CN112268800B - 斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法 - Google Patents

斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,采用30~60度斜角板试验能反映隧道拱顶钢筋混凝土及管片实际受力状态,提供了一种既经济又合理的试验模型来研究在轴力变化情况下受剪构件的受剪性能研究方法,同时最大的优点是构件制作简便。揭示了修复前后裂缝发展情况和破坏形态,得到了不同修复加固方式对不同钢筋混凝土管片试件的修复效果。

Description

斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法
技术领域
本发明涉及一种模拟裂缝修复前后性能的试验方法,尤其涉及采用30~60度斜角板模拟隧道钢筋混凝土及管片裂缝修复前后疲劳与粘结性能的试验方法。
背景技术
现有钢筋混凝土裂缝修补方法是根据开裂原因、结构使用要求及重要性、裂缝形式、所处环境等因素来确定。如因承载力不足导致开裂,则除了对裂缝进行修补,还需进行加固修补。常用的混凝土裂缝修复方法有灌浆法、表面处理法、填充法及结构加固法等。
大量钢筋混凝土裂缝修复主要研究了材料本身性质和性能,对钢筋混凝土管片裂缝修复加固后的疲劳和粘结性能研究非常少,这主要是因为管片本身结构形式复杂、造价高,为了更加有效的研究钢筋混凝土管片裂缝修复加固后的受力特征,必须把试验模型进行简化,采用简单试验方法。
地铁盾构管片合隧道拱顶处钢筋混凝土的受力状态较为复杂,是一种同时承剪力、弯矩及轴力的结构构件,为了能准确系统的研究钢筋混凝土及管片裂缝修复加固后力学性能,采用考虑轴力的简便试验模型研究十分必要,目前国内外针对隧道钢筋混凝土及管片试验研究的模型主要有简支板法、端部施加轴力的简支板法和拉杆拱法等。
但是这几种模拟方法多少存在不足之处,1.简支板法是目前研究力学性能最为普遍的方法,用简支板模拟隧道拱顶钢筋混凝土及管片的模型及试验过程较为简便,但是其受力情况与简支板的受力状态有着明显的区别,无法准确模拟隧道拱顶钢筋混凝土及管片在受力时应力-应变状态;2.端部施加轴力的简支板试验法是在原有简支板试验的基础上的一种改进方法,此方法虽没有忽略轴力对管片的受力影响,但是用于施加轴力的加载设备所施加的轴力为一定值,但管片随竖向荷载的变化两端的轴力也发生改变,这与管片实际受力状态不符;3.拉杆拱模型在研究管片受力状态时也曾被用过,试验的加载设备与简支板实验基本相似,试验操作也非常简单,在对拉拱构件进行加载过程中的受力状态与地铁管片受力状态较为接近,主要缺点是试验构件制作困难,同时拱端压应力的大小与拉杆的刚度有直接关系,有可能造成构件受力状态与管片实际受力状态不符。
有鉴于上述现有的隧道钢筋混凝土及管片试验研究的模型存在的缺陷,本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识,并配合学理的运用,积极加以研究创新,以期创设一种斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,使其更具有实用性。
发明内容
本发明的主要目的之一为提供一种斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,保证构件制备简单的条件下,提出的实验模型贴合隧道拱顶钢筋混凝土及管片受力状态,反应真实的轴力变化情况下受剪构件的受剪性能。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
提出一种斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,借助如下装置,底角设置为倾斜边的试验梁、作动器和支座,所述支座平行设置在地面上,在所述支座的两相对侧面上、设置有与底角设置为倾斜边的试验梁的斜边相对应的倾斜面,用于支撑所述底角设置为倾斜边的试验梁;
具体试验操作步骤为:
(1)至少浇筑3组底角设置为倾斜边的试验梁,进行养护,备用;
(2)开始试验前,消除试验梁与支座间的间隙,在开始加载试验前,先对试验梁进行预加载,让试验梁进入正常工作状态;
(3)分别对每组试验梁单独加载,其中一组试验梁直接静载试验直至破坏,另外至少两组试验梁先进行静载试验压裂,压至最大裂缝达到0.2mm时停止加载;
(4)对后加载的试验梁,其中一组用HPM进行直接修补,另一组采用HPM和底部GFRP布进行复合加固修补;
(5)根据试验梁压裂前后的不同状态,对压裂及压裂修复后的试验梁分别标记;
(6)静载压裂实验观测裂缝开展情况及试验梁跨中挠度变化,与同试验梁修复后进行静载破坏实验进行比对,反映试验梁修复加固方式对试验梁裂缝发展及初期刚度影响,同时修复试验梁与直接静载试验破坏试验梁进行对比,反映修复加固对试件最终刚度和极限承载力的影响。
