高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋鋼絲網(wǎng)加固技術(shù)和方法的研究

高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋鋼絲網(wǎng)加固技術(shù)和方法的研究*

姜博1肖力光1洪思鳴2

(1:吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130118；2:吉林省機械設(shè)備成套局，長春130051)

摘要：混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題一直是土木工程領(lǐng)域中亟待解決的重要課題.本文針對混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和方法其各自的特點和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析和研究.HPFL(高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋鋼絲網(wǎng))加固法具有加固效果好、耐久性好、耐火性好、成本低、環(huán)保節(jié)能性好、可操作性能強、施工高效便捷等技術(shù)特點和優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：混凝土；加固技術(shù)和方法；高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋鋼絲網(wǎng)

收稿日期：2014-12-30.

作者簡介：姜博(1988~),女,吉林省長春市人,在讀碩士研究生.

基金項目：*國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAJ05B03)；吉林省科技發(fā)展計劃重大攻關(guān)項目(20130204009SF).

中圖分類號：TU 5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on High Performance Composite Mortar Reinforced Steel Mesh Reinforcement Techniques and Methods

JIANG Bo1，XIAO Li-guang1，HONG Si-ming2

(1:SchoolofMaterialandEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118

2:JilinProvinceBureauforGompletePdnntsofMachineryandEquipment,Changchun,China130051)

Abstract：Problems durability of concrete structure has been an important topic in the field of civil engineering problems to be solved, aiming at concrete structure reinforcement techniques and methods of their respective characteristics and applications are analyzed and studied. HPFL (high performance composite mortar reinforced steel mesh) reinforcement method has reinforcing effect, durability, fire resistance, low cost, environmentally friendly energy, and can be a strong operating performance, efficient and convenient construction and other technical characteristics and advantages, has broad application prospects.

Keywords:concrete；reinforcement technique and method；high performance composite mortar reinforced steel mesh

0引言

混凝土結(jié)構(gòu)具有抗壓強度高、耐火性能好、原材料來源廣、成本較低廉等優(yōu)勢，是土木工程領(lǐng)域中應(yīng)用范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式.混凝土材料又是以超過100億t/年的使用量成為目前全世界用量最大的工程材料[1].隨著混凝土材料的廣泛應(yīng)用，大量的混凝土結(jié)構(gòu)由于工程設(shè)計、現(xiàn)場施工、自然災(zāi)害等諸多因素的影響而達(dá)不到預(yù)定服役年限[2]，所以既有建筑混凝土的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是目前建筑領(lǐng)域的研究熱點.

1混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和方法

新型混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和方法主要有[5]：①聚合物浸漬混凝土加固技術(shù)，該技術(shù)可顯著提高既有構(gòu)件的抗?jié)B性和耐化學(xué)腐蝕性能；②玻璃鋼加固法，強度高、耐腐蝕性能好，適用于大壩、港口和水力發(fā)電站等水利工程；③碳纖維加固法，高強高效、施工方便快捷且質(zhì)量易保證，但碳纖維昂貴、造價高，不利于工程推廣.

2高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)鋼絲網(wǎng)(HPFL)加固方法的研究

2.1　HPFL及工作原理

HPFL(高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋鋼絲網(wǎng))是一種典型復(fù)合材料，高性能復(fù)合砂漿與鋼筋鋼絲網(wǎng)這兩種不同性質(zhì)的材料在加固中的作用主要是鋼筋網(wǎng)提高結(jié)構(gòu)的承載力，復(fù)合砂漿層起保護(hù)和錨固作用.

HPFL主要是在混凝土結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)鋼筋鋼絲網(wǎng)，然后壓抹、灌注或噴射水泥復(fù)合砂漿，使其與原結(jié)構(gòu)良好的共同工作，提高混凝土構(gòu)件的承載力.HPFL是一種具有較高強度和韌性的薄壁結(jié)構(gòu)，廣泛適用于橋涵、隧道、建筑物、構(gòu)筑物等各種工程類型以及矩形、圓形、曲面等結(jié)構(gòu)形狀中.

實驗研究表明，當(dāng)HPFL中鋼絲網(wǎng)含鋼量達(dá)到400kg/m3以上時，鋼絲網(wǎng)砂漿的特性與普通水泥砂漿的特性將產(chǎn)生很大的差別，這種彈性材料幾乎勻質(zhì)，具有較好的彈性、韌性、抗裂性和抗?jié)B性，可大幅度提高結(jié)構(gòu)的耐久性；也克服了普通鋼筋混凝土中因開裂而導(dǎo)致的鋼筋強度不能充分被利用的問題.良好的配筋分散性加之小粒徑的骨料更是很好地避免了這一點.

