CN109736587B

CN109736587B - 一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法

Info

Publication number: CN109736587B
Application number: CN201811601639.XA
Authority: CN
Inventors: 朱虹; 李婷; 沈佳辉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109736587A

Abstract

本发明公开了一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，以解决复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能不足的问题。所述方法包括：步骤10）在钢筋混凝土梁底部受拉区开槽，形成槽道；步骤20）采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充；步骤30）将复材筋置入槽道内；步骤40）待有机植筋胶凝固后，向有机植筋胶层和无机纤维砂浆层之间的间隙填充无机纤维砂浆；步骤50）向壁面上设有沿径向延伸的开口的管体中填充无机纤维砂浆，管体内的无机纤维砂浆和槽道中的无机纤维砂浆接触，待管体内的无机纤维砂浆硬化后拆除管体；步骤60）对槽道两端部设置U形钢丝网砂浆层，钢丝网砂浆层覆盖有机植筋胶层。

Description

一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体来说，涉及一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法。

背景技术

复材筋嵌入式加固法是近些年提出的一种改进的加固方法。这种方法是将复材筋嵌入结构表面预先开好的槽中，使得复材筋和结构的黏结得到良好保证，从而更加有效地增强结构承载能力和使用性能。目前，在国内外的实际工程领域，复材筋嵌入式加固技术已被成功应用于部分桥面板、筒仓、砌体结构等结构的加固，表现出比较可观的加固效果。

但该技术在结构加固领域依然没有得到大量的推广。这主要是因为复材筋嵌入式加固混凝土构件的抗火性能有欠缺。嵌入式加固技术中常用的粘结剂为有机树脂，但此类树脂的玻璃化转变温度较低，对火灾环境比较敏感。虽然可以采用无机材料(如砂浆)代替有机树脂作为嵌入式加固技术的填槽材料，因为无机材料的耐高温性能较好，能有效避免树脂的软化问题，但是该材料与复材筋之间的粘结性能相比有机树脂则较差。因此，应如何采取措施提升嵌入式加固材料的抗火性能，是目前急需解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，以解决复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能不足的问题，并节约材料用量。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案为：

一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，包括如下步骤：

步骤10)在钢筋混凝土梁底部受拉区开槽，形成槽道；

步骤20)采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充，形成粘结材料层；其中，有机植筋胶位于槽道的两个端部，无机纤维砂浆位于槽道中部，有机植筋胶形成的有机植筋胶层和无机纤维砂浆形成的无机纤维砂浆层之间设有间隙；

步骤30)将复材筋置入槽道内，并对复材筋施压，使得复材筋位于粘结材料层中；

步骤40)待有机植筋胶凝固后，向有机植筋胶层和无机纤维砂浆层之间的间隙填充无机纤维砂浆；

步骤50)向壁面上设有沿径向延伸的开口的管体中填充无机纤维砂浆，管体的开口朝向梁的底槽口，管体内的无机纤维砂浆和槽道中的无机纤维砂浆接触，待管体内的无机纤维砂浆硬化后拆除管体，无机纤维砂浆伸出梁的底面；

步骤60)对槽道两端部设置U形钢丝网砂浆层，钢丝网砂浆层覆盖有机植筋胶层。

作为优选例，所述步骤10)中，所述槽道两端抵达支座。

作为优选例，所述步骤10)还包括：清除槽道内松动的石子和浮灰，并用水冲刷干净并晾干。

作为优选例，所述槽道的截面形状为矩形或者表面带螺纹刻痕的弧形。

作为优选例，所述步骤20)中，粘结材料层占用槽道的部分空间；所述步骤30)中，复材筋位于粘结材料层后，向槽道中补填有机植筋胶和无机纤维砂浆，使得粘结材料层与构件表面平齐。

作为优选例，所述步骤20)中，所述间隙为5～15cm。

作为优选例，所述步骤20)中，按照分段填充的方法，采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充。

