鋼絲網復合砂漿加固混凝土結構研究

[摘要] 介紹了鋼絲網復合砂漿的性能、特點,在混凝土結構加固領域的應用及方法?？偨Y此加固方法在國內外的研究及應用現狀,并指出今后的發(fā)展趨勢。利用鋼絲網復合砂漿對混凝土結構加固是一種新型的加固技術。鋼絲網復合砂漿以其高強、適用面廣、耐久性好、抗腐蝕等優(yōu)越的性能正在為人們廣泛接受。

[關鍵詞] 加固;鋼絲網復合砂漿;混凝土結構;發(fā)展

[中圖分類號] TU74613 ;TU376 [文獻標識碼] A 　　　　[文章編號] 100228498 (2007) 0520020203

　　采用鋼絲網復合砂漿對已有的混凝土結構進行補強和加固具有常規(guī)加固方法不能比擬的優(yōu)越性,此方法加固效果明顯且施工便捷。在歐、美、日等西方發(fā)達國家,對此種加固、補強技術研究起步較早,發(fā)展比較成熟。而國內開展這方面研究較晚,近年來,研究人員雖作了一些試驗,并已應用于工程實踐,但基本上還處于起始階段。

1 　鋼絲網復合砂漿的性能

　　鋼絲網復合砂漿是以鋼絲網或鋼絲網和加筋為增強材料,水泥砂漿為基材組成的薄層結構,屬無機復合膠凝材料,也是一種理想的鋼筋混凝土結構及砌體結構的加固材料。鋼絲網提高結構的承載力,砂漿層起保護和錨固作用。它擁有較高的抗拉強度重量比和較高的韌性、延展性及耐久性,比普通水泥砂漿有著大得多的抗裂能力,容易被澆筑成任意的形狀,適合于各種輪廓外形的結構構件的修復和加固。

　　已有的各種加固方法中的界面粘貼技術,國內外均采用以環(huán)氧樹脂為主劑的有機結構膠,而砂漿作為無機膠凝材料,與基材間將有更好的相容性、協(xié)調性、相互滲透性,并且抗老化、耐火、耐久性更好;加固層厚一般為25mm 左右,幾乎不增大原結構的重量與截面尺寸;無需復雜的施工工藝和特殊的施工技術,與混凝土基材澆搗方法基本一致,施工質量容易保證,而且經濟;加固層中的砂漿既是膠凝材料又是保護層材料,無需另做防火保護層。這種加固方法不僅可以提高結構的強度,還可增強建筑物抗?jié)B、抗凍、抗裂性和韌性。

　　熊光晶等人對鍍鋅焊接鋼絲網水泥的耐久性進行了研究,發(fā)現鋅可對鋼絲網提供有效的保護,焊接鋼絲網有效彈性模量高,制作的構件裂縫間距和寬度顯著小于編織鋼絲網水泥,具有更好的耐久性。還通過對水泥砂漿進行了混雜改性的研究,配制出了一種耐酸腐蝕性很好,強度、韌性和密實性較高,而且價格低廉的混雜改性水泥砂漿,并進而提出了“以鋼絲網增強的混雜改性鋼絲網水泥砂漿”。

　　工程上習慣于把不銹鋼絲網、鍍鋅鋼絲網、鍍銅鋼絲網、高強鋼絲網等金屬絲網統(tǒng)稱為鋼絲網。根據十字交叉點處縱橫向鋼絲的連接情況可分為編織網和電阻點焊網。通過選用不同直徑、不同網孔尺寸的鋼絲網以及改變鋼絲網層數可達到調整網配筋率的目的。

　　目前國內外用于鋼絲網水泥增強的鋼絲網最多的是鍍鋅鋼絲網。鍍鋅鋼絲網單絲的屈服強度在300MPa 左右,極限強度在400MPa 左右,鍍鋅鋼絲網與其他鋼絲網比較,具有價格低廉、彈性模量高、抗腐蝕性好的特點,故廣泛運用于鋼絲網水泥中。由于焊接鋼絲網水泥的力學性能顯著優(yōu)于編織鋼絲網水泥,故點焊鍍鋅鋼絲網更受青睞。

