动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂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、超动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用王冬1，2，3，4，陈健1，2，3，4，封嘉蕊2，3，4，石明建2，3，4（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）摘要：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了不同水流速度（0.2、0.5、1.0 m/s）对水下不分散修补料（JK-PR400M）性能的影响，采用空海一体智能化诊测技术评估了 JK-PR400M 的水下修复效果。结果表明：JK-PR400M 在水流速度小于 1.0 m/s 环境中具有优异的抗分散性和界面粘结性，但会造成浇注偏移和表面冲刷流失现象；在水深 6 m、水流速度 0.5m/s 环境下实现了混凝土面缺陷的快速修复作业，缺陷修复区剖面高程与设计高程偏差臆30 mm，修复效果良好，经济效益显著。关键词：水下不分散修补料；动水环境；水下混凝土缺陷中图分类号：TU528.36文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）10-0007-04Research and demonstrate application of anti-washout underwater repair material in dynamic water environmentWANG Dong1，2，3，4，CHEN Jian1，2，3，4，FENG Jiarui2，3，4，SHI Mingjian2，3，4（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China；2.Nanjing R&D Hi-Tech Co.Ltd.，Nanjing 211161，China；3.Research Center on New Materials in Hydraulic Structures，Ministry of Water Resources，Jiangshu 210024，China；4.Anhui R&H New Materials Co.Ltd.，Maanshan 238281，China）Abstract：In view of the dynamic water environment faced by the actual underwater construction，the non-dispersion of differentwater velocities（0.2，0.5，1.0 m/s）was studied by self-made simulated water environment simulation device influence of the performanceof the repair material（JK-PR400M），the underwater repair effect of JK-PR400M was evaluated by using air-sea intelligent diagnostictechnology.The results show that JK-PR400M is in water excellent dispersion resistance and interface adhesion in environments be原low 1.0 m/s.However，the flow rate will cause casting deviation and surface erosion.The rapid repair of concrete surface defects wasachieved in an environment with a water depth of 6m and a water velocities of 0.5m/s.The deviation between the profile elevation ofthe defect repair area and the design elevation is 30mm.The repair effect is good and the economic benefit is remarkable.Key words：anti-washout underwater repair material，hydrodynamic environment，underwater concrete defect基金项目：国家重点研发计划重点专项项目（SQ2020YFF0426367）收稿日期：2023-04-18；修订日期：2023-07-27作者简介：王冬，女，1973 年生，正高级工程师，主要从事混凝土外加剂研究开发工作，E-mail：。中国科技核心期刊7新型建筑材料圆园23援101.3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 504482008 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 51172000 进行测试。混凝土抗压强度：将尺寸为 150 mm伊150 mm伊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依2）益，水流速度在 01.0 m/s 之间控制不同流速，再参照DL/T 51172000 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 3522020 水工混凝土试验规程 进行测试。试模尺寸为500 mm伊100 mm伊100 mm，用 500 mm伊100 mm伊2 mm 隔板固定在试模中央，先在陆地上成型 500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颐0.12 时，参照 GB/T 504482008 水泥基灌浆材料应用技术规范 和 DL/T 51172000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：516mm 碎石。表 1水泥的主要化学成分%表 2水泥的物理力学性能1.2设备环形水槽：自制，该装置可模拟环境温度 430 益，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。