作为优选例，所述步骤30)中，复材筋中的树脂基体为普通树脂或者耐高温树脂，且耐高温树脂的玻璃化转变温度为175℃～300℃。

作为优选例，所述步骤60)包括：先在梁的两端部进行凿毛处理，以增加钢丝网砂浆和混凝土表面的粘结能力；然后将梁的两端部冲洗干净，并在梁两端部的底面和侧面涂抹水泥砂浆；接着采用膨胀螺栓及垫片将钢丝网固定在水泥砂浆表面，再分2～3次进行钢丝网外侧水泥砂浆的涂抹，形成的钢丝网砂浆层覆盖有机植筋胶层。

作为优选例，所述步骤60)中，梁的两端部侧面的水泥砂浆的厚度为15～25mm，且钢丝网内侧的水泥砂浆厚度为7～12mm；梁的两端部底面的水泥砂浆的厚度为55～65mm。

与现有技术相比，本发明实施例的方法可以解决复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能不足的问题，并节约材料用量。本发明的方法充分利用有机粘结剂和无机粘结剂各自的优势，有效避免了全长设置防火保护层的方法带来的材料高损耗，节约成本，能显著提升复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁板构件的抗火性能。有机粘结剂与复材筋或混凝土的界面粘结性能较好，无机粘结剂具有热惰性，其耐高温性能较好，且在高温或火灾环境下较少产生或不产生有毒气体。此外，所用无机纤维砂浆在高温及荷载共同作用下不会产生明显裂缝，能对高温或火灾下的复材筋形成有效的保护。步骤20)中，按照分段填充的方法，采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充。步骤60)采用局部防护。在保证抗火性能较好的条件下，能节约材料用量，减少工程量。

附图说明

图1(a)是本发明实施例中复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁的结构示意图；

图1(b)是图1(a)中A部放大图；

图2(a)是本发明实施例中槽道的第一种结构示意图；

图2(b)是图2(a)的侧面图；

图2(c)是本发明实施例中槽道的第二种结构示意图；

图2(d)是图2(c)的侧面图；

图2(e)是本发明实施例中槽道的第三种结构示意图；

图2(f)是图2(e)的侧面图。

图中有：复材筋1、有机植筋胶3、无机纤维砂浆2、钢丝网砂浆层4、槽道5。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例的一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，包括如下步骤：

步骤10)在钢筋混凝土梁底部受拉区开槽，形成槽道。

步骤20)采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充，形成粘结材料层；其中，有机植筋胶位于槽道的两个端部，无机纤维砂浆位于槽道中部，有机植筋胶形成的有机植筋胶层和无机纤维砂浆形成的无机纤维砂浆层之间设有间隙。优选的，所述间隙为5～15cm。

步骤30)将复材筋置入槽道内，并对复材筋施压，使得复材筋位于粘结材料层中。

步骤40)待有机植筋胶凝固后，向有机植筋胶层和无机纤维砂浆层之间的间隙填充无机纤维砂浆。

步骤50)向壁面上设有沿径向延伸的开口的管体中填充无机纤维砂浆，管体的开口朝向梁的底槽口，管体内的无机纤维砂浆和槽道中的无机纤维砂浆接触，待管体内的无机纤维砂浆硬化后拆除管体，无机纤维砂浆伸出梁的底面。

现有的技术多为沿着槽道全长填充有机粘结剂，但有机粘结剂耐高温性能较差，在高温或火灾环境下将很快软化、分解、失效，进而内部的复材筋也会直接与高温或火灾接触，其力学性能也将迅速退化失效。这对复材筋嵌入式加固结构的抗火性能产生了较大的负面影响，并还将产生有毒气体。而无机纤维砂浆具有热惰性，耐高温性能优于有机黏结材料；高温或火灾环境中，砂浆中的纤维会发生分解，进而缓解了高温带来的砂浆内部的应力，因此有效地提升了砂浆的抗开裂效果，保证了砂浆的完整性，因而内部的复材筋得到了有效的保护，更有利于提升加固构件的抗火性能。通过步骤50)加厚粘结层。由于筋材是圆形的，所以按照筋材的形状做成弧形包层，增强隔热效果。步骤60)对端部进行防护。常规做法采用有机粘结剂的时候，是需要全长防护。但本方案采用了新的粘结方案后，就可实现仅在端部有机植筋胶处防护。这样既能达到防护效果，又能大大的节约防火板或防火涂料的材料用量。

