膨脹式灌漿卡箍前沿講座

1、膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究石 湘 2013年8月21日膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究試驗研究4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究2、膨脹式自應力灌漿、膨脹式自應力灌漿卡箍短期卡箍短期承載性能的研究承載性能的研究1、研究現狀及意義、研究現狀及意義1、研究現狀及意義、研究現狀及意義1.1 1.1 選題依據選題依據 海洋平臺在服役期間由于各種原因，不可避免的會發(fā)生各種結構損傷，需要對其進行加固。超期服役的老齡平臺也需要進行修復加固以保證其

2、安全運行。 因此需要研究既經濟性又安全性的修復加固措施。當當導管架平臺導管架平臺的損傷部位發(fā)生在水下時，的損傷部位發(fā)生在水下時，自應力灌漿卡箍自應力灌漿卡箍是最常用的修復方法是最常用的修復方法1.1. 研究現狀及意義研究現狀及意義導管架平臺的損傷破壞1.1 1.1 選題依據選題依據1.1. 研究現狀及意義研究現狀及意義自應力灌漿卡箍截面圖自應力灌漿卡箍截面圖自應力灌漿卡箍結構圖自應力灌漿卡箍結構圖租用工程船進行卡箍安裝、灌漿再次租用工程船利用螺栓拉伸器對卡箍施加自應力36小時后螺栓拉伸器螺栓拉伸器傳統自應力灌漿卡箍的施工過程傳統自應力灌漿卡箍的施工過程1.1. 研究現狀及意義研究現狀及意義1.

3、2 1.2 傳統自應力灌漿卡箍的研究現傳統自應力灌漿卡箍的研究現狀狀施工難度大施工難度大施工費用高施工費用高自應力灌漿卡箍在實施上存在的問題自應力灌漿卡箍在實施上存在的問題膨脹式自應力灌漿卡箍膨脹式自應力灌漿卡箍兩次租用工程船并需購置拉伸器及配套的液壓裝置膨脹水泥水泥漿中摻入適量的高效膨脹劑，利用水泥漿硬化后水泥與膨脹劑繼續(xù)水化產生的膨脹變形在灌漿環(huán)/鋼的相互接觸面上產生徑向壓力，以使卡箍獲得自應力優(yōu)點：省去了工程船約一半的時間，提高優(yōu)點：省去了工程船約一半的時間，提高了施工效率，降低了施工費用。了施工效率，降低了施工費用。1.3 1.3 膨脹式自應力灌漿卡箍的原理及研究意義膨脹式自應力灌漿卡

4、箍的原理及研究意義膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀1.4 1.4 膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀在性能上膨脹水泥漿比普通水泥漿難于控制，再加上對這種灌漿材料的長期完整性的質疑阻止了這一技術的海上應用。該技術存在的問題該技術存在的問題Elnashai等對利用高壓灌漿方式獲得自應力的壓力灌漿卡箍進行了試驗研究，而且在大比尺模型試驗中采用了膨脹水泥灌漿；Grundy等對采用膨脹劑的灌漿連接進行了試驗測試，發(fā)現這種灌漿連接有很好的連接滑動強度及疲勞強度；1.1. 研究現狀及意義研究現狀及意義1.5 1.5 混凝土膨脹劑的混凝土膨脹劑的研究現狀研

5、究現狀1.1. 研究現狀及意義研究現狀及意義 我國混凝土膨脹劑開發(fā)應用已有20 多年歷史,先后開發(fā)出四代膨脹劑，其研究與應用已處于世界先進水平。 用膨脹劑配制的補償收縮混凝土、填充用膨脹混凝土和自應力混凝土或砂漿已在土木工程的各個領域得到廣泛應用，但在海洋工程修復加固中的研究和應用都較少。 通過篩選采用了石家莊市功能建材有限公司的FEA100膨脹劑和唐山北極熊建材有限公司CSAII膨脹劑進行了灌漿卡箍的試驗研究。 膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究試驗研究4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的

