范圍，控制的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為動水環(huán)境中修復(fù)材料抗分散與界面粘結(jié)強(qiáng)度性能的保持能力。本試驗(yàn)將JK-PR400M 與水按1∶0.12 質(zhì)量比配合，用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌合好后進(jìn)行動水性能測試：標(biāo)準(zhǔn)氣壓、20 ℃，將環(huán)形水槽通過流速儀調(diào)整控制水流速度分別為0.2、0.5、1.0 m/s 時(shí)，進(jìn)行水下抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度試件成型，到達(dá)齡期后與陸地靜水水下成型試件進(jìn)行性能對比，判斷JKPR400M 可承受的水流速度，以指導(dǎo)實(shí)際施工水流速度控制。動水條件下抗壓強(qiáng)度試件成型如圖2 所示，粘結(jié)強(qiáng)度試件成型及固化后表面沖刷狀態(tài)如圖3 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

圖2 動水條件下抗壓強(qiáng)度試件成型照片

圖3 粘結(jié)強(qiáng)度試件成型及固化后表面沖刷狀態(tài)

表4 水流速度對JK-PR400M 抗分散性及水下粘結(jié)性能的影響

表4和圖2、圖3 試驗(yàn)結(jié)果表明：JK-PR400M 流動性好，水下澆注入模可水下自流平、自密實(shí)；在0.2、0.5、1.0 m/s 不同水流速度作用下，JK-PR400M 的28 d 水陸強(qiáng)度比分別達(dá)到103.0%、99.7%、99.8%和28 d 水陸粘結(jié)強(qiáng)度比分別達(dá)到93.5%、90.3%、87.1%，可見，在不大于1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 的抗分散性優(yōu)；1.0 m/s 水流速度作用下JKPR400M 水下28 d 抗壓和粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)到了64.1、2.7 MPa，具備水下修復(fù)材料的高強(qiáng)、高粘的高性能特性。

由圖3 還可以看出，JK-PR400M 凝固前表面受水流沖刷作用會出現(xiàn)漿體流失，0.2 m/s 水流作用漿體基本不流失，0.5 m/s 水流作用表面漿體最深處流失在10 mm 以內(nèi)，而1.0 m/s水流作用表面漿體最深處流失則大于30 mm。

綜上所述，水流速度≤1.0 m/s 對JK-PR400M 水下抗分散性和粘結(jié)性影響較小，但1.0 m/s 水流會造成JK-PR400M表面漿體硬化前受水流沖刷造成較大流失，因此，建議施工時(shí)盡量選擇水流速度較低或采取圍擋措施控制水流速度≤0.5 m/s 時(shí)澆注并控制水流速度在漿體硬化前減少波動。另外，由圖2 可見，水流作用下澆注料會隨水流作用方向發(fā)生偏移，并隨水流速度增加澆注偏移距離增大；試驗(yàn)可觀察到偏移距離不僅與水流速度有關(guān)，還與澆注速度、澆注高度、導(dǎo)管口徑等因素有關(guān)，因此，實(shí)際施工中要根據(jù)具體情況控制偏移。

2.2 工程示范應(yīng)用與效果評估

某船閘是連接江蘇南北地區(qū)最主要的水運(yùn)大動脈，通航任務(wù)重。船下部螺旋槳和水流沖刷作用造成船閘下游引航道護(hù)岸墻基礎(chǔ)和護(hù)底破壞，為確保通航安全、穩(wěn)定河勢邊界條件需對引航道重力式護(hù)岸底部及靠船墩墻進(jìn)行修復(fù)加固。

該船閘是名幅其實(shí)的“水上高速”，停航修復(fù)經(jīng)濟(jì)成本巨大，因此，對護(hù)底進(jìn)行加固必須在正常通航狀態(tài)下進(jìn)行。該船閘水深在6.5 m 左右，土石圍堰危險(xiǎn)性較大、沙袋圍堰施工寬幅大，影響航道通航，另外，項(xiàng)目工期緊、經(jīng)費(fèi)有限。以上工程條件大大限制了施工工藝的選擇，對施工技術(shù)提出了很高要求。

針對項(xiàng)目困難，結(jié)合試驗(yàn)科研成果，在該項(xiàng)目上采用了空海一體智能化診測技術(shù)，先進(jìn)行缺陷部位探查定位，然后在水流速度0.5 m/s 左右時(shí)使用JK-PR400M 配制的混凝土修補(bǔ)料（配合比及性能見表5）直接對護(hù)底進(jìn)行水下澆注修補(bǔ)，最后再使用上述診測技術(shù)進(jìn)行修復(fù)效果評估。對船閘引航道目標(biāo)區(qū)域樁號K0+277.5~K0+337.5 的60 m 標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)掃聲吶部分解譯圖見圖4，局部淘刷區(qū)加密至每3 m 提取剖面典型照片見圖5，修復(fù)料水下澆注施工現(xiàn)場見圖6，淘刷區(qū)修補(bǔ)前后淘刷深度最大處數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6。

圖4 淘刷區(qū)側(cè)掃聲吶解譯

圖5 淘刷區(qū)加密剖面

圖6 修復(fù)料水下澆注施工現(xiàn)場

表5 工程應(yīng)用修補(bǔ)料配合比及性能

表6 水下淘刷區(qū)域情況

由表6 可知，淘刷區(qū)①、②局部淘刷深度較大，達(dá)20 cm左右，且淘刷區(qū)總面積也大，為修復(fù)重點(diǎn)區(qū)；淘刷區(qū)③淘刷深度最淺，淘刷最深處小于10 cm，且總面積最小，為次要修復(fù)區(qū)。施工過程在正常通航條件下進(jìn)行，修復(fù)后探查重點(diǎn)修復(fù)區(qū)剖面高程與設(shè)計(jì)高程相差最大處為30 mm，滿足偏差≤30 mm/2 m 的要求，修復(fù)效果良好。

該成果應(yīng)用降低了動水水流沖刷影響、實(shí)現(xiàn)通航條件下水下缺陷的快速恢復(fù)。新材料的使用為工程節(jié)約經(jīng)費(fèi)近40%、縮短工期1 個(gè)月，最大限度地降低了水下改建維修工程給通航帶來的不便和巨額經(jīng)濟(jì)影響。

3 結(jié) 論

（1）在不大于1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 的抗分散性優(yōu)；1.0 m/s 水流速度作用下JK-PR400M 水下28 d 抗壓和粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)到了64.1、2.7 MPa，具備水下修復(fù)材料的高強(qiáng)、高粘的高性能特性。

（2）JK-PR400M 在自流平狀態(tài)下在水下動水環(huán)境中仍具有良好的抗分散性，1.0 m/s 水流速度作用下，28 d 水陸抗壓強(qiáng)度比和水陸粘結(jié)強(qiáng)度比分別為99.8%和87.1%。

（3）水流速度會造成澆注偏移和表面沖刷流失現(xiàn)象，建議施工中宜采取措施控制水流速度在0.5 m/s 以內(nèi)避免水流沖刷造成修復(fù)表面流失。

（4）動水條件下，新材料在實(shí)際船閘引航道護(hù)底修復(fù)加固項(xiàng)目中成功示范應(yīng)用，經(jīng)空海一體智能化診測技術(shù)評估修復(fù)效果良好，社會、經(jīng)濟(jì)效益顯著。