CN117231026A - 一种混凝土结构复合加固装置及加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土结构复合加固装置及加固方法，复合加固装置包括均固定在混凝土结构表面的锚固组件和纤维编织网增强混凝土；纤维编织网增强混凝土包括纤维网格和混凝土基体；加固方法为通过将纤维网格以特定方式缠绕在开缝板上，并用螺栓固定在所述混凝土结构待加固处表面，浇筑混凝土基体使之与纤维网格结合并固化形成整体。本发明通过使用开缝板自锁锚固后的纤维编织网增强混凝土板对混凝土结构进行加固，能达到加固材料与被加固结构界面结合效果好、不易产生剥离，加固效果好，使用寿命长；不仅施工简便，且尺寸设计灵活，对被加固混凝土结构的外观影响小。
Description
技术领域
本发明涉及结构加固领域，具体涉及一种混凝土结构复合加固装置及加固方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，具有强度高、质量轻、抗腐蚀、耐疲劳等优点。这些特点使得FRP材料能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。随着基础设施建设的大力发展，我国建造了大量的钢筋混凝土结构房屋、桥梁，经受荷载和环境的耦合作用，不少结构已经或将步入老化期，处于危旧状态，亟需进行加固修复。
除一类预应力桥梁结构外，大多数建筑物允许结构带裂缝工作，短期内裂缝对结构安全的影响几乎可以忽略，但在外部环境的长期影响下，混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应等都将对原结构的设计使用寿命和结构安全造成重大威胁。因此，对于结构的加固修复，不仅要考虑结构承载力方面的恢复提升，还要考虑结构耐久性方面的加强。
目前针对钢筋混凝土受弯构件的加固方法主要有外贴钢板加固法、外贴纤维片材加固法和增大截面法等。其中外贴钢板加固法对施工精度要求高，且钢板易锈蚀，后期维护成本大；外贴纤维片材加固法对黏贴界面的平整度有较高的要求，且纤维加固往往采用环氧树脂类的有机胶作为黏结剂，其易受紫外线辐射影响，处理和清洗困难，在施工和养护时会散发异味和毒素；更重要的是，有机胶的耐久性差，尤其在湿热环境下老化快，加固寿命大幅缩减；增大截面法，一般需要对原结构进行大范围高密度的开孔植筋，对原结构的损伤大，对环境的污染严重，浇筑时需支模注浆，现场操作繁琐，湿作业工程量大，且依然存在新旧混凝土剥离的风险。
以上加固方法均能有效加固钢筋混凝土结构，但依然存在各种不足，因此需要探索新方法来克服以上存在的问题。
发明内容
本发明提供了一种混凝土结构复合加固装置，用以解决目前现有加固结构易剥离、材料利用率不高、耐久性和抗老化不足、寿命短、施工要求高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种混凝土结构复合加固装置，包括均固定在所述混凝土结构表面的锚固组件和纤维编织网增强混凝土；所述纤维编织网增强混凝土包括纤维网格和混凝土基体，所述纤维网格处于混凝土基体内部。
上述技术方案的设计思路在于，本发明通过在混凝土基体内设置纤维网格，形成纤维编织网增强混凝土，提高待加固混凝土构件承载力。纤维网格埋嵌在混凝土基体中，一方面能够和纤维编织网增强混凝土共同承载、协同受力，改善加固构件的受力情况；另一方面纤维网格的裂纹桥联作用能够有效抑制基体宏观裂缝的发展。混凝土基体粘结纤维网格，同时对其内部的纤维网格(以及锚固组件)进行了保护，进一步提高了加固构件的使用寿命。通过与纤维编织网绕结后的开缝板将纤维编织网增强混凝土固定在待加固结构的表面，保证了纤维编织网增强混凝土与被加固结构的可靠连接，避免了服役早期加固层剥离、加固效果丧失的问题。