6、研究、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究1、研究現狀及意義、研究現狀及意義2、膨脹式自應力灌漿、膨脹式自應力灌漿卡箍短期卡箍短期承載性能的研究承載性能的研究卡箍試件結構圖卡箍試件結構圖卡箍試件結構截面圖卡箍試件結構截面圖2.1 2.1 試件試件的設計與制作的設計與制作2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究中間斷開2.2 2.2 灌漿的成分配比灌漿的成分配比2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究膨脹劑膨脹劑 水泥水泥 灌漿灌漿FEA膨脹劑，膨脹劑，CSA膨脹劑膨脹劑 產生膨脹壓力產生膨脹壓力山水牌

7、山水牌PO42.5PO42.5 灌漿的主要成分灌漿的主要成分摻量比摻量比/ %水泥水泥/ g膨脹劑膨脹劑/ g水水/ g8800064038881080008003960128000960403215800012004140其中，水泥漿水灰比0.45。人工灌漿卡箍試件的水下養(yǎng)護卡箍試件的水下養(yǎng)護螺栓長度的測量螺栓長度的測量試件養(yǎng)護：水中養(yǎng)護21天，室內養(yǎng)護7天，共計28天螺栓測量：養(yǎng)護結束，用游標卡尺測量卡箍的螺栓長度2.3 試驗過程受損內管沿灌漿環(huán)受損內管沿灌漿環(huán)/受損內受損內管間的界面發(fā)生相對滑動管間的界面發(fā)生相對滑動滑動承載力試驗：養(yǎng)護完成后，使用萬能試驗機對試件進行承載力測試,測試極限

8、承載力極限承載力。2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究螺栓的張緊力1、膨脹壓力的計算膨脹壓力的計算灌漿環(huán)與受損內管間的壓力螺栓長度的變化滑動承載力滑動應力SxsFfD滑動承載力滑動應力2.4 2.4 測試數據的計算測試數據的計算2 2、滑動應力的計算、滑動應力的計算內管外徑灌漿有效接觸長度2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究2.5 卡箍短期承載性的分析CSA膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑含量膨脹劑含量/%8 8101012121515膨脹壓力膨脹壓力/MPa1.451

9、.451.651.651.571.571.611.612.742.741.971.972.582.583.723.72滑動應力滑動應力/MPa1.21.21.361.361.791.791.161.162.232.231.641.641.791.792.912.91FEA膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑含量膨脹劑含量/%8 8101012121515膨脹壓力膨脹壓力/MPa1.041.040.9360.936 1.4871.4871.51.51.1751.1751.351.351.571.571.141.141.871.871.91.9滑動應力滑動應力/MPa0.83

10、30.8331.21.21.671.671.3961.3961.571.571.81.81.4431.4431.51.52.52.52.32.31.1.測試數據測試數據2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究2.5 卡箍短期承載性的分析2. 2. 膨脹壓力與膨脹劑摻量的關系分析膨脹壓力與膨脹劑摻量的關系分析 2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究2.5 卡箍短期承載性的分析3.7MPa3. 3. 滑動應力與膨脹劑摻量的關系分析滑動應力與膨脹劑摻量的關系分析2.9MPa 由數據分析可知：由數據分析可知：

11、膨脹壓力和滑動應力均隨著摻量的增加而增大，且在摻量膨脹壓力和滑動應力均隨著摻量的增加而增大，且在摻量相同情況下相同情況下CSAII產生的膨脹壓力較產生的膨脹壓力較FEA稍稍大大，2種膨脹劑都種膨脹劑都適合在海洋結構物適合在海洋結構物的修復加固卡箍中應用。的修復加固卡箍中應用。2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究MSL公司提出了適用于傳統自應力灌漿卡箍自應力與滑動應力間關系的設計公式Elnashai等人提出了適用于高壓灌漿壓力與相應的滑動應力間的經驗公式0.950.35S1 0.131 12sssabfcc PTfSFSFDD0 .5sa9gls