2.2　HPFL加固法的研究現(xiàn)狀

HPFL的研究可追溯到上世紀(jì)中葉，1987年，Irons和Romualdi正式提出了將鋼絲網(wǎng)水泥用于工程修復(fù)方面，隨后在工程中被廣泛應(yīng)用.美國混凝土協(xié)會(ACI)[6]于1988年出臺的第549號文件中正式介紹了鋼絲網(wǎng)水泥的設(shè)計、修復(fù)和建造；2004年出臺了現(xiàn)行規(guī)范《5468-04:Concrete Repair Guide》；2008年出版了《Concrete Repair Manual》的第三版；2009年頒布了《549.18-93:Guide for the Design,Construction & Repair of Ferrocement》關(guān)于鋼絲網(wǎng)砂漿的設(shè)計、建造與維修指南.

隨著研究的不斷深入，A.Masood等[7]人對養(yǎng)護(hù)環(huán)境不同的水泥板進(jìn)行了試驗.通過對比三種不同環(huán)境下(正常澆注與養(yǎng)護(hù)、正常澆注與鹽水養(yǎng)護(hù)和鹽水澆注與鹽水養(yǎng)護(hù))摻量20%粉煤灰的水泥板與空白水泥板強度的變化，粉煤灰水泥板比空白水泥板的極限荷載分別為小10.8%～11.8%,大2.3%～3.5%,大2.2%～3.7%.在試件參數(shù)相同情況下，后兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的水泥板要比第一種的開裂荷載小6.2%～28.9%，極限荷載小2.2%～32.5%.

Abdel Tawab等[8]提出使用U型鋼絲網(wǎng)水泥復(fù)合材料來增強鋼筋混凝土梁作為永久性建筑構(gòu)件，并對該方法進(jìn)行了可行性和有效性的研究.該學(xué)者采用3種鋼絲網(wǎng)水泥形式來增強混凝土強度：鋼絲網(wǎng)、網(wǎng)格間距為X8的鋼絲網(wǎng)和網(wǎng)格間距為EX156的鋼絲網(wǎng).實驗結(jié)果表明，預(yù)制鋼絲網(wǎng)水泥代替了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土，大幅度提高了構(gòu)件的極限荷載和抗裂性能.

螺栓在使用過程中，由于受力張拉、螺栓變形、螺帽松動等原因造成托架連接松動，而托架角鋼的剛度又較小，上螺栓在變形過程中在承受拉力和剪力的同時，還要承受對螺栓性能影響最大的彎曲作用，從而降低了螺栓的使用壽命和耐久性[3]。

與此同時，國內(nèi)學(xué)者對高性能鋼絲網(wǎng)砂漿也進(jìn)行了大量研究.主要研究成果如下：蔣隆敏在采用HPFL加固9根近似足尺偏心受壓柱的試驗研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)被加固偏心柱的承載力有較大幅度提高，在相同加固條件下，小偏心受壓柱加固后承載力提高幅度大于偏心柱，強度等級較低的偏壓柱加固效果更好，原構(gòu)件的延性得到了明顯改善，變形能力和耗能也有顯著提高；羅利波采用高性能水泥復(fù)合砂漿對14根簡支梁和5根伸臂梁進(jìn)行了抗剪加固的試驗，分析了剪跨比、鋼筋網(wǎng)配箍率、加固形式以及持荷狀態(tài)等因素對簡支梁抗剪承載力的影響，并在試驗的基礎(chǔ)上提出了加固梁的受剪承載力公式.另外，在考慮影響界面抗剪強度的因素后，建立了界面抗剪強度的計算公式；由湖南大學(xué)尚守平等人主編的《高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 242-2008)己經(jīng)頒布，對促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用；熊光晶等人認(rèn)為雖然鋼絲網(wǎng)砂漿有如上等優(yōu)點，但由于鋼絲網(wǎng)截面積小，因而只適用于加固受力較小的構(gòu)件.為了解決這一難題，吳小勇等[9]人做了18根直徑為105mm、高為450mm的素混凝土圓柱，養(yǎng)護(hù)28d后對不同偏心距受力破壞的不同過程進(jìn)行了研究：偏心距分別為0mm，19mm和38mm；對應(yīng)的鋼筋網(wǎng)砂漿加固柱的承載力分別為702.0kN,551.7kN和379.8kN；對應(yīng)的鋼筋鋼絲網(wǎng)砂漿加固柱的承載力分別為840.7kN,644.5kN和521.1kN.結(jié)果表明承載力相對值分別提高了19.8%，16.8%和37.2%.由此可知，影響混凝土柱承載力的主要因素為偏心距，鋼筋鋼絲網(wǎng)砂漿比鋼筋網(wǎng)砂漿能更有效地將環(huán)向應(yīng)力分布于構(gòu)件表層，更利于小偏心受壓構(gòu)件緩慢降低極限承載力.

