膨脹式灌漿卡箍前沿講座

膨脹式灌漿卡箍前沿講座第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究4、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2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究1、研究現狀及意義主要內容1、研究現狀及意義第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二1.1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。當導管架平臺的損傷部位發(fā)生在水下時，自應力灌漿卡箍是最常用的修復方法1.

研究現狀及意義導管架平臺的損傷破壞第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二1.1選題依據1.

研究現狀及意義自應力灌漿卡箍截面圖自應力灌漿卡箍結構圖第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二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2836小時后螺栓拉伸器傳統(tǒng)自應力灌漿卡箍的施工過程1.

研究現狀及意義1.2傳統(tǒng)自應力灌漿卡箍的研究現狀施工難度大施工費用高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，提高了施工效率，降低了施工費用。1.3膨脹式自應力灌漿卡箍的原理及研究意義第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二膨脹式自應力灌漿卡箍的研究現狀1.4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.

研究現狀及意義第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二1.5混凝土膨脹劑的研究現狀1.

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。

第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究4、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1、研究現狀及意義主要內容2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二卡箍試件結構圖卡箍試件結構截面圖2.1試件的設計與制作2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究中間斷開第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.2灌漿的成分配比2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究膨脹劑

水泥

灌漿FEA膨脹劑，CSAⅡ膨脹劑

產生膨脹壓力山水牌PO42.5

灌漿的主要成分摻量比/%水泥/g膨脹劑/g水/g8800064038881080008003960128000960403215800012004140其中，水泥漿水灰比0.45。人工灌漿第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二卡箍試件的水下養(yǎng)護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,測試極限承載力。2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二螺栓的張緊力1、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滑動承載力滑動應力2.4測試數據的計算2、滑動應力的計算內管外徑灌漿有效接觸長度2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.5卡箍短期承載性的分析CSAⅡ膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑含量/%8101215膨脹壓力/MPa1.451.651.571.612.741.972.583.72滑動應力/MPa1.21.361.791.162.231.641.792.91FEA膨脹劑不同摻量下的試驗數據膨脹劑含量/%8101215膨脹壓力/MPa1.040.9361.4871.51.1751.351.571.141.871.9滑動應力/MPa0.8331.21.671.3961.571.81.4431.52.52.31.測試數據2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.5卡箍短期承載性的分析2.膨脹壓力與膨脹劑摻量的關系分析

2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.5卡箍短期承載性的分析3.7MPa3.滑動應力與膨脹劑摻量的關系分析2.9MPa

由數據分析可知：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CSAII產生的膨脹壓力較FEA稍大，2種膨脹劑都適合在海洋結構物的修復加固卡箍中應用。2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二MSL公司提出了適用于傳統(tǒng)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2.6實驗數據經驗公式的建立1.現有公式：2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.6實驗數據經驗公式的建立MSL公式CSAII經驗公式FEA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

粘結力摩擦力膨脹壓力增強系數

CP=0.645P/P10+0.02

膨脹壓力（摻量10%）CSA膨脹劑經驗公式2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二FEA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+CPPCP=0.597P/P10+0.57膨脹壓力增強系數：2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二2.7小結1.CSAⅡ膨脹劑與FEA膨脹劑適合在海洋結構物的修復加固卡箍中應用2.建立了適用于CSAⅡ膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式3.修正了適用于FEA膨脹劑的灌漿膨脹壓力與滑動應力間關系的經驗公式2、膨脹式自應力灌漿卡箍短期承載性能的研究第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究4、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1、研究現狀及意義主要內容3、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二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、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，減弱前期膨脹產生的預應力，從而降低卡箍的長期承載性能第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二3.1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，使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√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、膨脹式自應力灌漿卡箍長期承載性能的研究第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二卡箍試件結構圖卡箍試件結構截面圖3.2試件的設計與制作3.長期承載性能的試驗研究中間斷開第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二

3.長期承載性能的試驗研究3.3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第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二試件養(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3.4試驗過程3.長期承載性能的試驗研究卡箍的破壞形式受損內管沿灌漿環(huán)/受損內管間的界面發(fā)生相對滑動卡箍試件的水下養(yǎng)護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第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二內管所受膨脹壓力的長期測試結果3.5膨脹壓力的長期監(jiān)測

3.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)定摻加了FEA100的灌漿有著良好的長期膨脹性能第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二3.6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卡箍試件的長期滑動應力和長期膨脹壓力最大膨脹壓力最大滑動應力15%膨脹劑摻量達到最大長期膨脹壓力和滑動應力第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二3.7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膨脹壓力均值短期膨脹壓力均值卡箍長期試件與短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最高增長率長、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第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二3.8

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最高增長率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于短期滑動應力平均長期滑動應力與短期滑動應力對比短期滑動應力均值長期滑動應力均值第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二

3.

長期承載性能的試驗研究3.9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第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二

3.

長期承載性能的試驗研究

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第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二膨脹式自應力灌漿卡箍承載性能的試驗研究3、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1、研究現狀及意義主要內容4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構的研究第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二主要內容4.1新舊型自應力灌漿卡箍的結構對比4.2新型自應力灌漿卡箍的試驗數據分析4.3當前試驗總結與展望4、膨脹式自應力灌漿卡箍新結構第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期二