12、c ufK CC Cf2.6 實驗數據經驗公式的建立1.1.現有公式：現有公式：2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究2.6 實驗數據經驗公式的建立MSL公式公式CSAII經驗公式經驗公式FEA經驗公式經驗公式摩擦系數膨脹壓力增強系數膨脹壓力徑向剛度系數長度/直徑的系數表面狀況系數水泥的抗壓強度fbuc =5.578KClCsfcu0.5 + CPP 粘結力粘結力摩擦力摩擦力膨脹壓力增強系數 CP=0.645P/P10+0.02 膨脹壓力（摻量10%）CSACSA膨脹劑經驗公式膨脹劑經驗公式2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自

13、應力灌漿卡箍短期承載性能的研究FEAFEA膨脹劑經驗公式修正膨脹劑經驗公式修正由于在試驗測試時存在計量誤差，經過反復理論分析與計算，現對已經建立的經驗公式進行修正，以更好地與實驗數據擬合。FEA膨脹劑的膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式：fbuc=5.3KClCsfcu0.5+ CPP CP=0.597P/P10+0.57膨脹壓力增強系數膨脹壓力增強系數：2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究2.7 2.7 小結小結1.1.CSA膨脹劑與膨脹劑與FEAFEA膨脹劑適合在海洋結構物的修復加固卡箍中應用膨脹劑適合在海洋結構物的修復加固卡箍中應用2.2

14、.建立了適用于建立了適用于CSA膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式3.3.修正了適用于修正了適用于FEAFEA膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式2 2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究試驗研究4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究1、研究現狀及意義、研究現狀

15、及意義3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀由于對這種卡箍長期承載性能存有疑慮，致使這項新技術沒有在工程實踐中得的應用。Elnashai等對利用高壓灌漿方式獲得自應力的壓力灌漿卡箍進行了試驗研究，而且在大比尺模型試驗中采用了膨脹水泥灌漿；Grundy等對采用膨脹劑的灌漿連接進行了試驗測試，發(fā)現這種灌漿連接有很好的連接滑動強度及疲勞強度；3 3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究研究對象卡箍的灌漿為純水泥漿，在長期預應力下灌漿環(huán)會產生徐變松弛，減弱前

16、期膨脹產生的預應力，從而降低卡箍的長期承載性能3.1 3.1 膨脹劑的性能對長期承載性能的影響膨脹劑的性能對長期承載性能的影響FEA100對長期承載性能的影響在前期，在前期，使使自應力灌漿卡箍迅速獲得大量的自應力灌漿卡箍迅速獲得大量的膨脹壓力并能夠長時間維持膨脹壓力并能夠長時間維持在后期，氧化鈣水化反應能夠提高灌漿環(huán)的在后期，氧化鈣水化反應能夠提高灌漿環(huán)的致密度，提高灌漿環(huán)和內管之間的摩擦力和化致密度，提高灌漿環(huán)和內管之間的摩擦力和化學粘結力，進而提高長期滑動承載力學粘結力，進而提高長期滑動承載力FEA100膨脹劑的性能利于卡箍的長期承載性能3 3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究、膨脹

17、式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究卡箍試件結構圖卡箍試件結構圖卡箍試件結構截面圖卡箍試件結構截面圖3.2 3.2 試件試件的設計與制作的設計與制作3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究中間斷開 3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究3.3 3.3 灌漿的成分配比灌漿的成分配比 灌漿膨脹劑水泥粉煤灰FEA100全補償型膨脹劑產生膨脹壓力山水牌PO42.5灌漿的主要成分二級粉煤灰改善灌漿的工作性能各個試件的詳細灌漿成分表各個試件的詳細灌漿成分表試件養(yǎng)護：水中養(yǎng)護358天，室內養(yǎng)護7天，共計1年卡箍試件的滑動承載力測試卡箍試件的滑動承載力測試3.4 3.4 試驗過程試驗過程3