2 　鋼絲網復合砂漿加固混凝土結構

2．1 　加固機理、分類及破壞特征

　　鋼絲網復合砂漿加固法是在混凝土構件表面鋪上鋼絲網,用復合砂漿作為保護和錨固作用,使其共同工作整體受力,以提高結構承載力的一種加固方法。它實質是一種體外配筋,提高原構件的配筋量,從而相應提高結構構件的剛度、抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等方面的能力。根據構件的受力特點和加固要求不同,可選用單側加厚(單包法) 、雙側加厚(雙包法) 、三面(U 包法) 和四面外包(全包法) 等。

　　1) 加固機理　當鋼筋混凝土構件產生超出混凝土規(guī)范允許的彎曲裂縫,不能滿足正常使用要求,或由于使用功能的改變,需要增加構件承載能力時,可通過用鋼絲網外噴高強砂漿在構件的受拉區(qū)來增加構件的抗彎能力。將上部荷載產生的梁底部拉應力和梁上部壓應力傳遞給所粘貼的鋼絲網,使鋼絲網能夠與原構件共同承擔荷載,達到增加構件承載力的目的。其基本原理與混凝土結構相同。在加固受彎構件中鋼絲網的作用相當于鋼筋,而外噴的高強砂漿既是粘結劑,又是加固層。對于單包法,鋼絲網相當于受拉鋼筋,全包法一部分鋼絲網起到受拉鋼筋的作用,同時另一部分鋼絲網起到受壓鋼筋的作用。粘貼鋼絲網外噴高強砂漿加固混凝土梁能夠顯著提高梁的承載力和抗彎剛度,有效約束混凝土梁裂縫的產生和發(fā)展。

　　2) 破壞機理　在實際的補強加固工程中,由于老混凝土中的水泥水化過程一般已基本完成,混凝土與復合砂漿之間的粘結主要依靠范德華力與機械咬合力(由混凝土與復合砂漿晶體互相交錯抱合而成) 維系,而這種粘結的連接作用較弱?；炷僚c復合砂漿粘結破壞是發(fā)生在“混凝土與復合砂漿粘結破壞區(qū)”中的。

　　整澆混凝土結構組織中有其固有的潛在缺陷,這些缺陷表現為混凝土結構組織中的孔隙及加載前骨料周邊發(fā)展了裂縫,成為混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)?；炷两Y構組織的破壞是在荷載作用下,在這些潛在的裂縫周邊產生高度的應力集中引起的起始裂縫,經過比較穩(wěn)定的裂縫發(fā)展過程,擴展到不穩(wěn)定的裂縫,最后導致混凝土結構組織完全破壞。而混凝土與復合砂漿的“粘結破壞區(qū)”的內部潛在缺陷比整澆混凝土更嚴重,且內部初應力(應變) 更復雜。導致粘結區(qū)混凝土內部缺陷更嚴重的因素可能是混凝土與復合砂漿結合不良、復合砂漿澆筑不實或在進行粘結界面鑿毛處理時老混凝土石子受到擾動。內部復雜的初應力(應變) 的產生是由于新澆混凝土中的溫度應力及收縮應力交織在一起造成的。另外,混凝土的硬化通常伴隨有體積收縮的產生,由于老混凝土的約束作用,復合砂漿中會形成拉應力,粘結界面的邊界附近會產生剪應力和拉應力,粘結層內出現收縮微裂縫,這也降低了混凝土與復合砂漿的粘結強度,造成粘結區(qū)破壞。

　　鋼絲網復合砂漿加固后的混凝土構件受力狀態(tài)屬于二次受力,加固后再破壞特征較為復雜。加固構件的鋼絲網復合砂漿加固后混凝土梁破壞形式有: ①受壓區(qū)混凝土被壓碎; ②鋼絲網被拉直,裂縫開展過大;③貼鋼絲網復合砂漿的混凝土被拉下; ④混凝土2砂漿界面剝離破壞。最終破壞形式與加固構件的配筋特征、混凝土和砂漿強度、鋼絲網復合砂漿加固層厚度等因素有關。

2．2 　鋼絲網復合砂漿抗彎加固

　　應用鋼絲網復合砂漿進行抗彎加固和補強主要利用了鋼絲網抗拉承載力高的特性,目前在工程界應用較多。將鋼絲網復合砂漿加固層噴射在混凝土構件的受拉面,使之與混凝土構件共同承受荷載,以提高構件受彎承載力,為了達到不同的加固強度,可以根據具體情況設計所需鋼絲網的層數。

