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技術(shù)知識(shí)
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近年來,泥基灌漿料由于其優(yōu)良的性能在工程中得到了廣泛應(yīng)用,針對(duì)此,闡述了水泥基灌漿料的發(fā)展,性能特征及其在土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及施工要點(diǎn)并提出目前在使用過程中存在的主要問題及解決的方法措施。
1.1灌漿料發(fā)展進(jìn)程
灌漿料的應(yīng)用最早出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)期間,主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,到20世紀(jì)50年代,一些發(fā)達(dá)國家將其應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械設(shè)備的安裝,大大提高了設(shè)備安裝的效率。灌漿技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段:黏土+石灰、水泥、化學(xué)類的灌漿料、水泥基灌漿料[3]。其中化學(xué)灌漿料,多為有機(jī)高分子材料,在使用中會(huì)出現(xiàn)一系列問題:例如不環(huán)保、焊接時(shí)因距離問題會(huì)使材料失去原有性能、低溫施工固化慢影響工期、遇高溫失去原有性能等問題。而且,這種灌漿料價(jià)格也比較昂貴。因此,到了20世紀(jì)80年代國內(nèi)外開始研制和使用水泥基灌漿料。
1.2水泥基灌漿料概念
水泥基灌漿料是以水泥為基本材料,通過加入適量的細(xì)骨料以及少量的外加劑及礦物摻合料等組成的干混材料[3]。通過加水拌合后具有灌注的流動(dòng)性、較高的早期和后期強(qiáng)度,同時(shí)具有微膨脹性、且不泌水等優(yōu)良性能。由于其具有耐久性好、無毒、無味、成本低等優(yōu)點(diǎn),開始在各類工程中漸漸得到推廣和應(yīng)用并逐步成為研究熱點(diǎn)。水泥基灌漿料在加水均勻拌和后不會(huì)產(chǎn)生泌水、離析等問題。因其自身不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和水質(zhì)造成污染、不會(huì)輕易老化以及無害等特征,能夠在保障程質(zhì)量同時(shí),減少成本,因此在灌漿工程領(lǐng)域全面推廣應(yīng)用開來,能夠幫助減少應(yīng)用周期,適用于混凝土加固修補(bǔ)操作。
1.3國外研究現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代以來,國外學(xué)者開展了大量關(guān)于灌漿料性能研究的試驗(yàn),部分試驗(yàn)結(jié)果表明:水膠比對(duì)灌漿料流動(dòng)及力學(xué)性能的影響程度要高于減水劑和穩(wěn)定劑等外加劑對(duì)其性能的影響。并提出:在水泥基灌漿料中加入增稠劑能夠有效防止骨料下沉,改善離析和泌水現(xiàn)象,同時(shí)也可提高灌漿料的力學(xué)性能并改善其耐久性[4]。
一些國外學(xué)者通過在水泥基灌漿料中摻入一定量的礦物摻合料(火山灰、粉煤灰、硅灰、?;郀t礦渣等)和高效減水劑等來研究如何能夠配制出流動(dòng)性好、強(qiáng)度高、耐久性好且造價(jià)低的高性能水泥基灌漿料[5,6]。 同時(shí)由于環(huán)境保護(hù)的需要,綠色建造概念的推廣,如何將固體廢棄物再利用運(yùn)用到綠色灌漿料的研發(fā)中也成了灌漿料研究的一個(gè)新方向[7,8]。
1.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對(duì)灌漿技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)灌漿材料的研發(fā)工作開始的比較晚,最初,是為了滿足進(jìn)口設(shè)備的安裝需要,開始對(duì)灌漿材料進(jìn)行研究。很快我們就自主研發(fā)了性能良好的水泥基灌漿材料,成功地用在了進(jìn)口設(shè)備的安裝工程領(lǐng)域,并取代了國外的進(jìn)口灌漿料。
