水下玻纖套筒加固技術研究

肖勇輝

（上海蘭德公路工程咨詢設計有限公司,上海市 200065）

水下玻纖套筒加固技術研究

肖勇輝

（上海蘭德公路工程咨詢設計有限公司,上海市 200065）

簡述水下玻纖套筒加固系統(tǒng)的國外應用歷史及國內今年發(fā)展狀況,水下玻纖套筒加固系統(tǒng)與傳統(tǒng)橋墩加固方法的性能對比。通過獨立研發(fā)數(shù)據(jù)展示水下環(huán)氧灌漿料研發(fā)過程,核心性能指標的檢測方法和水下灌注模擬試驗的測試結果。最后結合國內水下玻纖套筒加固系統(tǒng)實際應用工程,探討水下玻纖套筒加固系統(tǒng)的應用前景和技術改進方向。

玻璃纖維復合材料；玻纖套筒；水下環(huán)氧灌漿料；水下加固；墩柱加固

0 引言

建筑根據(jù)有關部門的統(tǒng)計,截止到2007年,我國各類橋梁約有52萬座,每年開工建筑的橋梁約為10 000余座。這其中相當數(shù)量的橋梁基礎、墩柱位于水中,橋梁水下結構的使用條件和使用環(huán)境較之水上結構更為惡劣。例如:水下較高的靜態(tài)應力和疲勞應力、河水沖刷、淘刷、磨損、氣蝕、嚴寒地區(qū)的凍融和侵蝕（化學腐蝕和電化學腐蝕）、船舶碰撞、浮冰及地震襲擊、環(huán)境荷載（如生物附著）和橋梁上部結構傳遞的工作荷載等,均易導致橋梁水下結構形成各類損傷缺陷,且不易被發(fā)現(xiàn),這些損傷、缺陷導致橋梁承載能力和耐久性降低,嚴重危及行車安全和橋梁的壽命。因此,研究可行的快速、便捷、低成本的橋梁水下結構加固技術具有重要的意義[1]。

水下玻纖套筒加固系統(tǒng)（又稱“夾克法”）是國外上世紀70年代以來的一個成熟的加固技術,在美國最早的應用案例為1971年在馬里蘭州BEAR CREEK BRIDGE大橋的橋墩加固,至今已有40多年的歷史。其在國外,尤其是美國,得到了廣泛的應用,主要應用于對各種腐蝕、混凝土脫落等病害的結構基礎、碼頭樁基和（包括橋墩柱混凝土樁、鋼樁和木樁）等修復和加固防護,以及對新建結構的預先防護。

該項技術自2012年引入國內市場以來,得到了國內客戶的廣泛認可。目前在國內已有20多項的工程案例,其案例主要分布于橋梁、碼頭中涉水的墩柱和樁基的病害加固。其解決的病害主要有:海水環(huán)境中的鋼筋露筋、混凝土剝落等病害,淡水環(huán)境中由于河流沖刷造成的樁基露筋、墩柱縮徑等病害,碼頭中由于船只撞擊造成的病害等。其在國內的代表性項目有:溫州洞頭淺門、窄門大橋加固維修工程,寧波北侖港集裝箱碼頭一期加固工程,上海臨港公共區(qū)碼頭加固工程,江西省豐城電廠贛江大橋樁基維修加固工程,寧波姚江大橋樁基維修加固工程等。在以上工程中,水下玻纖套筒加固系統(tǒng)都表現(xiàn)出了良好的適用性,施工簡便,同時加固完之后,整體的耐久性和美觀程度較好。

1 水下玻纖套筒加固系統(tǒng)介紹及與傳統(tǒng)工藝對比

水下玻纖套筒加固系統(tǒng)（又稱“夾克法”）是根據(jù)病害的墩柱和樁基的尺寸,在工廠加工一個防腐蝕的玻璃纖維套筒,并保證玻璃纖維套筒與原病害結構之間有一定間隙。進行加固施工時,需要潛水員在水中把高防腐蝕玻纖套筒像穿衣服一樣套在破損的樁基或者樁基外,再灌注高強度的水下環(huán)氧灌漿料,即可完成主要的修復工序。施工快捷方便,無需搭設圍堰及排水作業(yè)。

