一種對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構的製作方法

2023-09-18 23:59:10 1

本發明涉及現有建築結構的維修加固技術領域，具體地說是一種複合加固層與原混凝土梁能夠協調工作且截面尺寸變化小、對結構淨空和外觀影響小、整體抗震性能好的對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構。

背景技術：

由於材料老化、環境侵蝕等自然因素，施工出錯、偷工減料等人為因素，功能要求改變以及火災、地震等災害作用，大量房屋需要改造。若採取推倒重建的方式，耗資巨大為我國目前經濟情況所不容，較合理的方式是在正確評價的基礎上，進行維修加固。因此，既有建築結構的維修、加固是目前各國都十分關注的問題。

目前廣泛採用的建築結構加固方法主要有：混凝土受拉區增補鋼筋法；施加體外預應力法；增加構件截面法；外包鋼加固法；粘鋼加固法；外貼FRP加固法。這些加固方法從一定程度上可以提高結構的承載力，提高抗震性能，但各有不足:施加體外預應力法、外包鋼加固法由於錨固節點區受力複雜，構造處理比較困難，因而對施工要求比較高；受拉區增補鋼筋、粘鋼加固法由於鋼材外露易鏽蝕所以無法應用於溼度較大的地區；增加構件截面法雖然不存在節點處理複雜和鋼材鏽蝕的問題，但是截面高度增加會影響美觀以及結構淨空；目前廣泛應用的FRP加固法雖然施工方便，但是由於FRP本身延性較差，故易發生FRP端部的剝離破壞，實際使用率僅為30%，並且加固後的結構變形性能下降，不利於地震作用下的耗能。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種複合加固層與原混凝土梁能夠協調工作且截面尺寸變化小、對結構淨空和外觀影響小、整體抗震性能好的對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構。

本發明的目的是通過以下技術方案解決的：

一種對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構，包括原混凝土梁結構層，其特徵在於：所述原混凝土梁結構層的四周設有剪切銷釘，剪切銷釘上設置鋼筋網且兩者構成增強體，在原混凝土梁結構層、剪切銷釘、鋼筋網三者的間隙及鋼筋網外塗抹覆蓋有纖維增強高阻尼聚合物混凝土作為基體，在作為基體的纖維增強高阻尼聚合物混凝土外粘貼有碳纖維布，纖維增強高阻尼聚合物混凝土、剪切銷釘、鋼筋網和碳纖維布構成複合加固層。

所述的纖維增強高阻尼聚合物混凝土包括內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土、中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土和外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土，塗抹內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土以保證鋼筋網與原混凝土梁結構層的骨料面之間的空隙填實；塗抹中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土以保證鋼筋網被完全覆蓋；塗抹外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土以保證纖維增強高阻尼聚合物混凝土基體的三層厚度到達設計厚度。

所述纖維增強高阻尼聚合物混凝土的設計厚度為25mm-50mm。

所述的內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土塗抹前需要在原混凝土梁結構層的骨料面上塗抹環氧膠粘劑製成的界面劑。

所述纖維增強高阻尼聚合物混凝土的材料組分包括：水泥、水、粉煤灰、砂、聚合物添加劑、纖維和高效減水劑、消泡劑、分散劑，其中按質量比為水泥：水：粉煤灰：砂=1：（0.45～0.70）：（0.50～1.20）：（1.00～2.20）選擇水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥和粉煤灰質量用量的7～16%選取聚合物添加劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.8～1.8%選取高效減水劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.5%～1.2%選取消泡劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.15～0.32%選取分散劑，纖維為PVA纖維，按水、水泥、粉煤灰及砂的總體積的0.8%～2.5%選取PVA纖維；將上述原料按比例配置後攪拌均勻即可得到纖維增強高阻尼聚合物混凝土。

所述的水泥採用海螺牌P.O42.5級普通矽酸鹽水泥；粉煤灰採用I級粉煤灰；砂採用細度模數為1.6～2.2的普通河沙；水採用密度為 1.0g/cm3、符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求的普通自來水；聚合物添加劑採用羧基丁苯乳液或丙烯酸共聚乳液；纖維採用彈性模量42Gpa、長徑比7%的PVA纖維；分散劑採用十二烷基苯磺酸鈉；高效減水劑採用減水率為20～35%的聚羧酸減水劑；消泡劑採用磷酸三丁酯、聚丙烯酸酯、矽烷銅聚醚中的一種。

所述的原混凝土梁結構層是由原混凝土梁的表面裝飾層剔掉使得原混凝土梁的混凝土結構層外露，然後去除混凝土結構層表面的雜質，同時鑿毛處理到達混凝土結構層的骨料面而得到的。