另外，在步骤40)中，有机植筋胶在固化的过程中不能遇水，否则固化不完全，就无法发挥作用，而无机纤维砂浆在配合好之后是含水的，因此，若不留间隙，则无机纤维砂浆中的水就会影响到有机植筋胶的固化。该步骤是为保证步骤20)中粘结方案不失效而采取的措施。

步骤20)中，由于有机植筋胶凝固前不能遇水，因此填槽时，有机植筋胶应填至目标长度，在有机植筋胶和无机纤维砂浆交界处的无机纤维砂浆区段留出一段长度暂时不填槽。步骤30)中，将复材筋置入槽道内，轻轻施压，以防止粘结材料层和复材筋之间有气泡产生，从而保证有效的粘结性能。

作为优选例，所述步骤10)中，所述槽道5两端抵达支座。这样，槽道沿着梁设置。在实际建筑结构中，梁是搁置在墙上或框架上等承重结构上的，所以梁的两端都被埋起来了，并没有完全裸露出来，所以在这些实际的结构上进行加固的时候，槽道不可能贯通梁的全长，最多到达支座处。比如，梁在两片墙上放着，两片墙支撑着这根梁，那么两片墙支座，那槽道就只能开到两片墙处。

作为优选例，所述步骤10)还包括：清除槽道5内松动的石子和浮灰，并用水冲刷干净并晾干。

作为优选例，所述槽道5的截面形状为矩形或者弧形。矩形可以如图2(a)和图2(b)所示的规则的矩形，也可以是如图2(c)和图2(d)所示的弧形。其中，当槽道5的截面形状为弧形时，槽道5的表面带螺纹刻痕。这可增加槽道表面的粗糙度，增强复材筋与填槽材料之间的界面粘结力。矩形还可以是如图2(e)和图2(f)所示的端部截面较大、中部截面较小的矩形。这种矩形结构中，中部矩形截面依然可保持如20mm×20mm的尺寸，而仅在端部扩大。端部扩大的矩形截面意味着能填充相对较多的植筋胶，植筋胶硬化后相当于一个端锚头，能增强复材筋在端部的锚固力。

举例来说，对于直径为10mm的复材筋，矩形槽道尺寸为b×h＝(20mm×20mm)～(25mm×25mm)，弧形槽道尺寸为b×h₀＝20mm×10mm，弧形槽道半径为r＝10mm，肋的尺寸为8mm×3mm(肋宽×肋深)，肋间距20mm。b表示槽道宽度；h表示槽道深度；h₀表示弧形槽道深度。

作为优选例，所述步骤20)中，粘结材料层占用槽道的部分空间。所述步骤30)中，复材筋位于粘结材料层后，向槽道中补填有机植筋胶和无机纤维砂浆，使得粘结材料层与构件表面平齐。在置入复材筋后，复材筋挤压粘结材料层，使得部分粘结材料移动，但是不能充满整个槽道。因此，在置入复材筋后，再次向槽道中填充粘结材料。

作为优选例，所述步骤20)中，按照分段填充的方法，采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充。粘结材料分层填入，保证粘结材料和混凝土表面粘结充实，内部无大规模气泡。

作为优选例，所述步骤30)中，复材筋中的树脂基体为普通树脂或者耐高温树脂，且耐高温树脂的玻璃化转变温度为175℃～300℃。普通树脂可以为普通乙烯基树脂、普通环氧基树脂。耐高温树脂可以为耐高温乙烯基树脂或者酚醛树脂基树脂。