18、. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究卡箍的破壞形式卡箍的破壞形式受損內管沿灌漿環(huán)受損內管沿灌漿環(huán)/ /受損內受損內管間的界面發(fā)生相對滑動管間的界面發(fā)生相對滑動卡箍試件的水下養(yǎng)護卡箍試件的水下養(yǎng)護螺栓長度的定期測量螺栓長度的定期測量螺栓測量：養(yǎng)護期間，定期測量卡箍的螺栓長度滑動承載力試驗：養(yǎng)護完成后，使用萬能試驗機對試件進行承載力測試內管所受膨脹壓力的長期測試結果內管所受膨脹壓力的長期測試結果3.5 3.5 膨脹壓力的長期監(jiān)測膨脹壓力的長期監(jiān)測 3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究12%10%15%膨脹壓力前7天迅速獲得大部分的膨脹壓力1年時間內膨脹壓力整體保持穩(wěn)定摻加

19、了FEA100的灌漿有著良好的長期膨脹性能3.6 3.6 長期滑動應力和長期膨脹壓力的試驗測試長期滑動應力和長期膨脹壓力的試驗測試 3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究卡箍試件的長期滑動應力和長期膨脹壓力卡箍試件的長期滑動應力和長期膨脹壓力最大膨脹最大膨脹壓力壓力最大滑動最大滑動應力應力15%膨脹劑摻量達到最大長期膨脹壓力和滑動應力3.7 3.7 長期膨脹壓力分析及與短期膨脹壓力對比長期膨脹壓力分析及與短期膨脹壓力對比 3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究長期膨脹長期膨脹壓力均值壓力均值短期膨脹短期膨脹壓力均值壓力均值卡箍長期試件與短期試件的膨脹壓力卡箍長期試件與短

20、期試件的膨脹壓力平均長期膨脹壓力與短期膨脹壓力對比平均長期膨脹壓力與短期膨脹壓力對比最高增長最高增長率率長、短期膨脹壓力對比長期膨脹壓力比短期平均增長35.8%膨脹劑摻量15%的長期膨脹壓力增長率最高 長期膨脹壓力高于短期膨脹壓力3.83.8 長期滑動應力分析及與短期滑動應力對比長期滑動應力分析及與短期滑動應力對比3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究最高增最高增長率長率卡箍長期試件與短期試件的滑動應力卡箍長期試件與短期試件的滑動應力長、短期滑動應力對比長期滑動應力比短期平均增長35.9%膨脹劑摻量8%的長期滑動應力增長率最高 滑動應力增長率隨膨脹劑摻量增加呈下降趨勢長期滑動應力高

21、于短期滑動應力平均長期滑動應力與短期滑動應力對比平均長期滑動應力與短期滑動應力對比短期滑動短期滑動應力均值應力均值長期滑動長期滑動應力均值應力均值 3.3. 長期承載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究3.9 3.9 長期滑動承載力高于短期滑動承載力的原因分析長期滑動承載力高于短期滑動承載力的原因分析滑動承載力由灌漿環(huán)內表面與內管外表面之間的化學粘結力和摩擦力兩部分構成長期高于短期的原因 FEA膨脹劑中的氧化鈣成分能夠增加灌漿環(huán)的長期密實性，從而增加了界面之間的化學粘結力卡箍結構（包括密封結構）對灌漿膨脹的良好限制作用有利于長期膨脹壓力的形成和積累，進而提高了界面之間的摩擦力 3.3. 長期承

22、載性能的試驗研究長期承載性能的試驗研究 小結小結小結試驗結果原因分析結論長期承載性能優(yōu)于短期承載性能膨脹劑中的氧化鈣成分對灌漿環(huán)長期密實性的提高卡箍結構對灌漿膨脹的良好限制作用膨脹式自應力灌漿卡箍的長期承載性能并沒有受到灌漿收縮徐變的不利影響，反而具有很好的長期承載能力和耐久性，適合在海洋結構物的修復加固中進行工程應用膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究試驗研究3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究1、研究現狀及意義、研究現狀及意義4、膨