作为上述技术方案的进一步优选，所述纤维网格为FRP织物网格，所述FRP织物网格为碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维中的至少一种。碳纤维强度、刚度高，耐腐蚀性好；玻璃纤维造价低；玄武岩纤维有优异的耐火性能和高温稳定性。
作为上述技术方案的进一步优选，所述FRP纤维网格中网格的间距尺寸为(5～25)mm×(5～25)mm。增大纤维网格密度，缩小其网格尺寸可有效提高加固效果，但网格密度过小则会影响纤维编织网增强混凝土基体的浇筑，导致纤维编织网增强混凝土与纤维网格的结合效果受到影响。
作为上述技术方案的进一步优选，所述纤维编织网增强混凝土的厚度为10～50mm。上述厚度的纤维编织网增强混凝土可保证纤维网格能较好镶嵌在混凝土基体中，两者协同受力，满足加固要求。
作为上述技术方案的进一步优选，混凝土基体由包括以下质量份的组分的组合物A固化形成：
30～34份水泥、7～9份硅灰、2～4份矿粉、30～34份石英砂、4～6份石英粉、7～8份钢纤维、7～9份水和0.7～0.9份减水剂；所述组合物A中还包括第一钢纤维，所述钢纤维体积为改性混凝土体积的2.5％～3.5％。
或所述混凝土基体由包括以下质量份的组分的组合物B固化形成：
30～35份水泥、25～27.5份粉煤灰、6～7份硅灰、20～22.5份石英砂、15～16份水和0.2～0.25份减水剂；所述组合物B中还包括PVA纤维和第二钢纤维，所述PVA纤维的体积为改性混凝土体积的1.5％～2.5％，所述第二钢纤维的体积为改性混凝土体积的1.5％～2.5％。
本优选方案从多方面增强了混凝土基体在韧性、耐久性方面的性能：针对组合物A形成的改性混凝土的方案而言，通过在混凝土组分中添加钢纤维可利用钢纤维在混凝土内部的桥联效果提升混凝土本身的强度和耐久性能，同时掺入硅灰与矿粉，增强了施工时流动性能，便于喷射施工，增强混凝土早期强度，提高其密实度和抗渗透性，改善力学性能与耐久性；针对组合物B形成的改性混凝土的方案而言，通过向混凝土组分中添加PVA纤维，可提高改性混凝土的韧性；通过向组分中添加钢纤维，可提高改性混凝土的强度，考虑到一般用于加固的纤维编织网增强混凝土板板厚很薄，只有10～20mm，所以常采用喷射施工，但PVA纤维与钢纤维混杂时易成团，在浇筑时易和钢纤维团聚在一起，这会引起施工的不便以及改性效果的降低。本方案则通过添加硅灰，使得纤维分布更加均匀，提高基体的流动性，提升改性混凝土的质量，方便施工，提升浇筑质量，通过试验对比发现，增加硅灰的含量，能增加混凝土浆料的流动性，还能在一定程度上提高改性混凝土的抗压强度和抗折强度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述组合物A中第一钢纤维由钢纤维A和钢纤维B混杂而成，所述钢纤维A的长度为5～6mm，所述钢纤维的长度为12～14mm；所述钢纤维A和钢纤维B的直径均为150～250μm；所述钢纤维A和钢纤维B的质量比为(1～4)：1。本优选方案在改性混凝土组分中采用了不同长度钢纤维进行混杂。长纤维约束范围广，沿纤维轴向承受拉伸恒载，对混凝土强度和刚度提升效果好，纤维拔出功使得混凝土具有高韧性；添加短纤维进行混杂，降低了钢纤维平均长度，可保证改性超高性能纤维混凝土板在具有良好力学性能的同时，在铺设厚度较薄的情况下减少钢纤维暴露量，使得混凝土搅拌时钢纤维对浆料流动性的影响减小，并使得钢纤维大多被保护在强碱性的改性混凝土中，提升了混凝土板的耐久性。