最早研制灌漿料時(shí)所采用的水泥為普通硅酸鹽水泥,而且為了提高性能,摻入了多種高性能外加劑,導(dǎo)致所研制的灌漿料產(chǎn)品的成本相對(duì)較高。因此,有學(xué)者開始使用復(fù)合水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)摻并摻入緩凝劑、促凝劑等外加劑來配制早強(qiáng),高強(qiáng)的水泥基灌漿料。他們研究了不同種類的早強(qiáng)劑及減水劑對(duì)灌漿料的流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度的影響;還研究了穩(wěn)定劑和可再分散乳膠粉對(duì)水下修補(bǔ)灌漿料的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律。
近年來隨著裝配式建筑的不斷發(fā)展,對(duì)于裝配式建筑構(gòu)件之間連接使用的灌漿材料的研究也成為了研究的熱點(diǎn)。隨著不斷的研究,灌漿料的性能也在不斷提高,同時(shí)也更能適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境。
2、水泥基灌漿料的發(fā)展及在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用即施工要點(diǎn)
隨著材料工程技術(shù)的快速發(fā)展,灌漿材料和灌漿工藝及設(shè)備等也得到了巨大發(fā)展,各國在大力發(fā)展灌漿技術(shù)的同時(shí),也在積極研發(fā)性能更好的灌漿料來滿足工程需要。灌漿技術(shù)在工程中的應(yīng)用范圍也越來越廣,幾乎涉及了土木工程的所有領(lǐng)域。由于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)工程的特殊性,往往要求其修補(bǔ)效果好,工期短和易于施工等。在其應(yīng)用過程中為了使灌漿料的技術(shù)性能得以充分發(fā)揮,保證結(jié)構(gòu)加固的質(zhì)量,在灌漿施工中要注意幾個(gè)問題。
2.1合理選擇加固方式,優(yōu)化設(shè)計(jì)灌漿方案
在結(jié)構(gòu)加固工程中要想有效控制施工質(zhì)量,前提是制定出科學(xué)合理且切實(shí)可行的施工方案。根據(jù)建筑主體結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)、使用環(huán)境、使用年限、施工現(xiàn)場(chǎng)情況等特點(diǎn)合理選擇結(jié)構(gòu)加固方式,并認(rèn)真設(shè)計(jì)灌漿方案,同時(shí)對(duì)施工過程中潛在的一些問題進(jìn)行分析,并做好相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)工作。盡可能降低影響施工質(zhì)量的有關(guān)問題發(fā)生的概率,提高灌漿質(zhì)量,使得灌漿材料充分發(fā)揮其良好的技術(shù)性能。
2.2嚴(yán)密進(jìn)行模板施工,穩(wěn)固安裝
在灌漿施工過程中,模板工程質(zhì)量對(duì)整個(gè)加固效果起著至關(guān)重要的作用,如模板支設(shè)不嚴(yán)密會(huì)導(dǎo)致漏漿,影響結(jié)構(gòu)灌漿質(zhì)量,使灌漿部分的整體性受到影響。嚴(yán)重時(shí)由于模板安裝的不堅(jiān)固甚至?xí)辜庸探Y(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生偏差,因而影響結(jié)構(gòu)加固后的承載力,使整體結(jié)構(gòu)的加固效果受到嚴(yán)重影響,因此,灌漿施工時(shí)一定要確保安裝穩(wěn)定,支設(shè)嚴(yán)密。
2.3做好灌漿料施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制
灌漿料在使用之前要進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的檢驗(yàn),流動(dòng)度、豎向膨脹率、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均要符合《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求方可使用。且灌漿料采用現(xiàn)用現(xiàn)拌,每次的攪拌體積不宜過大,現(xiàn)場(chǎng)要預(yù)留同等條件下的灌漿料試塊,通過后期試驗(yàn)進(jìn)行灌漿質(zhì)量的全過程控制。
2.4提供灌漿料質(zhì)量,做好管理養(yǎng)護(hù)