23、脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究主要內容主要內容4.1 4.1 新舊型自應力灌漿卡箍的結構對比新舊型自應力灌漿卡箍的結構對比4.2 4.2 新型自應力灌漿卡箍的試驗數據分析新型自應力灌漿卡箍的試驗數據分析4.3 4.3 當前試驗總結與展望當前試驗總結與展望4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構4.1 4.1 新舊自應力灌漿卡箍的結構對比新舊自應力灌漿卡箍的結構對比傳統型卡箍（長螺栓）傳統型卡箍（長螺栓） 新型卡箍（短螺栓）新型卡箍（短螺栓） 通過結構對比可以直觀的看出：新型卡箍結構具有用鋼量少，軸向密封性好以及裝配簡單的優(yōu)點。4、膨脹式自應力

24、灌漿卡箍新結構、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構4.2 4.2 新型自應力灌漿卡箍的試驗分析新型自應力灌漿卡箍的試驗分析新型新型卡箍的滑動承載力測試卡箍的滑動承載力測試4.2 4.2 新型自應力灌漿卡箍的試驗分析新型自應力灌漿卡箍的試驗分析1 目前新型卡箍已測的試驗數據總結目前新型卡箍已測的試驗數據總結細長比FEA膨脹劑含量1234平均平均滑動應力1.6710%139.5101111119.5117.81.9312%138124136.5126131.12.1515%145.5154.3161137149.52.451.3010%678410

25、110388.81.8715%94102.5138151121.42.561.02(待測)10%15%15%FEA膨脹劑摻量下的新型卡箍由應變值測得的膨脹壓力(MPa)水平位置垂直位置2.85.34.2 4.2 新型自應力膨脹卡箍的試驗分析新型自應力膨脹卡箍的試驗分析2 不同不同FEA膨脹劑摻量下新型卡箍滑動承載力數據對比膨脹劑摻量下新型卡箍滑動承載力數據對比總結：在同細長比下，隨著膨脹劑含量的增加而抗拉能力增總結：在同細長比下，隨著膨脹劑含量的增加而抗拉能力增加即滑動承載力變大。加即滑動承載力變大。117.8131.1149.588.8121.48010012014016010%12%15%

26、極限拉力（極限拉力（KN）不同不同FEAFEA膨脹劑摻量的卡箍抗拉對比膨脹劑摻量的卡箍抗拉對比細長比1.67細長比1.30 FEA膨脹劑摻量 卡箍類型10%12%15%新型卡箍平均滑動承載力(KN)117.8131.1149.5傳統型卡箍平均滑動承載力(KN)90.498.9128.215%FEA膨脹劑摻量由應變值測得的膨脹壓力(MPa)由螺栓長度測得的膨脹壓力(MPa)水平位置垂直位置新型2.85.3-傳統型1.48-1.784.2 4.2 新型自應力膨脹卡箍的試驗分析新型自應力膨脹卡箍的試驗分析3 新型與傳統型卡箍新型與傳統型卡箍膨脹壓力以及滑動承載力對比膨脹壓力以及滑動承載力對比無論是從膨脹壓力還是滑動承載力方面，試驗數據顯示新型卡箍均優(yōu)于傳無論是從膨脹壓力還是滑動承載力方面，試驗數據顯示新型卡箍均優(yōu)于傳統型卡箍。統型卡箍。在膨脹劑在膨脹劑摻量摻量同為同為15%的條件下，新型卡箍的條件下，新型卡箍的的膨脹壓力均膨脹壓力均大于大于傳統型卡箍傳統型卡箍的膨脹壓力。的膨脹壓力?；瑒?/p>