所述的剪切銷釘和鋼筋網設置在原混凝土梁結構層之前，需要在原混凝土梁結構層的骨料面上放線、鑽孔、清孔，用植筋膠植入剪切銷釘後再放線處綁紮鋼筋網作為複合加固層的骨架。

作為基體的纖維增強高阻尼聚合物混凝土的表面需要先塗刷粘結劑再粘貼碳纖維布，其過程為：塗刷粘結劑後立即將預先裁剪好的碳纖維布均勻地敷設在底層粘結劑上；用橡膠圓筒沿纖維方向滾壓或刮平以排除氣泡和多餘的膠液，使粘結劑充分滲透碳纖維布並與纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘結。

所述的粘結劑採用A、B雙組分環氧類膠粘劑。

本發明相比現有技術有如下優點：

本發明充分利用了纖維增強高阻尼聚合物混凝土的輕質高耗能、高韌性、抗震性能優越、耐久性好的特點，PVA纖維的橋接作用使得複合加固層在承受荷載發生破壞的過程中，表現出「多縫開裂」以及「應變硬化」的特點，加固層中纖維增強高阻尼聚合物混凝土上產生的每條微裂縫不超過100微米，因此使用纖維增強高阻尼聚合物混凝土加固可以提高混凝土梁的承載力，減輕混凝土梁的開裂剝落。

本發明中的複合加固層將常規擴大截面法和粘貼碳纖維布加固法結合起來，高延性的纖維增強高阻尼聚合物混凝土與碳纖維布由於變形性能接近，故在工作中能夠協同變形，緩解了普通混凝土與碳纖維布之間的粘結滑移問題，使得碳纖維布的高強特性能夠得到充分發揮。另一方面，在大位移和大荷載作用下，加固後的混凝土梁能夠、產生較大變形並保持較好的整體性，剛度退化也得到了推遲，因而解決了普通碳纖維布粘貼加固法對混凝土梁變形能力的不利影響，大幅提高了抗震能力；同時本加固方法對於混凝土梁的截面影響不大，因此減輕了普通擴大截面法對結構淨空和外觀的影響。

本發明的複合加固結構利用了纖維增強高阻尼聚合物混凝土良好的變形能力與抗震耗能能力以及碳纖維布超高的強度，因此加固後的混凝土梁具有以下優點：（1）截面尺寸變化小，對結構淨空和外觀影響小；（2）複合加固層與原混凝土梁能夠協調工作，整體抗震性能好；（3）碳纖維布性能得到充分發揮，實用經濟；（4）構造簡單，施工方便，質量容易得到保證，易於推廣。

附圖說明

附圖1為本發明的結構示意圖。

其中：1—原混凝土梁結構層；2—內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土；3—中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土；4—外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土；5—剪切銷釘；6—鋼筋網；7—碳纖維布。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1所示：一種對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構，包括原混凝土梁結構層1，在原混凝土梁結構層1的四周設有剪切銷釘5，剪切銷釘5上設置鋼筋網6且兩者構成增強體，在原混凝土梁結構層1、剪切銷釘5、鋼筋網6三者的間隙及鋼筋網6外塗抹覆蓋有纖維增強高阻尼聚合物混凝土作為基體，在作為基體的纖維增強高阻尼聚合物混凝土外粘貼有碳纖維布7，纖維增強高阻尼聚合物混凝土、剪切銷釘5、鋼筋網6和碳纖維布7構成複合加固層。上述的纖維增強高阻尼聚合物混凝土包括內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土2、中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土3和外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土4，塗抹內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土2以保證鋼筋網6與原混凝土梁結構層1的骨料面之間的空隙填實；塗抹中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土3以保證鋼筋網6被完全覆蓋；塗抹外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土4以保證纖維增強高阻尼聚合物混凝土基體的三層厚度到達設計厚度，纖維增強高阻尼聚合物混凝土的設計厚度為25mm-50mm。

上纖維增強高阻尼聚合物混凝土的材料組分包括：水泥、水、粉煤灰、砂、聚合物添加劑、纖維和高效減水劑、消泡劑、分散劑，其中水泥採用海螺牌P.O42.5級普通矽酸鹽水泥；粉煤灰採用I級粉煤灰；砂採用細度模數為1.6～2.2的普通河沙；水採用密度為 1.0g/cm3、符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求的普通自來水；聚合物添加劑採用羧基丁苯乳液或丙烯酸共聚乳液；纖維採用彈性模量42Gpa、長徑比7%的PVA纖維；分散劑採用十二烷基苯磺酸鈉；高效減水劑採用減水率為20～35%的聚羧酸減水劑；消泡劑採用磷酸三丁酯、聚丙烯酸酯、矽烷銅聚醚中的一種。按質量比為水泥：水：粉煤灰：砂=1：（0.45～0.70）：（0.50～1.20）：（1.00～2.20）選擇水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥和粉煤灰質量用量的7～16%選取聚合物添加劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.8～1.8%選取高效減水劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.5%～1.2%選取消泡劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.15～0.32%選取分散劑，纖維為PVA纖維，按水、水泥、粉煤灰及砂的總體積的0.8%～2.5%選取PVA纖維；將上述原料按比例配置後攪拌均勻即可得到纖維增強高阻尼聚合物混凝土。