　　試驗表明,鋼絲網復合砂漿加固后梁相對于未加固梁出現裂縫較晚,且發(fā)展緩慢。在彈性階段,鋼絲網能抵制砂漿的收縮;在微裂縫階段,砂漿的蠕變對微裂縫寬度起控制作用,蠕變期間微裂縫數量保持不變。

　　ANDREWS 等人對矩形截面簡支梁用鋼絲網砂漿薄層和混凝土加固,試驗結果表明用鋼絲網砂漿薄層加固的梁與用混凝土加固的梁性能相比,第1 條裂縫出現的荷載高24 % ,跨中撓度減少10 %;用鋼絲網砂漿薄層加固梁的極限荷載與沒有加固的梁相比提高28 %。SHARMAE 等人對已破壞的連續(xù)梁用鋼絲網砂漿薄層和混凝土加固,用鋼絲網砂漿薄層加固的梁與用混凝土加固的梁相比, 第1 條裂縫出現的荷載高34 % ,相同荷載下跨中撓度小27 % ,極限荷載高30 %。

　　P.WAM 做了鋼絲網砂漿薄層對于T 形梁的加固試驗,研究表明對新老界面進行適當的處理后,用鋼絲網砂漿薄層加固有很好的效果,與用素混凝土修復的構件相比,第1 條裂縫出現的荷載、構件的剛度以及極限荷載值都有不同程度的提高,并且構件的裂縫間距與寬度都有減小。ANA 等人研究了鋼絲網砂漿薄層加固混凝土梁的受彎性能,研究的重點在于采用不同的方法將鋼絲網與梁錨固,結果表明不論哪種錨固方式,鋼絲網砂漿都能明顯提高梁的受彎承載力,并且構件的裂縫間距與寬度都有所減小。

　　影響鋼絲網復合砂漿抗彎加固效果的因素主要有:粘結面處理方法、加固層厚度、混凝土及復合砂漿強度、配筋特征和端部錨固情況等。

2．3 　鋼絲網復合砂漿抗剪加固

　　利用鋼絲網復合砂漿對混凝土構件進行抗剪加固,其所起作用與構件中的箍筋類似,受力特征也與之相近。加固原理為利用鋼絲網復合砂漿對混凝土的約束來阻止剪切裂縫的開裂和發(fā)展。

　　文獻[5 ]對矩形截面梁用鋼絲網復合砂漿進行了抗剪加固,試驗表明鋼絲網復合砂漿用于抗剪加固,整體性能好,加固構件屈服承載力平均提高約68．2 % ,極限承載力平均提高約39．1 % ,正常使用極限狀態(tài)承載力提高約64．8 % ,加載后期梁的剪切剛度有明顯提高,同時對斜裂縫的產生和發(fā)展有良好的約束作用。

　　對于柱的加固試驗也表明加固后柱的抗剪承載力有明顯提高,柱的延性有很大改善,抗疲勞能力提高,可防止裂縫出現或限制斜裂縫擴展。一般受剪加固最終破壞為混凝土2砂漿界面剝離,而最大承載力出現在砂漿剝離后。影響其破壞特征的主要因素為粘結狀況、有效錨固長度、加固層的厚度及構件的本身特征。多數情況下,實際破壞機理是由于在一定面積內砂漿脫粘。受剪加固最終破壞多有一定突然性,承載力急劇下降。

2．4 　用鋼絲網復合砂漿加固受壓構件

　　對受壓混凝土構件進行鋼絲網復合砂漿加固,一般采用環(huán)向包裹方式,從而最有效發(fā)揮效率?？刹捎萌蚍謼l包裹方式,一般分條加固方式效果較好。受力機制是利用碳纖維環(huán)向高抗拉強度來限制受壓構件徑向變形,從而起到提高受壓承載力的效果。尚守平等人對鋼絲網復合砂漿加固偏壓柱進行了試驗研究,試驗結果表明,加固后受壓構件峰值應力和應變均有增長,承載力和延性明顯提高,加固柱的變形能力和耗能能力有顯著的增強,顯著地改善了混凝土偏壓柱的裂縫形態(tài),對裂縫的發(fā)展有明顯的抑制作用。破壞具有一定突然性,破壞特征與混凝土和砂漿強度、構件表面狀況、配筋特征及加固層厚度有關。