作为优选的,所述步骤(3)中,加载方式为:在理论计算60%开裂荷载前,采用每级加载3KN的方式进行加载,在后40%开裂采用每级加载1KN方式加载,待试件开裂后采用每级3KN加载方式进行加载,荷载加载达到屈服荷载的85%时,采用每级1KN加载,待试件屈服后采用每级3KN加载方式加载,每级持载时间为5分钟,等待挠度稳定后再进行数据量测,直至试件到达极限荷载后破坏。
作为优选的,所述试验梁制备材料选用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥330kg/m3、I级粉煤灰82kg/m3、天然河砂740kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、水150kg/m3、聚羧酸高效减水剂2.88kg/m3
作为优选的,所述修补材料HPM采用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥780kg/m3、硅灰15.6kg/m3、新型镁质膨胀剂23.4kg/m3、聚羧酸高效减水剂3.9kg/m3、磷酸三丁酯消泡剂5.46kg/m3、水156kg/m3、MU-618型改性水性环氧类聚合物124.8kg/m3、固化剂62.4kg/m3、天然河砂1560kg/m3制备。
作为优选的,所述修复用玻璃纤维布GFRP,厚度为1mm,密度为2500kg/m3,平均拉伸强度540MPa,弹性模量22GPa。
作为优选的,所述试验梁端部倾角均为30~60度,剪跨比λ为2.7,配筋率为1.16%或1.59%。
作为优选的,借助的试验仪器还包括荷载传感器,用来量测施加到试验梁上的荷载。
作为优选的,借助的试验仪器还包括百分表,用来测量试验梁(1)跨中位移及支座的沉降。
作为优选的,借助的试验仪器还包括裂缝测宽仪,用来量测每级荷载时试验梁(1)的裂缝宽度。
作为优选的,借助的试验仪器还包括数据采集仪,用于收集试验过程中测试的荷载、跨中位移及应变数据并同步保存到计算机中。
通过上述技术方案,本发明的有益效果是:
(1)采用30~60度带有斜角板的试验梁试验能反映隧道拱顶钢筋混凝土及管片实际受力状态,提供了一种既经济又合理的试验模型来研究在轴力变化情况下受剪构件的受剪性能研究方法,同时最大的优点是构件制作简便。
(2)大量钢筋混凝土裂缝修复主要研究了材料本身及性能,对钢筋混凝土管片裂缝修复加固后的疲劳与粘结性能研究非常少,管片本身结构形式比较复杂,造价高,采用30~60度斜角板试验研究地铁隧道钢筋混凝土及管片裂缝修复前后性能十分有价值。
(3)采用自制的修补材料,流动性较大,修补材料28天抗折强度比普通水泥砂浆高,提高幅度大致在5%-10%,7天和28天抗压强度比普通水泥砂浆大,28天抗压强度提高了35%,修补材料的粘结抗折强度比普通砂浆有大幅度的提高,随龄期的增长,粘结抗折强度也明显增长,以混凝土为基底,28天提高幅度为40%,90天提高幅度为25%,以砂浆为基底,28天提高幅度为30%,90天提高30%;修补材料的粘结抗拉强度在潮湿和干燥状态下均比普通砂浆要大,在潮湿环境下,粘结抗拉强度要比干燥状态下的小,修补材料的体积收缩率随龄期的增长而增大,且体积收缩发生在前120天,后期收缩较小;修补材料抗氯离子性能优于普通砂浆,修补材料的抗硫酸盐侵蚀性能比普通砂浆要强,抗硫酸盐抗折强度提高了55%。整体性能提升明显。
(4)首次采用高性能环氧聚合物对斜角板模拟的隧道拱顶钢筋混凝土及管片裂缝修复,并进行二次结构加载试验研究,揭示了修复前后裂缝发展情况和破坏形态,得出自制高性能修补材料对隧道拱顶钢筋混凝土及管片结构裂缝修复的有效性;基于不同配筋率的斜角板,通过使用自制的高性能修补材料、高性能修补材料+纤维布复合修复加固的方式对试件修复前后进行了静载和疲劳试验研究,得到了不同修复加固方式对不同钢筋混凝土管片试件的修复效果。
附图说明
图1为试验装置示意图;
图2为试验梁结构示意图;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
1)制备端部倾角设置为倾斜边的试验梁1,倾角设置为45度,试件2根,截面尺寸均为120mm×200mm,净跨1450mm,剪跨比λ均为2.7,配筋率分别为1.16%和1.59%;试验梁1所采用的材料为配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥330kg/m3、I级粉煤灰82kg/m3、天然河砂740kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、水150kg/m3、聚羧酸高效减水剂2.88kg/m3
2)开始加载试验前,先对试验梁1预加载(荷载为5KN),让试验梁1进入正常工作状态,将试验梁1放置在支座上5;
