[摘要] 介紹了鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿的性能、特點(diǎn),在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的應(yīng)用及方法?？偨Y(jié)此加固方法在國(guó)內(nèi)外的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀,并指出今后的發(fā)展趨勢(shì)。利用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固是一種新型的加固技術(shù)。鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿以其高強(qiáng)、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(guān)鍵詞] 加固;鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿;混凝土結(jié)構(gòu);發(fā)展
[中圖分類號(hào)] TU74613 ;TU376 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 100228498 (2007) 0520020203
采用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿對(duì)已有的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)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(dá)國(guó)家,對(duì)此種加固、補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究起步較早,發(fā)展比較成熟。而國(guó)內(nèi)開展這方面研究較晚,近年來,研究人員雖作了一些試驗(yàn),并已應(yīng)用于工程實(shí)踐,但基本上還處于起始階段。
1 鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿的性能
鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿是以鋼絲網(wǎng)或鋼絲網(wǎng)和加筋為增強(qiáng)材料,水泥砂漿為基材組成的薄層結(jié)構(gòu),屬無機(jī)復(fù)合膠凝材料,也是一種理想的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)的加固材料。鋼絲網(wǎng)提高結(jié)構(gòu)的承載力,砂漿層起保護(hù)和錨固作用。它擁有較高的抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的修復(fù)和加固。
已有的各種加固方法中的界面粘貼技術(shù),國(guó)內(nèi)外均采用以環(huán)氧樹脂為主劑的有機(jī)結(jié)構(gòu)膠,而砂漿作為無機(jī)膠凝材料,與基材間將有更好的相容性、協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)的重量與截面尺寸;無需復(fù)雜的施工工藝和特殊的施工技術(shù),與混凝土基材澆搗方法基本一致,施工質(zhì)量容易保證,而且經(jīng)濟(jì);加固層中的砂漿既是膠凝材料又是保護(hù)層材料,無需另做防火保護(hù)層。這種加固方法不僅可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,還可增強(qiáng)建筑物抗?jié)B、抗凍、抗裂性和韌性。
熊光晶等人對(duì)鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)水泥的耐久性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)鋅可對(duì)鋼絲網(wǎng)提供有效的保護(hù),焊接鋼絲網(wǎng)有效彈性模量高,制作的構(gòu)件裂縫間距和寬度顯著小于編織鋼絲網(wǎng)水泥,具有更好的耐久性。還通過對(duì)水泥砂漿進(jìn)行了混雜改性的研究,配制出了一種耐酸腐蝕性很好,強(qiáng)度、韌性和密實(shí)性較高,而且價(jià)格低廉的混雜改性水泥砂漿,并進(jìn)而提出了“以鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)的混雜改性鋼絲網(wǎng)水泥砂漿”。
工程上習(xí)慣于把不銹鋼絲網(wǎng)、鍍鋅鋼絲網(wǎng)、鍍銅鋼絲網(wǎng)、高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)等金屬絲網(wǎng)統(tǒng)稱為鋼絲網(wǎng)。根據(jù)十字交叉點(diǎn)處縱橫向鋼絲的連接情況可分為編織網(wǎng)和電阻點(diǎn)焊網(wǎng)。通過選用不同直徑、不同網(wǎng)孔尺寸的鋼絲網(wǎng)以及改變鋼絲網(wǎng)層數(shù)可達(dá)到調(diào)整網(wǎng)配筋率的目的。
目前國(guó)內(nèi)外用于鋼絲網(wǎng)水泥增強(qiáng)的鋼絲網(wǎng)最多的是鍍鋅鋼絲網(wǎng)。鍍鋅鋼絲網(wǎng)單絲的屈服強(qiáng)度在300MPa 左右,極限強(qiáng)度在400MPa 左右,鍍鋅鋼絲網(wǎng)與其他鋼絲網(wǎng)比較,具有價(jià)格低廉、彈性模量高、抗腐蝕性好的特點(diǎn),故廣泛運(yùn)用于鋼絲網(wǎng)水泥中。由于焊接鋼絲網(wǎng)水泥的力學(xué)性能顯著優(yōu)于編織鋼絲網(wǎng)水泥,故點(diǎn)焊鍍鋅鋼絲網(wǎng)更受青睞。
2 鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)
2．1 加固機(jī)理、分類及破壞特征
鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固法是在混凝土構(gòu)件表面鋪上鋼絲網(wǎng),用復(fù)合砂漿作為保護(hù)和錨固作用,使其共同工作整體受力,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。它實(shí)質(zhì)是一種體外配筋,提高原構(gòu)件的配筋量,從而相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等方面的能力。根據(jù)構(gòu)件的受力特點(diǎn)和加固要求不同,可選用單側(cè)加厚(單包法) 、雙側(cè)加厚(雙包法) 、三面(U 包法) 和四面外包(全包法) 等。