水下玻纖套筒加固系統(tǒng)“夾克法”主要有以下三大特性:

（1）防腐性——環(huán)氧灌漿料采用高分子聚合物,有高強度的防腐蝕作用,可應對海水腐蝕。由于玻纖套筒對化學反應的惰性,可抗各種化學制劑,耐酸、耐堿性。

（2）水下施工——環(huán)氧灌漿料為獨特配方設計,在水下施工仍有超強,緊密的粘結力；水中施工時可自流平,不離析。特別是,可在“水下施工”,而不需要搭建圍堰及排水。是一套省時、省工、省錢的防護系統(tǒng)。

（3）耐久性——可抵抗因氣候循環(huán)所引起的干濕、冷熱、凍融等交互作用,及水流、海洋潮汐、廢水、電解等持續(xù)性或間歇性的腐蝕作用,耐久性特佳。

傳統(tǒng)的加固維修工藝是增大截面法:在樁基或墩柱周邊構筑圍堰；用潛水泵排干圍堰內的積水；清除墩柱病害部分及其周圍表面松散層,對外露鋼筋進行除銹；植鋼筋入樁基,掛鋼筋網(wǎng)；架立鋼模板后,混凝土泵送混凝土入模內,搗震夯實；混凝土強度達到設計強度70%時拆除鋼模板；拆除圍堰及便橋,并把材料、設備移至下一個墩柱工作面繼續(xù)施工。

以上的傳統(tǒng)加固工藝施工工期長,措施費成本高,同時,可能在未來需要對墩柱進行重復的維修。

水下玻纖套筒加固系統(tǒng)配套的材料有:玻璃纖維套筒、玻璃纖維套筒、環(huán)氧灌漿料、水下環(huán)氧封口膠、水下環(huán)氧封頂膠、不銹鋼釘、緊固帶、可壓縮密封條等。其特點主要有:強度高、耐UV、免維護；環(huán)氧灌漿料與套筒粘結強度高；適用性強,對木、混凝土和鋼墩柱都有效；防腐性能好,耐海水腐蝕和各種化學制劑；耐干濕、冷熱、凍融的交互作用；耐海水潮汐、廢水、電解等侵蝕；可水下施工,無需構筑圍堰及排水；施工快捷方便,無需封橋或斷路施工；可人工灌注或泵送環(huán)氧灌漿料；符合海洋生物環(huán)境安全標準,在咸水、淡水和半咸水內都有效。

其加固截面示意見圖1。

圖1 加固截面示意圖

2 水下玻纖套筒加固系統(tǒng)研發(fā)和測試

2.1 能夠完全在水下固化的環(huán)氧固化體系

國內已有的環(huán)氧固化體系往往只適用于干燥的操作環(huán)境,在潮濕甚至是完全水環(huán)境下環(huán)氧固化體系就無法正常固化使用,歸納下來有以下幾點:

（1）環(huán)氧膠粘劑無法在水下正常固化,或者固化后膠粘劑表面產(chǎn)生白化現(xiàn)象,強度嚴重下降；

（2）膠粘劑不能很好浸潤結構層,或者與結構層粘結不牢固,不密實。

因此,開發(fā)能夠在水下完全固化的環(huán)氧固化體系是水下環(huán)氧灌漿料研發(fā)的重中之重。

通過選定的多種固化劑的的水下固化實驗,最終確立了完全水下環(huán)氧固化體系,該體系具有極強的憎水性,能夠在水下完全固化,對有水界面具有極強的粘附能力且韌性極好,該環(huán)氧固化體系樹脂澆注體樣條的樣品尺寸示意見圖2,相關性能測試見表1。