在該複合加固裝置的加固過程中，內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土2塗抹前需要在原混凝土梁結構層1的骨料面上塗抹環氧膠粘劑製成的界面劑；原混凝土梁結構層1是由原混凝土梁的表面裝飾層剔掉使得原混凝土梁的混凝土結構層外露，然後去除混凝土結構層表面的雜質，同時鑿毛處理到達混凝土結構層的骨料面而得到的；剪切銷釘5和鋼筋網6設置在原混凝土梁結構層1之前，需要在原混凝土梁結構層1的骨料面上放線、鑽孔、清孔，用植筋膠植入剪切銷釘5後再放線處綁紮鋼筋網6作為複合加固層的骨架；作為基體的纖維增強高阻尼聚合物混凝土的表面需要先塗刷粘結劑再粘貼碳纖維布7，粘結劑採用A、B雙組分環氧類膠粘劑，其過程為：塗刷粘結劑後立即將預先裁剪好的碳纖維布7均勻地敷設在底層粘結劑上，用橡膠圓筒沿纖維方向滾壓或刮平以排除氣泡和多餘的膠液，使粘結劑充分滲透碳纖維布7並與纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘結。

下面通過具體工作流程來進一步說明本發明提供的技術方案。

一種對混凝土梁的混凝土外包碳纖維布的複合加固結構，具體工作流程和要求如下：a、原混凝土梁結構層1的獲取：用手錘敲擊鋼釺將將原混凝土梁的表面裝飾層剔掉，使原混凝土梁的混凝土結構層外露，然後去除混凝土結構層表面的雜質，同時鑿毛處理到達混凝土結構層的骨料面從而獲得可使用的原混凝土梁結構層1；

b、綁紮增強體：在原混凝土梁的骨料面上放線、鑽孔、清孔，用植筋膠植入剪切銷釘5並在放線處綁紮鋼筋網6作為複合加固層的骨架；其中鑽孔、清孔的具體要求為：鑽孔採用德國進口GBH5-38D型電鑽，鑽孔時須保證鑽機、鑽頭與基材表面垂直以保證孔徑與孔深尺寸準確，在鑽孔過程中如果鑽機突然停止或鑽頭不前進時，說明鑽頭遇到鋼筋，可適當錯位以避開混凝土梁內部鋼筋；清孔先用剛刷清孔，然後用棉絲擦拭孔壁三次，最後用脫脂棉絲蘸丙酮擦拭三次，直至鑽孔中的碎渣和粉屑完全清理乾淨，且清孔後必須保證孔壁乾燥，否則必須用吹分機吹乾孔壁，如清孔後6小時內若不進行植筋施工，應用乾淨的棉絲將孔口封閉，以防止粉塵或沙粒進入；注膠、植筋的具體要求為：保證排出注膠器管口的膠液有適當的濃度，然後將注膠嘴伸入孔底，注射一次後退一下以排出孔內空氣，孔內注膠到達80%即可以確保膠液不外流，注膠結束後應立即植筋；剪切銷釘5插入孔內的部分要保持乾燥，清潔，無嚴重鏽蝕，將剪切銷釘5緩慢地旋轉插至孔底，以免出現氣泡，如剪切銷釘插入後有氣泡產生，說明孔內膠體不實，應重新注膠；

c、塗抹纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料：在原混凝土梁的骨料面上塗抹界面劑後塗抹纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料到達設計厚度，界面劑採用由環氧微乳液製成且外觀為乳白色膠液的環氧膠粘劑；纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料塗抹的詳細步驟為：先在鑿毛處理後的原混凝土梁的骨料面上塗抹界面劑；然後分三層塗抹纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料：塗抹內層纖維增強高阻尼聚合物混凝土2時保證鋼筋網6與骨料面之間的空隙填實，初凝後塗抹中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土3；塗抹中間層纖維增強高阻尼聚合物混凝土3時保證鋼筋網6被完全覆蓋，初凝後塗抹外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土4；塗抹外層纖維增強高阻尼聚合物混凝土4時保證纖維增強高阻尼聚合物混凝土的三層厚度到達設計厚度25mm-50mm；