凝结时间/min抗压强度/MPa初凝3 d28 d19629033.845.6终凝标准稠度需水量/%27.4比表面积/（m2/kg）355CaOMgOLoss64.101.011.78Al2O35.17SiO221.11SO33.30Fe2O32.10水下凝结时间/min初凝150180终凝流动度/mm2303 d7 d29.548.328 d水上抗压强度/MPa60.83 d7 d28 d26.440.5水下抗压强度/MPa57.23 d7 d28 d9084水陆抗压强度比/%9428 d 粘结劈拉强度/MPa2.9表 3JK-PR400M 的主要技术性能图 1环形水槽装置结构示意王冬，等：动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用8晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂表 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 JK-PR400M 水下 28 d 抗压和粘结强度分别达到了 64.1、2.7MPa，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，0.5m/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，水流速度臆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臆0.5m/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mm伊100 mm伊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伊100 mm伊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伊100 mm伊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颐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 益，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 JK-PR400M 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表 4水流速度对 JK-PR400M 抗分散性及水下粘结性能的影响7 d28 d 水陆粘结强度比/%28 d水上抗压强度/MPa7 d28 d水下抗压强度/MPa7 d28 d流动度/mm水流速度/（m/s）编号54.993.564.255.865.6101.62300D-1D-20.2230-55.466.1100.993.5D-30.5231-55.264.0100.690.3D-41.0230-55.264.1100.687.1水陆抗压强度比/%102.2103.099.799.828 d 粘结强度/MPa水上水下3.12.9-2.9-2.8-2.7图 3粘结强度试件成型及固化后表面冲刷状态王冬，等：动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用9新型建筑材料圆园23援10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+277.5K0+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。表 5工程应用修补料配合比及性能水上抗压强度/MPa7 d28 d45.250.6初始扩展度/mm480初始坍落度/mm230m（JK-PR400M）颐m（石）颐m（水）1颐0.6颐0.2图 6修复料水下浇注施工现场由表 6 可知，淘刷区淤、于局部淘刷深度较大，达 20 cm左右，且淘刷区总面积也大，为修复重点区；淘刷区盂淘刷深度最浅，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，满足偏差表 6水下淘刷区域情况臆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（下转第 21 页）图 4淘刷区侧扫声呐解译图 5淘刷区加密剖面修复前桩 号修复后淘刷区淤淘刷深度/cm修复前修复后淘刷区于淘刷深度/cm淘刷区盂淘刷深度/cm修复前修复后23K0+284.73-K0+287.7202-K0+290.710-K0+297.5-180-K0+300.5-183-K0+303.5-00-K0+309.1-31K0+312.1-103K0+315.1-00王冬，等：动水环境中水下不分散修补料的性能研究及示范应用10晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 10 页）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。3结论（1）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 JK-PR400M 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。（2）JK-PR400M 在自流平状态下在水下动水环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 水陆抗压强度比和水陆粘结强度比分别为 99.8%和 87.1%。（3）水流速度会造成浇注偏移和表面冲刷流失现象，建议施工中宜采取措施控制水流速度在 0.5 m/s 以内避免水流冲刷造成修复表面流失。（4）动水条件下，新材料在实际船闸引航道护底修复加固项目中成功示范应用，经空海一体智能化诊测技术评估修复效果良好，社会、经济效益显著。参考文献：1孙金华.我国水库大坝安全管理成就及面临的挑战J.中国水利，2018（20）：1-6.2朱道雄.水电站建筑物病害分析及处理措施研究D.宜昌：三峡大学，2020.3普中勇.水工建筑物运维管理模式创新与实践J.云南水利发电，2020（5）：162-164.4陆志华，李焰.水工混凝土建筑物补强加固技术综述J.大坝与安全，2021（1）：54-66.5陈健，庄英豪，卢安琪，等.新型水下不分散灌浆材料在东海大桥中的应用J.混凝土与水泥制品，2004（3）：18-20.6余泽文，袁炜，王文彬，等.超高流态水下不分散混凝土在补强钢围堰底部的应用J.施工技术，2021（7）：29-31.7程晟畅，涂高鹏，陈成，等.超早强水下不分散注浆料在运营隧道中的应用J.新型建筑材料，2023（5）：155-158.8王冬，樊金光，唐修生，等.快硬型水下不分散剂水下混凝土裂缝修补应用研究J.新型建筑材料，2021（9）：138-140.蒉多的情况下，可以有效减少火山石混凝土的减水剂用量，降低早期自收缩。参考文献:1王萧萧，赵恒，谭鑫磊，等.天然浮石混凝土力学性能与微观结构研究J.混凝土，2019（2）：61-64.2霍俊芳，曹雪，王萧萧，等.天然浮石混凝土孔结构对其抗压强度影响的研究J.硅酸盐通报，2020，39（3）：734-739.3孙婧，兰建伟，王宏，等.铁尾矿砂-浮石砂复掺轻质混凝土配合比优化研究J.混凝土，2021（12）：132-135，140.4王晶，周永祥，冷发光，等.珊瑚骨料与天然火山渣混凝土的配制及性能研究J.混凝土与水泥制品，2019（1）：6-9.5王永海，周永祥.天然火山灰质材料及其在混凝土中的应用研究C/中国硅酸盐学会.2011 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