圖1 樹脂澆注體樣條制作示意圖（單位:mm）

表1 樹脂澆注體性能檢測表

2.2 三組分特定比例灌漿料體系

在已經(jīng)確定能夠完全水下固化的環(huán)氧固化A, B組分后,配合A,B,C三組分的研發(fā)理念,繼續(xù)對C組分填料進行研發(fā),為滿足水下環(huán)氧灌漿料抗壓等方面的性能要求,選擇了以石英砂為支撐粗骨料,配合特殊的粉末填充細骨料,構建灌漿料的抗壓骨架,通過固體顆粒度分析,最終確立了密度合適,顆粒分布均勻的C填料配方。在灌漿料的施工中,要求灌漿料有極好的流動性,且流動度滿足自流平砂漿的特性,為此需要灌漿料A,B,C三組分要有合適的質量配比。為此,我們進行了多組實施例計劃實驗,測試灌漿料的流動度,見圖3,最終確定了滿足特殊要求的灌漿料三組分比例為2.5∶1∶9,表2為該配比下對應灌漿料的性能測試數(shù)據(jù):

圖3 水下環(huán)氧灌漿料流動性測試圖片

A,B,C三組分質量比2.5∶1∶9,取適量A組分,依次加入對應比例的C組分,B組分,然后高速攪拌混合均勻,測試灌漿料的相關性能,見表2。

表2 A∶B∶C=2.5∶1∶9水下環(huán)氧灌漿料性能測試數(shù)據(jù)

2.3 環(huán)氧灌漿料經(jīng)過特殊助劑處理

初步確定水下灌漿料三組分配方后,對灌漿料進行水下灌漿模擬操作,在水下灌漿模擬操作中,灌漿料與結構層之間由于諸多因素,易產(chǎn)生界面不相容問題,影響粘接力,為此,加入特定的界面張力消除劑,能夠很好地解決界面問題,實現(xiàn)灌漿料對結構層界面的良好浸潤；另一方面,灌漿操作在水下進行,由于水阻力的存在,影響了灌漿料的流動性,因此,一些改善流動性助劑的加入,可以很好地解決灌漿料的流動性,實現(xiàn)灌漿料的自流平。特殊助劑的加入,能夠很好的解決灌漿料在施工中遇到的難題。

2.4 灌漿料現(xiàn)場模擬施工

灌漿料配置完成后,將灌漿料送國家建材院檢測,檢測數(shù)據(jù)見表3；并對灌漿料進行現(xiàn)場模擬施工,待灌漿料養(yǎng)護到期后,對加固結構作橫截面切割處理,得到了玻纖套筒—水下環(huán)氧灌漿料—混凝土結構層切面樣品,見圖4。

表3 灌漿料性能檢測表

圖4 加固后的灌漿料橫截面示意圖

從圖4加固后的灌漿料橫截面示意,可以清晰地看到,灌漿料在灌漿固化后形成了致密均一的固化體,而且灌漿料與玻纖套筒以及混凝土粘結緊密。

對照表3灌漿料性能檢測表,可以看出灌漿料固化后,與混凝土層有很好的粘接力,正拉粘結強度高達3.10 MPa,而且灌漿料固化物具有極高的抗壓強度以及優(yōu)異的彈性模量。

因此,研發(fā)的灌漿料能夠很好地對水下受損結構進行維修加固。

3 水下玻纖套筒加固系統(tǒng)實際應用工程案例分析

本文以浙江省寧波市姚江大橋水下樁基維修加固工程項目為例,進行了水下玻纖套筒加固系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝的對比,并對其優(yōu)點進行了分析。

3.1 傳統(tǒng)加固方案的實施較為困難

浙江姚江大橋建于1990年12月,由于河水沖刷等環(huán)境因素導致樁基出現(xiàn)混凝土剝落、露筋等缺陷。根據(jù)檢測報告反映該橋部分墩柱銹脹露環(huán)向鋼筋,墩柱與樁基結合部位外包混凝土存在露骨、剝落、露筋現(xiàn)象,需對病害墩柱、樁基進行補強加固[2]。

姚江大橋位于寧波市環(huán)城北路上,橫跨姚江,為東西走向,是中心城區(qū)主要的排洪河流。當?shù)厮畡罩鞴懿块T強烈要求施工單位對樁基加固期間及竣工后均不能影響姚江防汛排洪功能,同時要求在施工前須對樁基加固方案進行防洪評價和水上施工許可。因此項目所處特殊環(huán)境,不利于傳統(tǒng)加固維修樁基工藝的實施。