1) 加固機(jī)理 當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)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(gòu)件承載能力時(shí),可通過用鋼絲網(wǎng)外噴高強(qiáng)砂漿在構(gòu)件的受拉區(qū)來增加構(gòu)件的抗彎能力。將上部荷載產(chǎn)生的梁底部拉應(yīng)力和梁上部壓應(yīng)力傳遞給所粘貼的鋼絲網(wǎng),使鋼絲網(wǎng)能夠與原構(gòu)件共同承擔(dān)荷載,達(dá)到增加構(gòu)件承載力的目的。其基本原理與混凝土結(jié)構(gòu)相同。在加固受彎構(gòu)件中鋼絲網(wǎng)的作用相當(dāng)于鋼筋,而外噴的高強(qiáng)砂漿既是粘結(jié)劑,又是加固層。對(duì)于單包法,鋼絲網(wǎng)相當(dāng)于受拉鋼筋,全包法一部分鋼絲網(wǎng)起到受拉鋼筋的作用,同時(shí)另一部分鋼絲網(wǎng)起到受壓鋼筋的作用。粘貼鋼絲網(wǎng)外噴高強(qiáng)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(chǎn)生和發(fā)展。
2) 破壞機(jī)理 在實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)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(fù)合砂漿之間的粘結(jié)主要依靠范德華力與機(jī)械咬合力(由混凝土與復(fù)合砂漿晶體互相交錯(cuò)抱合而成) 維系,而這種粘結(jié)的連接作用較弱?；炷僚c復(fù)合砂漿粘結(jié)破壞是發(fā)生在“混凝土與復(fù)合砂漿粘結(jié)破壞區(qū)”中的。
整澆混凝土結(jié)構(gòu)組織中有其固有的潛在缺陷,這些缺陷表現(xiàn)為混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組織的破壞是在荷載作用下,在這些潛在的裂縫周邊產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中引起的起始裂縫,經(jīng)過比較穩(wěn)定的裂縫發(fā)展過程,擴(kuò)展到不穩(wěn)定的裂縫,最后導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)組織完全破壞。而混凝土與復(fù)合砂漿的“粘結(jié)破壞區(qū)”的內(nèi)部潛在缺陷比整澆混凝土更嚴(yán)重,且內(nèi)部初應(yīng)力(應(yīng)變) 更復(fù)雜。導(dǎo)致粘結(jié)區(qū)混凝土內(nèi)部缺陷更嚴(yán)重的因素可能是混凝土與復(fù)合砂漿結(jié)合不良、復(fù)合砂漿澆筑不實(shí)或在進(jìn)行粘結(jié)界面鑿毛處理時(shí)老混凝土石子受到擾動(dòng)。內(nèi)部復(fù)雜的初應(yīng)力(應(yīng)變) 的產(chǎn)生是由于新澆混凝土中的溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)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(chǎn)生,由于老混凝土的約束作用,復(fù)合砂漿中會(huì)形成拉應(yīng)力,粘結(jié)界面的邊界附近會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力,粘結(jié)層內(nèi)出現(xiàn)收縮微裂縫,這也降低了混凝土與復(fù)合砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度,造成粘結(jié)區(qū)破壞。
鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固后的混凝土構(gòu)件受力狀態(tài)屬于二次受力,加固后再破壞特征較為復(fù)雜。加固構(gòu)件的鋼絲網(wǎng)復(fù)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(wǎng)被拉直,裂縫開展過大;③貼鋼絲網(wǎng)復(fù)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(gòu)件的配筋特征、混凝土和砂漿強(qiáng)度、鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固層厚度等因素有關(guān)。
2．2 鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿抗彎加固
應(yīng)用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿進(jìn)行抗彎加固和補(bǔ)強(qiáng)主要利用了鋼絲網(wǎng)抗拉承載力高的特性,目前在工程界應(yīng)用較多。將鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固層噴射在混凝土構(gòu)件的受拉面,使之與混凝土構(gòu)件共同承受荷載,以提高構(gòu)件受彎承載力,為了達(dá)到不同的加固強(qiáng)度,可以根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)所需鋼絲網(wǎng)的層數(shù)。
試驗(yàn)表明,鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固后梁相對(duì)于未加固梁出現(xiàn)裂縫較晚,且發(fā)展緩慢。在彈性階段,鋼絲網(wǎng)能抵制砂漿的收縮;在微裂縫階段,砂漿的蠕變對(duì)微裂縫寬度起控制作用,蠕變期間微裂縫數(shù)量保持不變。
ANDREWS 等人對(duì)矩形截面簡(jiǎn)支梁用鋼絲網(wǎng)砂漿薄層和混凝土加固,試驗(yàn)結(jié)果表明用鋼絲網(wǎng)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(xiàn)的荷載高24 % ,跨中撓度減少10 %;用鋼絲網(wǎng)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(duì)已破壞的連續(xù)梁用鋼絲網(wǎng)砂漿薄層和混凝土加固,用鋼絲網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)砂漿薄層對(duì)于T 形梁的加固試驗(yàn),研究表明對(duì)新老界面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?用鋼絲網(wǎng)砂漿薄層加固有很好的效果,與用素混凝土修復(fù)的構(gòu)件相比,第1 條裂縫出現(xiàn)的荷載、構(gòu)件的剛度以及極限荷載值都有不同程度的提高,并且構(gòu)件的裂縫間距與寬度都有減小。ANA 等人研究了鋼絲網(wǎng)砂漿薄層加固混凝土梁的受彎性能,研究的重點(diǎn)在于采用不同的方法將鋼絲網(wǎng)與梁錨固,結(jié)果表明不論哪種錨固方式,鋼絲網(wǎng)砂漿都能明顯提高梁的受彎承載力,并且構(gòu)件的裂縫間距與寬度都有所減小。