3)每组试验梁1均分为B12和B14,各取一根,无加固方式,直接静载试验至破坏;也可以采用如下加载方式:在理论计算60%开裂荷载前,采用每级加载3KN,后40%开裂每级加载1KN,待试件开裂后采用每级3KN加载方式进行加载,荷载加载计算屈服荷载的85%时,采用每级1KN加载,待试件屈服后采用每级3KN加载方式,每级持载时间为5分钟,等待挠度稳定后再进行数据量测,至试件到达极限荷载后破坏;
4)根据试件压裂前后不同状态,对压裂后试验梁做标记。
5)静载压裂实验主要观测裂缝开展情况及试件跨中挠度变化。
实施例2
(1)制备端部倾角设置为倾斜边的试验梁1,倾角设置为45度,试件2根,截面尺寸均为120mm×200mm,净跨1450mm,剪跨比λ均为2.7,配筋率分别为1.16%和1.59%;试验梁1所采用的材料为配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥330kg/m3、I级粉煤灰82kg/m3、天然河砂740kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、水150kg/m3、聚羧酸高效减水剂2.88kg/m3
(2)开始试验前,消除试验梁与支座间的间隙,在开始加载试验前,先对试验梁1进行预加载(荷载为5KN),让试验梁进入正常工作状态;
(3)制备高性能聚合物修补材料HPM,采用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥780kg/m3、硅灰15.6kg/m3、新型镁质膨胀剂23.4kg/m3、聚羧酸高效减水剂3.9kg/m3、磷酸三丁酯消泡剂5.46kg/m3、水156kg/m3、MU-618型改性水性环氧类聚合物124.8kg/m3、固化剂62.4kg/m3、天然河砂1560kg/m3制备。
(4)分别对本组2根试验梁单独加载,2根试验梁分为B12和B14,各取一根,先进行静载试验压裂,压至最大裂缝达到0.2mm时停止加载,然后用HPM进行修补;
(5)根据试件压裂前后不同状态,对压裂试件及压裂修复后试验梁1分别标记。
(6)静载压裂实验观测裂缝开展情况及试验梁跨中挠度变化,与同试验梁修复后进行静载破坏实验进行比对,反映试验梁修复加固方式对试验梁裂缝发展及初期刚度影响,同时修复试验梁与直接静载试验破坏试验梁进行对比,反映修复加固对试件最终刚度和极限承载力的影响。
实施例3
(1)制备端部倾角设置为倾斜边的试验梁1,倾角设置为45度,试件2根,截面尺寸均为120mm×200mm,净跨1450mm,剪跨比λ均为2.7,配筋率分别为1.16%和1.59%;试验梁1所采用的材料为配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥330kg/m3、I级粉煤灰82kg/m3、天然河砂740kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、水150kg/m3、聚羧酸高效减水剂2.88kg/m3
(2)开始试验前,消除试验梁与支座间的间隙,在开始加载试验前,先对试验梁1进行预加载(荷载为5KN),让试验梁进入正常工作状态;
(3)制备高性能聚合物修补材料HPM,采用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥780kg/m3、硅灰15.6kg/m3、新型镁质膨胀剂23.4kg/m3、聚羧酸高效减水剂3.9kg/m3、磷酸三丁酯消泡剂5.46kg/m3、水156kg/m3、MU-618型改性水性环氧类聚合物124.8kg/m3、固化剂62.4kg/m3、天然河砂1560kg/m3制备。
(4)分别对本组2根试验梁单独加载,2根试验梁分为B12和B14,各取一根,先进行静载试验压裂,压至最大裂缝达到0.2mm时停止加载,然后采用HPM和底部GFRP布进行复合加固。
(5)根据试件压裂前后不同状态,对压裂试件及压裂修复后试验梁1分别标记。
(6)静载压裂实验观测裂缝开展情况及试验梁跨中挠度变化,与同试验梁修复后进行静载破坏实验进行比对,反映试验梁修复加固方式对试验梁裂缝发展及初期刚度影响,同时修复试验梁与直接静载试验破坏试验梁进行对比,反映修复加固对试件最终刚度和极限承载力的影响。
实验数据
其中实施例1-3涉及的试验梁具体设计参数如表1所示:
表1试验梁设计参数
实施例2-3采用的HPM修补材料制得的试验梁及其裂缝的发展状态如表2和3所示:
表2试验梁B12-2裂缝发展状态表(mm)
表3试验梁B12-3裂缝发展状态表(mm)
附注:B12-2表示实施例2中B12试验梁的实验数据,
B14-2表示实施例2中B14试验梁的实验数据,以下相同。
实施例2-3采用的HPM和GFRP修补材料制得的试验梁及其裂缝的发展状态如表4和5所示:
表4试验梁B14-2裂缝发展状态表(mm)
表5试验梁B14-3裂缝发展状态表(mm)