如果在本項目中采用傳統(tǒng)加固方案將存在以下問題:由于施工期間在墩柱周圍用砂包圍堰后大大減少姚江排洪能力,而施工后每根樁基外包15 cm厚的鋼筋混凝土將進一步降低泄洪標準,對周邊密集的居民區(qū)產(chǎn)生較大影響,尤其是增加上游居民區(qū)水浸的危險。這樣的方案很難通過當?shù)厮畡罩鞴懿块T的防洪評價審批,也拿不到水中施工的許可。

3.2 水下玻纖套筒加固樁基的施工方案的優(yōu)點

施工單位通過調查,認為水下墩柱玻纖套筒加固技術在本項目中具有以下優(yōu)點:

（1）施工時潛水員在水中把高防腐蝕玻纖套筒像穿衣服一樣套在破損的樁基外,再灌注高強度的環(huán)氧漿料,即可完成主要的修復工序。施工快捷方便,無需搭便橋。

（2）現(xiàn)場不需要圍堰,不影響姚江的原排洪能力。由于維修后樁徑僅增加3.0 cm,不會降低姚江泄洪標準,不會增加上游居民區(qū)水浸的危險。樁基維修工程不改變現(xiàn)狀防洪標準,不占用防汛搶險通道和設施,對水利規(guī)劃實施無明顯不利影響。

（3）所有的材料均符合海洋生物環(huán)境安全標準,而且灌漿料不會在河水中擴散。施工過程無噪音,不會擾民。實際施工過程沒有接到一宗市民的投訴。

（4）經(jīng)測算,實際工期是90d,比傳統(tǒng)施工計劃工期180 d,減少工期90 d,工期壓縮50%,形成較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

最終,方案設計為采用水下玻纖套加固系統(tǒng)進行樁基加固工作。該系統(tǒng)的環(huán)氧灌漿料采用了對水不敏感的配方,可在潮濕或水下環(huán)境使用,能牢固粘結到結構表面。最終采用水下墩柱玻纖套加固工藝的樁基維修工程防洪評價報告方案順利通過當?shù)厮畡罩鞴懿块T的防洪評價審批,同時也獲得在姚江中施工的許可。

4 結語

隨著國民經(jīng)濟的快速增長,我國的交通運輸事業(yè),特別是公路橋梁、碼頭等的建設正處在空前的高速增長時期。同時,也意味著橋梁的加固、維修、養(yǎng)護的需求會越來越大；而橋梁墩柱、樁基在海水和淡水環(huán)境下,發(fā)生混凝土剝落、露筋現(xiàn)象是一種常見的病害。傳統(tǒng)加固和修復工藝施工工期長,措施費成本高,同時,可能在未來需要對墩柱進行重復的維修。

而水下玻纖套筒加固系統(tǒng)作為一個國外已經(jīng)很成熟的用于水下墩柱和樁基加固、修復的一個加固工藝,無需任何圍堰和排水作業(yè),施工工期短,加固后結構整體耐久性好,是一種新型的水下結構加固新工藝,在國內公路橋梁、碼頭等結構加固中有著廣闊的應用前景。

后期,為了滿足未來對水下結構加固技術更高的防腐要求,可以考慮對夾克內部增加犧牲陽極防腐裝置的可行性進行研究,提高水下玻纖套筒加固系統(tǒng)在高腐蝕性環(huán)境（如海水環(huán)境等）的耐久性,同時也能最大限度的增加水下結構的壽命,滿足更高的耐久性要求。

[1]魏洋,吳剛,吳智深,等.水下橋墩加固新技術[J].建筑結構,2010(S2): 683-686.

[2]寧波市城建設計研究院有限公司.姚江大橋樁基維修加固工程施工圖[Z].2015.

山西省4年將改建農村公路6萬km

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U445

B

1009-7716（2017）07-0146-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.043

2017-04-17

肖勇輝（1976-）,男,江西南昌人,工程師,從事橋梁設計工作。