d、粘貼碳纖維布7：養護7-10天後在纖維增強高阻尼聚合物混凝土加固層的表面塗刷粘結劑並粘貼碳纖維布7，即完成對原混凝土梁的加固，其中粘結劑採用A、B雙組分環氧類膠粘劑，粘貼碳纖維布7的要求為：塗刷底層粘結劑後立即將預先裁剪好的碳纖維布7均勻地敷設在底層粘結劑上，用橡膠圓筒沿纖維方向滾壓或刮平以排除氣泡和多餘的膠液，使粘結劑充分滲透碳纖維,7並與纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘結，滾壓時注意不能損壞碳纖維布7。

下面通過實驗舉例來說明本發明採用的纖維增強高阻尼聚合物混凝土材料具備的高裂縫控制能力、能量吸收能力以及高韌性等多項性能。

水泥採用海螺牌P.O42.5級普通矽酸鹽水泥；粉煤灰採用I級粉煤灰；砂採用細度模數為1.6～2.2的普通河沙；水採用密度為 1.0g/cm3、符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求的普通自來水；聚合物添加劑採用丙烯酸共聚乳液；纖維採用彈性模量42Gpa、長徑比7%的PVA纖維（聚乙烯醇纖維）；分散劑採用十二烷基苯磺酸鈉；高效減水劑採用減水率為35%的聚羧酸減水劑；消泡劑採用矽烷銅聚醚。

按質量比為水泥：水：粉煤灰：砂1：0.55：0.6：1.8選擇水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥和粉煤灰質量用量的7%選取聚合物添加劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.8%選取高效減水劑，按水泥和粉煤灰質量用量的1.05%選取消泡劑，按水泥和粉煤灰質量用量的0.30%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及砂的總體積的1.8%選取PVA纖維；將上述原料按比例配置後攪拌均勻即可得到纖維增強高阻尼聚合物混凝土。

拉伸試驗中：極限拉應變和極限應力分別為2.22%和3.3Mpa，分別是純基體的20.2倍和2.84倍。阻尼比試驗：採用懸臂梁的自由衰減法，在懸臂梁的自由端方式下，敲擊自由端，利用自由衰減曲線測出複合水泥基的對數衰減率以及阻尼比；纖維增強高阻尼聚合物混凝土較純基體的阻尼比提高了31.02%，實際阻尼比具體數值為6.8%。纖維之所以可以提高材料的阻尼性能是因為：當PVA纖維分散在基體中的時候，纖維與基體有一定的界面結合，在強迫運動下會產生界面的滑移摩擦，是一個機械能轉化為摩擦熱能的過程。

本發明充分利用了纖維增強高阻尼聚合物混凝土的輕質高耗能、高韌性、抗震性能優越、耐久性好的特點，PVA纖維的橋接作用使得複合加固層在承受荷載發生破壞的過程中，表現出「多縫開裂」以及「應變硬化」的特點，加固層中纖維增強高阻尼聚合物混凝土上產生的每條微裂縫不超過100微米，因此使用纖維增強高阻尼聚合物混凝土加固可以提高混凝土梁的承載力，減輕混凝土梁的開裂剝落。

本發明中的複合加固層將常規擴大截面法和粘貼碳纖維布加固法結合起來，高延性的纖維增強高阻尼聚合物混凝土與碳纖維布7由於變形性能接近，故在工作中能夠協同變形，緩解了普通混凝土與碳纖維布7之間的粘結滑移問題，使得碳纖維布7的高強特性能夠得到充分發揮。另一方面，在大位移和大荷載作用下，加固後的混凝土梁能夠、產生較大變形並保持較好的整體性，剛度退化也得到了推遲，因而解決了普通碳纖維布7粘貼加固法對混凝土梁變形能力的不利影響，大幅提高了抗震能力；同時本加固結構對於混凝土梁的截面影響不大，因此減輕了普通擴大截面法對結構淨空和外觀的影響。

本發明的複合加固結構利用了纖維增強高阻尼聚合物混凝土良好的變形能力與抗震耗能能力以及碳纖維布超高的強度，因此加固後的混凝土梁具有以下優點：（1）截面尺寸變化小，對結構淨空和外觀影響小；（2）複合加固層與原混凝土梁能夠協調工作，整體抗震性能好；（3）碳纖維布性能得到充分發揮，實用經濟；（4）構造簡單，施工方便，質量容易得到保證，易於推廣。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內；本發明未涉及的技術均可通過現有技術加以實現。