本发明首次采用高性能环氧聚合物对斜角板模拟的隧道拱顶钢筋混凝土及管片裂缝修复,并进行二次结构加载试验研究,揭示了修复前后裂缝发展情况和破坏形态,得出自制高性能修补材料对隧道拱顶钢筋混凝土及管片结构裂缝修复的有效性;基于不同配筋率的斜角板,通过使用自制的高性能修补材料、高性能修补材料+纤维布复合修复加固的方式对试件修复前后进行了静载和疲劳试验研究,得到了不同修复加固方式对不同钢筋混凝土管片试件的修复效果。
本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:借助如下装置,底角设置为倾斜边的试验梁(1)、作动器(2)和支座(5),所述支座(5)平行设置在地面上,在所述支座(5)的两相对侧面上、设置有与底角设置为倾斜边的试验梁(1)的斜边相对应的倾斜面,用于支撑所述底角设置为倾斜边的试验梁(1);
具体试验操作步骤为:
(1)至少浇筑3组底角设置为倾斜边的试验梁(1),进行养护,备用;
(2)开始试验前,消除试验梁(1)与支座(5)间的间隙,在开始加载试验前,先对试验梁(1)进行预加载,让试验梁(1)进入正常工作状态;
(3)分别对每组试验梁(1)单独加载,其中一组试验梁(1)直接静载试验直至破坏,另外至少两组试验梁(1)先进行静载试验压裂,压至最大裂缝达到0.2mm时停止加载;
(4)对后加载的试验梁(1),其中一组用HPM进行直接修补,另一组采用HPM和底部GFRP布进行复合加固修补;
(5)根据试验梁(1)压裂前后的不同状态,对压裂及压裂修复后的试验梁(1)分别标记;
(6)静载压裂实验观测裂缝开展情况及试验梁(1)跨中挠度变化,与同试验梁(1)修复后进行静载破坏实验进行比对,反映试验梁(1)修复加固方式对试验梁(1)裂缝发展及初期刚度影响,同时修复试验梁(1)与直接静载试验破坏试验梁(1)进行对比,反映修复加固对试件最终刚度和极限承载力的影响。
2.根据权利要求1所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:所述步骤(3)中,加载方式为:在理论计算60%开裂荷载前,采用每级加载3KN的方式进行加载,在后40%开裂采用每级加载1KN方式加载,待试件开裂后采用每级3KN加载方式进行加载,荷载加载达到屈服荷载的85%时,采用每级1KN加载,待试件屈服后采用每级3KN加载方式加载,每级持载时间为5分钟,等待挠度稳定后再进行数据量测,直至试件到达极限荷载后破坏。
3.根据权利要求1或2所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:所述试验梁(1)制备材料选用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥330kg/m3、I级粉煤灰82kg/m3、天然河砂740kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、水150 kg/m3、聚羧酸高效减水剂2.88 kg/m3
4.根据权利要求3所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:所述修补材料HPM采用配合比为P·II 52.5硅酸盐水泥780 kg/m3、硅灰15.6 kg/m3、新型镁质膨胀剂23.4 kg/m3、聚羧酸高效减水剂3.9 kg/m3、磷酸三丁酯消泡剂5.46 kg/m3、水156 kg/m3、MU-618型改性水性环氧类聚合物124.8 kg/m3、固化剂62.4 kg/m3、天然河砂1560kg/m3制备。
5.根据权利要求3所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:所述修复用玻璃纤维布GFRP,厚度为1mm,密度为2500 kg/m3,平均拉伸强度540 MPa,弹性模量22GPa。
6.根据权利要求4或5所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:所述试验梁(1)端部倾角均为30~60度,剪跨比λ为2.7,配筋率为1.16%或1.59%。
7.根据权利要求6所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:还包括荷载传感器,用来量测施加到试验梁(1)上的荷载。
8.根据权利要求6所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:还包括百分表,用来测量试验梁(1)跨中位移及支座的沉降。
9.根据权利要求6所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:还包括裂缝测宽仪,用来量测每级荷载时试验梁(1)的裂缝宽度。
10.根据权利要求6所述的斜角板模拟裂缝修复前后性能试验方法,其特征在于:还包括数据采集仪,用于收集试验过程中测试的荷载、跨中位移及应变数据并同步保存到计算机中。
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