2.3　HPFL的性能研究

(1)HPFL的抗拉力學(xué)性能.P.Desayi等人在可靠度理論的基礎(chǔ)上做了大量鋼絲網(wǎng)砂漿構(gòu)件軸向拉伸的試驗，并推導(dǎo)出了公式.Walkus對鋼絲網(wǎng)砂漿構(gòu)件進(jìn)行了單軸長期荷載試驗，結(jié)果與短期荷載試驗相比，構(gòu)件的徐變在彈性階段表現(xiàn)并不顯著，而在塑性階段是控制裂縫寬度的關(guān)鍵.他對鋼絲網(wǎng)砂漿、混凝土和鋼筋混凝土在受拉時應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點進(jìn)行了對比：隨著拉伸荷載的增大，鋼絲網(wǎng)砂漿與鋼筋混凝土微裂縫的數(shù)量都有所上升，但裂縫的寬度和間距有所降低，由于良好的配筋分散性使得砂漿漿體勻質(zhì)，因而鋼絲網(wǎng)砂漿具有良好的阻裂性能.

(2)HPFL的極限彎曲承載力.ACI一直推薦按照“平面變形假設(shè)”對鋼絲網(wǎng)砂漿的極限彎曲承載力進(jìn)行計算.計算時假定砂漿受壓區(qū)最外緣應(yīng)變?yōu)?.003，用試算法求得各層鋼絲應(yīng)變，并假定受拉鋼絲屈服后，應(yīng)力等于屈服強度值；Mansur針對幾位研究者的試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)實測彎曲承載力要比平面變形假設(shè)法的計算結(jié)果大，二者的比值為1.21；熊光晶認(rèn)為實測承載力高于焊接鋼絲網(wǎng)砂漿計算承載力，主要原因之一是由于計算時采用的平面變形假設(shè)是不成立的.應(yīng)該基于矩形應(yīng)力分布假設(shè)并結(jié)合鋼絲極限強度的彎曲承載力進(jìn)行彎曲承載力計算，此法的計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相符.

(3)HPFL的抗剪性能.當(dāng)混凝土構(gòu)件主要受豎向荷載作用控制時，HPFL高強的抗剪能力能夠保證與既有混凝土構(gòu)件保持良好的整體工作性能.影響抗剪性能的因素有很多，如荷載的作用位置、構(gòu)件的截面尺寸形狀、作用軸力的大小等.王月紅的研究表明，用HPFL加固RC簡支梁的抗剪極限承載力能提高95%以上；Deasay對鋼筋網(wǎng)水泥的抗剪強度以及性能的研究結(jié)果表明：提高腹剪彎剪的破壞荷載和開裂荷載最有效辦法是降低剪跨比或增加鋼筋網(wǎng)片的數(shù)量，均勻的鋼筋網(wǎng)片分布有助于腹剪和彎剪的應(yīng)力提高；Aurellado對混凝土T型梁的加固進(jìn)行了抗剪性能的研究[10]，該學(xué)者選取的7根梁中1根為標(biāo)準(zhǔn)梁，其余6根為反向簡支梁，跨中施加大小相同的集中荷載.再用3.6%～36%和4.8%～48%的理論極限荷載反復(fù)作用后得出結(jié)論：該加固層與既有混凝土梁共同工作性能的強度和剛度都有大幅度的提高.

(4)HPFL的耐久性.部分研究者認(rèn)為HPFL的抗?jié)B性與普通混凝土相同，而實驗研究表明抗?jié)B性會隨著骨料粒徑的減小呈指數(shù)上升趨勢.HPFL的骨料粒徑平均小于2mm，比普通混凝土骨料粒徑小得多，且水泥漿的抗?jié)B性是普通混凝土的100倍，事實證明鋼絲網(wǎng)砂漿的耐久性遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土.加之具有很好的鋼筋分散性，阻裂性能和韌性也得到大幅度提高.在惡劣的水利工程環(huán)境中也倍受青睞，我國的鋼絲網(wǎng)砂漿船曾經(jīng)達(dá)到過300萬噸重.