该步骤60设置钢丝网砂浆层，对端部的有机植筋胶形成一个防火保护层，且钢丝网的存在增强了整个防护层在高温中的抗开裂性能。

作为优选例，所述步骤60)中，梁的两端部侧面的水泥砂浆的厚度为15～25mm，且钢丝网内侧的水泥砂浆厚度为7～12mm；梁的两端部底面的水泥砂浆的厚度为55～65mm。对梁的两端部进行凿毛处理，以增加砂浆和混凝土表面的粘结能力。

举例来说，梁的两端部侧面的水泥砂浆总厚度为20mm，第一次粉刷厚度为15mm，其中钢丝网内层砂浆厚度为10mm，其余5mm次日进行粉刷；梁底砂浆厚度为60mm，分3次粉刷，每次20mm。

有机植筋胶3的长度应根据梁构件的尺寸而定，端部钢丝网砂浆层的宽度至少应和有机植筋胶3的长度保持一致。钢丝网可采用丝径1.8mm，网孔20mm×20mm的轧花钢丝网，其他类似的钢丝网材料仍能用于本发明当中。

上述实施例中，所用材料包括复材筋1、有机植筋胶3、无机纤维砂浆2、钢丝网砂浆层4。复材筋1的纤维可采用玻璃纤维、玄武岩纤维或者碳纤维。复材筋1的树脂基体可为普通树脂(普通乙烯基、普通环氧基)或者耐高温树脂(耐高温乙烯基、酚醛树脂基)，耐高温树脂的玻璃化转变温度为175℃～300℃。无机纤维砂浆2为掺有一定量的纤维的无机砂浆，可以为纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)、掺入玄武岩纤维(体积分数0.3％)的普通水泥砂浆或是纤维聚合物砂浆(HPM-S)，也可以为其他类型的高温抗开裂性能较好的无机纤维砂浆。例如，掺玄武岩纤维的水泥砂浆各组分配合比为：42.5硅酸盐水泥586kg/m³、细沙1758kg/m³、短切玄武岩纤维7.26kg/m³、水293kg/m³，玄武岩纤维的外观呈金黄色，长18mm，宽1mm，厚度为0.5mm，密度是2.42g/cm³。此类纤维水泥砂浆中的纤维还可为聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种，掺入的体积分数为0.3％～2％。

在本实施例中，梁底部的无机纤维砂浆产生裂缝宽度较小，因而无机纤维砂浆对内部的复材筋起到了较好的保护作用。这主要是因为无机纤维砂浆中的纤维在高温下发生融化，进而缓解了因高温而在砂浆内部产生的热应力，因此提高了无机纤维砂浆的抗开裂性能。

下面例举一实例，验证本发明方法的梁具有良好的抗火性能。

本发明方法制备的梁：试件设计为矩形截面简支梁，确定梁截面尺寸为200mm×450mm×3900mm，计算跨度为3600mm。梁底部受拉钢筋为3C18，顶部受压钢筋为2C12mm，箍筋在纯弯段跨中1200mm范围内为A8@200，在两端弯剪段1350mm范围内为A8@100。受拉钢筋配筋率为0.93％，采用商品C30混凝土，箍筋外表面到混凝土梁梁底的保护层厚度为25mm。梁底部受拉区开出矩形槽道，槽道尺寸为b(宽)×h(高)＝20mm×20mm。加固梁采用2根11mm的碳纤维筋进行加固，加固量较为可观，加固方案如表1所示。每根CFRP筋的长度均为3500mm，CFRP筋材不穿过支座，以模拟实际工程应用中的现实工况。加固过程中，中间段采用无机纤维砂浆填槽时，槽道外侧做成的弧形包层厚度约为20mm。定义荷载比为火灾试验试件所施加的恒载值与相对应试件常温静载下极限承载力实测值的比值。通过常温静载试验测得L1的极限承载力为370kN，火灾下加载梁的荷载比均取为0.5，具体恒载值见表1。