作为上述技术方案的进一步优选，所述组合物B中第二钢纤维的长度为10～13mm，直径为180～200μm；所述PVA纤维的长度为6～12mm，直径为38～42μm，密度为1250～1300kg/m3。发明人发现，在其他参数不变的条件下，PVA纤维长度的增加将导致混凝土体系强度和韧性的降低，在本优选方案范围内的上述PVA纤维参数，可保证改性工程混凝土具有较佳的强度和韧性，避免PVA纤维对混凝土体系带来的不利影响。同时，钢纤维的长度过长将影响混凝土的浇筑，易导致钢纤维暴露于混凝土外部，影响混凝土耐久性，同时还会导致施工难度的增加；若钢纤维过短，则裂纹桥联作用不够。
作为上述技术方案的进一步优选，所述锚固组件为开缝板和螺栓，所述开缝板上开设有条形狭缝，所述纤维网格缠绕在开缝板上，实现纤维网格和开缝板的自锁固定。纤维网格作为柔性材料可绕开缝板进行缠绕固定，此种缠绕方法简单有效，拥有以下优点：通过开缝板自锁锚固能获得越拉越紧的锚固效果；其次开缝板尺寸足够灵活，薄厚可控，故对加固后的结构外观影响很小；最后纤维网格到待加固表面的距离可为包括零在内的任何值；另外通过开缝板对纤维网络进行固定能够有效防止端部剥离，抑制中部剥离，有效提高加固效果。
作为上述技术方案的进一步优选，所述开缝板通过表面开孔和螺栓固定在所述混凝土结构表面，所述螺栓由螺母和螺杆组成。通过开孔和螺栓对开缝板和待加固表面进行固定，加固时每侧只需在加固表面上设孔1～2个，抗弯加固亦只需要在受拉面设孔，且孔位设置相当灵活，避免密集打孔对混凝土结构造成局部损伤。
基于同一技术构思，本发明还提供一种混凝土结构的加固方法，该方法采用上述混凝土结构复合加固装置对混凝土结构进行加固，包括以下步骤：
S1、将所述纤维网格以特定方式缠绕在开缝板上，并用螺栓固定在所述混凝土结构待加固处表面；
S2、浇筑混凝土基体使之与纤维网格形成整体，形成纤维编织网增强混凝土，待固化待固化后即完成混凝土结构加固。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的混凝土结构复合加固方法用于加固混凝土，通过开缝板自锁锚固能达到加固材料与待加固表面结合效果好、不易产生剥离，对混凝土结构的加固效果好，使用寿命长；
(2)本发明的混凝土结构复合加固方法，施工简便，且尺寸设计灵活，对待加固的混凝土结构的外观影响小。
附图说明
图1为实施例1的混凝土结构复合加固装置的截面结构示意图；
图2为实施例1的开缝板的固定结构示意图；
图3为实施例1的纤维网格与开缝板的缠绕方法示意图；
图4为实施例1中混凝土基体的制备流程图；
图5为实施例2中混凝土基体的制备流程图。
图例说明：
1、混凝土结构；21、螺母；22、螺杆；3、开缝板；4、纤维编织网增强混凝土；5、纤维网格。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1-图3所示(图3为图1圆圈部分的放大图)，本实施例的混凝土结构复合加固装置，包括均固定在混凝土结构1表面的锚固组件和纤维编织网增强混凝土4；纤维编织网增强混凝土4由纤维网格5与混凝土基体组成，纤维网格5处在纤维编织网增强混凝土4内部；纤维网格5被锚固组件固定在混凝土结构1表面。
本实施例中，混凝土基体为改性混凝土，改性混凝土由包括以下质量份的组分的组合物A固化形成：
水泥322.37份、硅灰80.59份、矿粉32.24份、石英砂322.37份、石英粉53.19份、水80.59份、减水剂8.06份。组合物A中还包括第一钢纤维，第一钢纤维体积为改性混凝土体积的3％(实际添加量为75.44质量份)。
本实施例中，第一钢纤维由长度为6mm的钢纤维以及长度为13mm的钢纤维按照1：1的质量比混杂形成，两种钢纤维的直径均为200μm。
本实施例中，纤维网格5为FRP织物网格，采用碳纤维制成。
本实施例中，纤维网格5采用一层单向纤维网格5，抗拉强度为2169MPa，弹性模量为124GPa，网格尺寸为20mm×20mm。