灌漿料之所以能夠在土木工程領(lǐng)域受到技術(shù)人員的認(rèn)可和青睞,其主要原因是由于其具有微膨脹、高的早期和后期強(qiáng)度、不泌水等優(yōu)良性能。而灌漿料的有關(guān)性能發(fā)揮和強(qiáng)度的增長(zhǎng)是需要一定的養(yǎng)護(hù)條件的,所以在灌漿現(xiàn)場(chǎng)要保證灌漿料性能發(fā)展及強(qiáng)度增長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)條件,才能使灌漿料發(fā)揮其最好的性能優(yōu)勢(shì),保證加固效果。
以上都是結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)成功的必要條件。大量工程實(shí)踐證明灌漿料由于其優(yōu)良的性能,加之其工期短施工方便的特點(diǎn),越來越廣泛地用于土木工程的結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。
3、增大截面加固法中水泥基灌漿料應(yīng)用問題分析
3.1灌漿混合料中細(xì)石混凝土配合比不明
在《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中,加固型水泥基灌漿料被分為IV類。由于其具有較好的流動(dòng)度、微膨脹、早期和后期強(qiáng)度較高、無振搗澆筑易施工、施工作業(yè)面小、噪音小等多種優(yōu)勢(shì),目前廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中,如增大截面加固法等。
在《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定:當(dāng)用于普通混凝土或砌體的增大截面時(shí),不得采用純灌漿料,而應(yīng)采用70%灌漿料與30%細(xì)石混凝土混合而成的漿料,且細(xì)石混凝土的粗骨料最大粒徑不應(yīng)大于12.5mm。但是,規(guī)范中沒有明確30%的細(xì)石混凝土的具體要求,目前在實(shí)際施工中常常直接采用在灌漿料內(nèi)添加瓜子片(青石子5~10mm)形成的細(xì)石灌漿料來進(jìn)行施工。
國內(nèi)外關(guān)于水泥基灌漿料的研究大多數(shù)都是灌漿料的組分及外加劑的摻入對(duì)其各項(xiàng)基本性能的影響,也有一些專家學(xué)者對(duì)灌漿料的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究,但是對(duì)于結(jié)構(gòu)加固中所用到的灌漿混合料(灌漿料內(nèi)加入細(xì)石混凝土)的性能研究比較少。
3.2使用灌漿混合料后加固結(jié)構(gòu)表面裂縫問題增加
在實(shí)際的加固施工過程中發(fā)現(xiàn),使用直接添加瓜子片的細(xì)石灌漿料進(jìn)行加固后,構(gòu)件的表面極易出現(xiàn)細(xì)小的裂縫,如圖1所示,對(duì)于裂縫的產(chǎn)生的是否與灌漿混合料的用料方式有關(guān)以及這種施工用料方式是否符合要求甚至可能存在哪些潛在問題都尚不明確。產(chǎn)生的裂縫不僅影響美觀,更有可能會(huì)影響到加固的效果和后期結(jié)構(gòu)的耐久性。
4、水泥基灌漿料在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用措施分析
4.1加強(qiáng)灌漿混合料綜合性能研究,形成科學(xué)用料方案
對(duì)規(guī)范中提及的灌漿料內(nèi)加入細(xì)石混凝土后形成的混合料(稱灌漿混合料)的性能進(jìn)行研究是非常有意義的。要通過試驗(yàn)來研究混合料內(nèi)細(xì)石混凝土中粗骨料的摻量、級(jí)配情況對(duì)灌漿混合料的流動(dòng)性、力學(xué)性能、抗裂性能及耐久性等的影響。研究裂縫的產(chǎn)生是否與混合料內(nèi)粗骨料的使用有關(guān),并找到灌漿混合料性能較好的細(xì)石混凝土的合理施工配合比。通過研究結(jié)果可以為增大截面加固法的施工用料提供有效的數(shù)據(jù)支撐,對(duì)實(shí)際加固工程施工有非常重要的指導(dǎo)意義。
水泥基灌漿料主要包含水泥、膨脹劑、細(xì)集料、保水劑、消泡劑、凝固劑、礦物材料等部分構(gòu)成。其中水泥在整個(gè)灌漿料中占據(jù)重要部分,水泥材料的具體等級(jí)、活性以及品種特征和水泥綜合用量等參數(shù)都會(huì)對(duì)灌漿料應(yīng)用質(zhì)量產(chǎn)生和壓漿材料性能產(chǎn)生直接影響。其中常見水泥材料種類包含硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥以及一般硅酸鹽水泥等材料,或?qū)Σ煌牧线M(jìn)行復(fù)合應(yīng)用。