2．5 　鋼絲網復合砂漿加固的一般步驟

　　用鋼絲網復合砂漿進行加固具有基本不增加結構自重、高強、高效、適用面廣、耐久耐蝕性好及施工便捷等特點,然而要想充分發(fā)揮材料的加固作用,體現鋼絲網復合砂漿加固的優(yōu)越性,在加固施工過程中,必須遵守一定的規(guī)程和順序,方能保證加固質量。采用鋼絲網復合砂漿加固的一般工藝流程:卸載→進行表面處理→固定鋼絲網→涂界面劑→澆筑復合砂漿→養(yǎng)護。

　　本過程中,對構件最大限度的卸載可降低構件二次受力帶來的不利影響,混凝土表面處理是混凝土修補的關鍵一步,表面處理的粗糙度是影響粘結性的主要因素。

3 　目前存在的主要問題

　　1) 試驗數據缺乏,尤其是在國內,這一問題更加突出?，F有的研究大多是集中在對混凝土梁加固的靜載抗彎性能研究,而對混凝土梁抗剪、混凝土柱的靜載試驗以及動力性能和疲勞性能研究極少,甚至沒有。而且現有的研究都是一次受力研究,沒有考慮實際加固的二次受力性能。

　　2) 雖然有些學者對鋼絲網復合砂漿本身承載力的計算提出了一些方法,但對于加固后構件的計算沒有系統(tǒng)的研究和分析,限制了該加固方法的應用。

　　3) 在砂漿2混凝土界面粘結性能研究方面,目前人們研究的大都是界面的抗拉強度,對結合面的抗剪強度卻研究較少。

　　4) 砂漿2混凝土粘結滑移本構關系的確定　混凝土與砂漿連接面上的內部滑移比較難測定,因此,以往試驗和研究中都只得到平均粘結應力與混凝土外部的滑移之間的τ2s 關系曲線,并以此作為鋼絲網復合砂漿加固混凝土有限元分析的粘結滑移本構關系。因此,建立一個完善的砂漿2混凝土粘結滑移本構關系是迫切和具有理論與實際意義的。

　　5) 砂漿與混凝土粘結程度對構件各方面性能的影響。

參考文獻:

　　[1 ] 　尚守平,蔣隆敏,張毛心. 鋼筋網水泥復合砂漿加固RC 偏心受壓柱的試驗研究[J ] . 建筑結構學報,2005 , (4) : 18233.

　　[2 ] 　尚守平,令宏,彭暉. 鋼絲網復合砂漿加固混凝土受彎構件非線性分析[J ] . 工程力學,2005 , (6) :1182125.

　　[3 ] 　蔣隆敏,張毛心. 鋼絲網水泥砂漿片材用于結構加固的研究綜述[J ] . 建筑結構,2004 , (3) :7218.

　　[4 ] 　聶建國,蔡奇,張?zhí)焐? 高強不銹鋼絞線網2滲透性聚合砂漿抗剪加固的試驗研究[J ] . 建筑結構學報,2005 , (4) :10217.

　　[5 ] 　聶建國, 王寒冰, 張?zhí)焐?等. 高強不銹鋼絞線網2滲透性聚合砂漿抗彎加固的試驗研究[J ] . 建筑結構學報,2005 , (4) :129.

　　[6 ] 　林于東,林秋峰,王紹平,等. 高強鋼絞線網聚合物砂漿加固鋼筋混凝土板抗彎試驗研究[J ] . 福州大學學報(自然科學版) ,2006 , (4) :2542259.

　　[7 ] 　萬墨林,韓繼云. 混凝土結構加固技術研究[J ] . 施工技術,1994(1)21994(12) .

　　[8 ] 　尚守平,曾令宏,戴睿. 鋼絲網復合砂漿加固RC 梁二次受力受彎試驗研究[J ] . 建筑結構學報,2005 , (10) :74280.

　　[9 ] 　高曉梅. 鋼絲網外噴高強砂漿加固鋼筋混凝土梁正截面承載力試驗研究[D] . 西安:西安理工大學,2004.