影響鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿抗彎加固效果的因素主要有:粘結(jié)面處理方法、加固層厚度、混凝土及復(fù)合砂漿強(qiáng)度、配筋特征和端部錨固情況等。
2．3 鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿抗剪加固
利用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固,其所起作用與構(gòu)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(wǎng)復(fù)合砂漿對(duì)混凝土的約束來阻止剪切裂縫的開裂和發(fā)展。
文獻(xiàn)[5 ]對(duì)矩形截面梁用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿進(jìn)行了抗剪加固,試驗(yàn)表明鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿用于抗剪加固,整體性能好,加固構(gòu)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(shí)對(duì)斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有良好的約束作用。
對(duì)于柱的加固試驗(yàn)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(xiàn)或限制斜裂縫擴(kuò)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(xiàn)在砂漿剝離后。影響其破壞特征的主要因素為粘結(jié)狀況、有效錨固長(zhǎng)度、加固層的厚度及構(gòu)件的本身特征。多數(shù)情況下,實(shí)際破壞機(jī)理是由于在一定面積內(nèi)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(wǎng)復(fù)合砂漿加固受壓構(gòu)件
對(duì)受壓混凝土構(gòu)件進(jìn)行鋼絲網(wǎng)復(fù)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(jī)制是利用碳纖維環(huán)向高抗拉強(qiáng)度來限制受壓構(gòu)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(duì)鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固偏壓柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,加固后受壓構(gòu)件峰值應(yīng)力和應(yīng)變均有增長(zhǎng),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(qiáng),顯著地改善了混凝土偏壓柱的裂縫形態(tài),對(duì)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(qiáng)度、構(gòu)件表面狀況、配筋特征及加固層厚度有關(guān)。
2．5 鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固的一般步驟
用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿進(jìn)行加固具有基本不增加結(jié)構(gòu)自重、高強(qiáng)、高效、適用面廣、耐久耐蝕性好及施工便捷等特點(diǎn),然而要想充分發(fā)揮材料的加固作用,體現(xiàn)鋼絲網(wǎng)復(fù)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(zhì)量。采用鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固的一般工藝流程:卸載→進(jìn)行表面處理→固定鋼絲網(wǎng)→涂界面劑→澆筑復(fù)合砂漿→養(yǎng)護(hù)。
本過程中,對(duì)構(gòu)件最大限度的卸載可降低構(gòu)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(bǔ)的關(guān)鍵一步,表面處理的粗糙度是影響粘結(jié)性的主要因素。
3 目前存在的主要問題
1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏,尤其是在國(guó)內(nèi),這一問題更加突出?，F(xiàn)有的研究大多是集中在對(duì)混凝土梁加固的靜載抗彎性能研究,而對(duì)混凝土梁抗剪、混凝土柱的靜載試驗(yàn)以及動(dòng)力性能和疲勞性能研究極少,甚至沒有。而且現(xiàn)有的研究都是一次受力研究,沒有考慮實(shí)際加固的二次受力性能。
2) 雖然有些學(xué)者對(duì)鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿本身承載力的計(jì)算提出了一些方法,但對(duì)于加固后構(gòu)件的計(jì)算沒有系統(tǒng)的研究和分析,限制了該加固方法的應(yīng)用。
3) 在砂漿2混凝土界面粘結(jié)性能研究方面,目前人們研究的大都是界面的抗拉強(qiáng)度,對(duì)結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度卻研究較少。
4) 砂漿2混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的確定 混凝土與砂漿連接面上的內(nèi)部滑移比較難測(cè)定,因此,以往試驗(yàn)和研究中都只得到平均粘結(jié)應(yīng)力與混凝土外部的滑移之間的τ2s 關(guān)系曲線,并以此作為鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固混凝土有限元分析的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。因此,建立一個(gè)完善的砂漿2混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系是迫切和具有理論與實(shí)際意義的。
5) 砂漿與混凝土粘結(jié)程度對(duì)構(gòu)件各方面性能的影響。
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