表1试件编号及加固方案

根据《建筑构件耐火试验方法》(GB/T9978-2008)规定，试验采用恒载升温的方法，升温前先给混凝土梁构件施加一个恒定的荷载，并在火灾试验过程中始终保持不变。本文火灾试验中梁构件为底面和两个侧面三面受火，试验采用千斤顶配合反力架的反向装置，由分配梁来实现四点受弯，构件净跨3600mm，纯弯段长度为1200mm。将千斤顶及加载分配梁安装就位，安装固定拉线式位移计，并将温度测点和位移测点连接到数据采集仪上，调试完仪器并记录初始数据后即可开始加载。试验过程中构件均采用手动千斤顶加载，并由压力传感器控制分级荷载。正式试验前施加开裂荷载的50％以压实缝隙，本试验预加载值选用30kN，并检查各量测系统是否正常，随后卸载，然后逐级加载至目标荷载并持荷10min。待荷载和位移稳定后即可开始点火升温，采用ISO834标准升温曲线进行升温。

梁L1与L2火灾试验结果如表2所示。《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)规定民用建筑的耐火等级分为一、二、三、四级。其中梁的一、二、三、四级耐火等级对应的最低耐火极限分别为2h、1.5h、1h、0.5h。在0.5的荷载比下，采用无机纤维砂浆填槽加固的梁基本满足一级耐火等级的要求，说明采用合适的无机纤维砂浆进行嵌入式加固不需要对梁全长进行隔热防火保护，而且能够提高梁的耐火极限。在本实例中，梁底部的无机纤维砂浆产生细而密的裂缝，经测试可得裂缝宽度不大于0.3mm，因而无机纤维砂浆对内部的复材筋起到了较好的保护作用。

表2梁火灾试验结果汇总

表2中，CFRP筋的温度为两根CFRP筋的温度测量值的平均值；钢筋的温度为外侧两根受拉钢筋的温度测量值的平均值。

上述说明是针对本发明优选的实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤10)在钢筋混凝土梁底部受拉区开槽，形成槽道；

步骤30)将复材筋置入槽道内，并对复材筋施压，使得复材筋位于粘结材料层中；其中，复材筋中的树脂基体为耐高温树脂，且耐高温树脂的玻璃化转变温度为175℃～300℃；

步骤60)对槽道两端部设置U形钢丝网砂浆层，钢丝网砂浆层覆盖有机植筋胶层，梁的两端部侧面的水泥砂浆的厚度为15～25mm，且钢丝网内侧的水泥砂浆厚度为7～12mm；梁的两端部底面的水泥砂浆的厚度为55～65mm。

2.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤10)中，所述槽道两端抵达支座。

3.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤10)还包括：清除槽道内松动的石子和浮灰，并用水冲刷干净并晾干。

4.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述槽道的截面形状为矩形或者表面带螺纹刻痕的弧形。

5.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤20)中，粘结材料层占用槽道的部分空间；

所述步骤30)中，复材筋位于粘结材料层后，向槽道中补填有机植筋胶和无机纤维砂浆，使得粘结材料层与构件表面平齐。

6.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤20)中，所述间隙为5～15cm。

7.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤20)中，按照分段填充的方法，采用有机植筋胶和无机纤维砂浆对槽道进行填充。

8.根据权利要求1所述的提高复材筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗火性能的方法，其特征在于，所述步骤60)包括：先在梁的两端部进行凿毛处理，以增加钢丝网砂浆和混凝土表面的粘结能力；然后将梁的两端部冲洗干净，并在梁两端部的底面和侧面涂抹水泥砂浆；接着采用膨胀螺栓及垫片将钢丝网固定在水泥砂浆表面，再分2～3次进行钢丝网外侧水泥砂浆的涂抹，形成的钢丝网砂浆层覆盖有机植筋胶层。