Xiong等[11-12]人考慮到鋼絲網(wǎng)水泥大部分應(yīng)用于惡劣的水環(huán)境中，專門在酸性條件下對其彎曲疲勞性能進(jìn)行了研究.對比構(gòu)件在酸性環(huán)境與普通環(huán)境下的P-S-N曲線(破壞概率一應(yīng)力水平一疲勞壽命曲線)并沒有明顯的不同.在經(jīng)受2×106次荷載后不壞的構(gòu)件再經(jīng)受靜載進(jìn)行破壞，與空白試件對比可知其極限荷載并沒有受到影響，這說明受壓區(qū)的砂漿和受拉區(qū)的鋼絲基本上沒有受到腐蝕.

混凝土是典型的脆性構(gòu)件，由于體積穩(wěn)定性不良等因素使其極容易產(chǎn)生裂縫.HPFL中摻入一定量的PP纖維，對微裂縫的控制效果非常明顯.Nemkumar Banthia[13]對纖維增強混凝土作為一種加固補強的材料進(jìn)行了研究，通過壓力滲透法測得其滲透率明顯低于普通混凝土，通過對纖維擴(kuò)散和腐蝕的控制實驗測得纖維對水泥基體還有增強耐久性能的作用.

根據(jù)向榮等人的研究結(jié)論，影響混凝土構(gòu)件裂縫寬度的主要因素是鋼絲與砂漿之間的滑移.在荷載作用相同的情況下，增大鋼筋網(wǎng)比表面積，減小鋼筋網(wǎng)與砂漿之間的滑移，即減小了裂縫的寬度.由于越靠近鋼筋、鋼筋網(wǎng)處的裂縫越窄，在等截面代換條件下，數(shù)量多的鋼筋網(wǎng)約束力明顯大于直徑大的鋼筋，因此鋼筋網(wǎng)的抗裂性能明顯大于鋼筋.

HPFL加固法所用的高性能水泥復(fù)合砂漿是以耐火性能好的硅酸鹽水泥為主要成分的無機膠凝材料.影響高性能水泥復(fù)合砂漿熱工性的主要因素有：①水泥基體的導(dǎo)熱系數(shù).為了簡化其他因素對導(dǎo)熱系數(shù)離散度和變異性的影響，歐洲設(shè)計規(guī)范根據(jù)混凝土不同骨料的類型給出了以下導(dǎo)熱計算公式：硅質(zhì)骨料當(dāng)20℃≤T≤1200℃時，λc=2-0.24T/120+0.012(T/120)2；鈣質(zhì)骨料當(dāng)20℃≤T≤1200℃時，λc=1.6-0.16T/120+0.008(T/120)2；輕質(zhì)骨料當(dāng)20℃≤T≤800℃時，λc=1.0-T/1600，當(dāng)800℃≤T≤1200℃時，λc=0.5.導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高有所減小；②質(zhì)量熱容或比熱容.骨料種類為影響質(zhì)量熱容或比熱容大小的最主要的因素，對此歐洲設(shè)計規(guī)范給出了統(tǒng)一的算式[14]：Cc=900+80(T/120)-4(T/120)2，20℃≤T≤1200℃，質(zhì)量熱容隨溫度的升高而增大；③質(zhì)量密度.由于混凝土基體受熱膨脹，體積增大質(zhì)量密度減小，這一現(xiàn)象常取2000kg/m3～2400kg/m3時，質(zhì)量密度與溫度無關(guān)，做常值處理.

3結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法很多，每種加固方法都有其各自的優(yōu)勢和不足，應(yīng)根據(jù)對混凝土結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果和工程現(xiàn)場的實際情況來選擇適合的加固方法.HPFL具有加固效果好、耐久性好、耐火性好、經(jīng)濟(jì)效益好(僅是碳纖維與環(huán)氧樹脂的1/15～1/30，加固材料的成本降低75%以上)、環(huán)保節(jié)能性好、可操作性能強、施工高效便捷、無需現(xiàn)場固定設(shè)施和大型機械等技術(shù)特點和優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊，將會成為主流加固方法之一.

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