為進(jìn)一步提升灌漿料硬化強(qiáng)度,需要對(duì)水泥等級(jí)進(jìn)行合理選擇,通常是以一般低堿硅酸鹽水泥以及強(qiáng)度等級(jí)超出42.5的低堿硅酸鹽水泥為主,為保障灌漿料維持良好的早期強(qiáng)度,通常是將鋁酸鹽、鋁硫酸鹽等早強(qiáng)水泥和一般硅酸鹽水泥進(jìn)行摻和應(yīng)用。集料應(yīng)用方面,集料相關(guān)細(xì)度模數(shù)以及級(jí)配等級(jí)同樣會(huì)對(duì)灌漿料硬化凝結(jié)后力學(xué)性能以及材料塑性狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。集料顆粒外形還會(huì)影響灌漿材料性能。其中應(yīng)用較為頻繁的集料涵蓋級(jí)配優(yōu)良的石英砂以及天然砂石。保障骨料的均勻級(jí)配,促進(jìn)灌漿料能夠順暢流動(dòng),不會(huì)產(chǎn)生泌水離析等問題,提升整個(gè)材料的操作性能。
4.2添加適量的外加劑,提高灌漿材料抗裂性能
通過試驗(yàn)研究外加劑的種類及摻量對(duì)灌漿料抗裂性能的影響,并找到能夠提高灌漿料抗裂性能的外加劑及其合理摻量;此外,還可以在灌漿混合料內(nèi)添加纖維材料,通過其阻裂作用可明顯減少結(jié)構(gòu)面的收縮開裂,但要注意摻入纖維后對(duì)混合料流動(dòng)度及強(qiáng)度等性能的影響,通過試驗(yàn)找出能夠有效提高灌漿料抗裂性能的纖維種類及合理摻量,對(duì)提高灌漿混合料的抗裂性能有十分重要的意義。
處于水泥用量和混凝土材料用量保持不變背景下,合理應(yīng)用恰當(dāng)減水劑能夠有效縮減水資源用量,提升混凝土綜合強(qiáng)度。在混凝土強(qiáng)度以及和易性不變條件下,可以減少水資源用量。將緩凝劑或是減水劑等材料添加到水泥漿當(dāng)中,能夠?qū)λ酀{整體流動(dòng)性進(jìn)行合理調(diào)節(jié)改善。從微觀層面分析,水泥漿材料中應(yīng)用減水劑主要利用以下形式形成作用。第一是分散化作用,在相關(guān)材料額外加水拌和后,因?yàn)樗嗖牧现胁煌肿宇w粒間所形成的吸引力,使水泥漿轉(zhuǎn)化為一種絮凝結(jié)構(gòu),水泥顆粒內(nèi)包裹部分水,不會(huì)受到漿體自由流動(dòng)的影響。相關(guān)包裹水分也不會(huì)和外部環(huán)境形成接觸,于整個(gè)漿體中處于獨(dú)立形式存在,不會(huì)參與到任何形態(tài)運(yùn)動(dòng)。假如包含減水劑,因其影響,相關(guān)分子顆粒能夠在漿體水泥顆粒表層附著,構(gòu)成基礎(chǔ)帶電體,同種電荷互相排斥,會(huì)進(jìn)一步分散水泥顆粒,破壞絮凝結(jié)構(gòu),相關(guān)釋放水會(huì)跟隨流動(dòng),擴(kuò)大漿體流動(dòng)性。潤滑性方面,所添加減水劑會(huì)在水泥顆粒表層附著,并和其中的水分子形成作用,產(chǎn)生獨(dú)特膜,此類膜擁有獨(dú)特屬性,具有較強(qiáng)潤滑性,能夠進(jìn)一步縮減滑動(dòng)阻力,該種阻力通常形成于不同水泥顆粒之間,隨著阻力下降,使水泥漿整體流動(dòng)性提升。
外加劑主要包含氨基磺酸、萘系、聚羧酸等系列減水劑。而結(jié)合灌漿料的砂漿流動(dòng)損失、干燥收縮率以及整體強(qiáng)度層面入手能夠發(fā)現(xiàn)聚羧酸系列減水劑擁有更好的處理效果。比起氨基、萘系相關(guān)減水劑材料,聚羧酸系的減水劑材料具備較高保坍性能,同時(shí)相對(duì)來講,灌漿材料整體干燥收縮相繼降低,能夠?qū)酀{量整體強(qiáng)度發(fā)揮出相應(yīng)的強(qiáng)化功能。
4.3創(chuàng)新施工工藝,減少裂縫
水泥基灌漿料在正式應(yīng)用于施工前需要率先做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備,對(duì)施工中的各種設(shè)備材料進(jìn)行妥善配備,包括專門灌漿設(shè)備、攪拌裝置以及養(yǎng)護(hù)用具等材料。實(shí)施二次灌漿作業(yè)中,應(yīng)該對(duì)設(shè)備底座周圍和模板之間距離進(jìn)行合理控制,將具體間隔維持在100mm左右,合理控制模板頂層標(biāo)高,不能小于設(shè)備底座上層表面50mm。針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施全面加固改造中,需要在模板支護(hù)環(huán)節(jié)預(yù)留充足排氣孔和灌漿孔,合理控制灌漿孔徑,具體孔徑不能低于50mm,設(shè)置間距控制在1000mm以下。應(yīng)用水泥基灌漿料實(shí)施材料拌和中,需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求水量進(jìn)行加水調(diào)節(jié),盡量選擇機(jī)械攪拌措施。在材料拌和中需要率先添加2/3的水分進(jìn)行3min左右的攪拌,隨后將剩余水量加入其中,充分?jǐn)嚢璧讲牧线_(dá)到均勻狀態(tài),盡量在接近灌漿區(qū)域設(shè)置拌和地點(diǎn)。針對(duì)地腳螺栓實(shí)施灌漿錨固中,在地腳螺栓處于成孔階段內(nèi),相關(guān)螺栓孔壁相對(duì)粗糙,為此需要對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行徹底清理,預(yù)防產(chǎn)生油污以及浮灰等多余雜質(zhì),在正式灌漿施工中用水進(jìn)行8~12h的浸泡處理,對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行徹底清理。灌漿前對(duì)地腳螺栓表層鐵銹和油污實(shí)施全面清除,經(jīng)過充分拌和后在螺栓孔中灌注成品水泥基灌漿料,可以聯(lián)系實(shí)際需求對(duì)螺栓設(shè)置位置進(jìn)行合理調(diào)整,在灌漿施工中禁止出現(xiàn)振搗,可以選擇插搗措施進(jìn)行處理,在結(jié)束灌漿后禁止繼續(xù)調(diào)節(jié)螺栓。針對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)實(shí)施二次灌漿前需要對(duì)和灌漿材料產(chǎn)生接觸的混凝土基礎(chǔ)和底板表層進(jìn)行徹底清理,避免產(chǎn)生油污、浮漿以及碎石等問題,開始灌漿24h前,需要對(duì)混凝土表層實(shí)施充分浸潤,灌漿工作開始1h前將內(nèi)部清水全面清除。灌漿中需要從一側(cè)開始灌注,到另一側(cè)外溢,避免從兩端同步灌漿。一旦開始灌漿操作,便需要保障灌漿連續(xù)性,從最大程度上減少灌漿消耗時(shí)間。如果灌漿距離相對(duì)較長(zhǎng),可以聯(lián)系工程現(xiàn)實(shí)狀況合理分段灌注,將各段灌注長(zhǎng)度控制在5m以下。假如設(shè)備底板結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,可以選擇壓力灌漿方法。灌漿中減少振搗操作,需要時(shí)可以利用灌漿助推器,順著漿體流動(dòng)角度注入灌漿材料,禁止從灌漿層上部或中部開始操作。結(jié)束設(shè)備基礎(chǔ)灌漿后,可以于灌漿料初凝后順著底板邊緣進(jìn)行45°切邊處理,等待初凝后通過抹刀對(duì)灌漿層實(shí)施壓光處理。
在加固施工過程中,通過加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)表面的鑿毛處理,剔除原結(jié)構(gòu)中的缺陷部位,增加灌漿料與原結(jié)構(gòu)的黏結(jié)面積,增強(qiáng)新老界面的粘結(jié)力,來減少裂縫的產(chǎn)生;通過合理選擇灌漿時(shí)間,控制灌漿時(shí)的環(huán)境溫濕度,避免溫度過高或過低時(shí)施工,盡量減少水泥水化熱所引起的溫差裂縫;合理設(shè)計(jì)灌漿方案,嚴(yán)格按流程施工,通過提高加固部分的結(jié)構(gòu)整體性等措施均可以有效減少結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。
4.4做好灌漿施工全過程質(zhì)量控制
施工前做好灌漿材料及灌漿設(shè)備的準(zhǔn)備工作,提前檢查確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)使用,并對(duì)施工技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底并做好相關(guān)培訓(xùn)工作,保證施工人員能夠熟練操作并嚴(yán)格按照灌漿方案進(jìn)行施工。做好灌漿料的選擇及使用前的性能檢驗(yàn),同時(shí)確保灌漿后的養(yǎng)護(hù)條件等,做好灌漿全過程的質(zhì)量控制也可有效減少裂縫的產(chǎn)生。
5、結(jié)語
國內(nèi)外關(guān)于水泥基灌漿料的研究大多集中在灌漿料的組分及外加劑摻合料等對(duì)其各項(xiàng)性能的影響。對(duì)于灌漿料的力學(xué)性能及在結(jié)構(gòu)加固中與混凝土界面的黏結(jié)情況等問題研究較少,隨著灌漿料的廣泛應(yīng)用及施工中出現(xiàn)的一系列問題,工程技術(shù)人員對(duì)于灌漿料的質(zhì)量問題的關(guān)注度也越來越高,對(duì)灌漿料進(jìn)行力學(xué)性能及抗裂性能等方面的研究更是顯得格外重要,對(duì)于灌漿料的使用具有非常重要的指導(dǎo)意義。