本实施例中，纤维编织网增强混凝土厚度为10mm，长度1000mm，宽度150mm。
本实施例中，待加固混凝土结构宽度150mm，高度200mm，长度1800mm。
本实施例中混凝土基体(改性混凝土)的制备流程图如图4所示，加固方法包括以下步骤：
(1)将水泥、硅灰、石英砂、石英粉和矿粉低速(140±5r/min，公转62±5r/min)下干混2min，确保干料搅拌均匀得到混合物料；
(2)在混合物料中加入水和减水剂的混合液，在步骤(1)相同速度下再混合4min得到混合浆料，对混合浆料进行检查，将块体破碎，确保其为均匀的糊状状态，继续搅拌2min；
(3)以高速(285±10r/min，公转125±10r/min)搅拌对混合浆料进行搅拌，边搅拌边加入第一钢纤维2min，全部加入后继续搅拌3min得到混凝土浆料，检查混凝土浆料，不让纤维混在一起，确保第一钢纤维均匀的分布在胶流态的混凝土浆料中，通过跳桌实验确定流动性(GB/T 2419-2005)，测试得流动性为21.5mm；
(4)将混凝土浆料浇筑在放置有FPR纤维网格的模具中，固化后即得到本实施例的加固装置。
本实施例中，锚固组件为开缝板3与螺栓，开缝板3上开设有条形狭缝，纤维网格5的一端绕过开缝板3左侧一圈后再穿过所述条形狭缝对右侧进行缠绕，并回到左侧缠绕整个开缝板，实现纤维网格5和开缝板3的自锁固定。
本实施例中，开缝板3通过表面开孔和螺栓(螺母21和螺杆22)固定在混凝土结构1表面。
本实施例中，开缝板3为钢材，可根据混凝土结构1尺寸灵活设置，对结构外观影响小。
本实施例的混凝土结构1复合加固方法，包括以下步骤：
(1)将纤维网格5缠绕在开缝板上，并用螺栓固定在混凝土结构1待加固处表面；
(2)将混凝土基体覆盖在纤维网格5表面，形成纤维编织网增强混凝土4，待固化后即完成混凝土结构1的加固。
实施例2：
本实施例的混凝土结构复合加固装置，包括均固定在混凝土结构1表面的锚固组件和纤维编织网增强混凝土4；纤维编织网增强混凝土4由纤维网格5与混凝土基体组成，纤维网格5处在纤维编织网增强混凝土4内部；纤维网格5被锚固组件固定在混凝土结构1表面。
本实施例中，纤维编织网增强混凝土4为改性混凝土，改性混凝土由包括以下质量份的组分的组合物B固化形成：
水泥637份、粉煤灰522份、硅灰127份、石英砂414份、水318份、减水剂4.4份；还包括体积分数为2％的PVA纤维和体积分数为2％的第二钢纤维。
本实施例中，PVA纤维的长度为12mm，直径为39μm，密度为1300kg/m3，第二钢纤维的长度为13mm，直径为200μm。
本实施例中，纤维网格5为FRP织物网格，采用碳纤维制成，为一层。
本实施例中，纤维网格5采用单向纤维网格5，抗拉强度为2169MPa，弹性模量为124GPa，网格尺寸为20mm×20mm。
本实施例中混凝土基体(改性混凝土)的制备流程图如图5所示，加固装置的制作包括以下步骤：
(1)将水泥、硅灰、和粉煤灰低速下(57～67r/min)干混2min，确保干料搅拌均匀得到混合物料；
(2)在混合物料中加入水和减水剂的混合液，在相同速度下再混合4min得到混合浆料，对混合浆料进行检查，将块体破碎，确保其为均匀的糊状状态，继续搅拌2min(115～135r/min)，保证混合浆料良好流动性(通过跳桌实验确定)；
(3)以115～135r/min的速度搅拌对混合浆料进行搅拌，边搅拌边加入PVA纤维和第二钢纤维2min，全部加入后继续搅拌3min得到混凝土浆料，检查混凝土浆料，不让纤维混在一起，确保钢纤维均匀的分布在胶流态的混凝土浆料中；
(4)将混凝土浆料浇筑在放置有FPR纤维网格的模具中，固化后即得到本实施例的加固装置。
本实施例中，锚固组件为开缝板3与螺栓，开缝板3上开设有条形狭缝，纤维网格5的一端绕过开缝板3一圈再后穿过条形狭缝，并与纤维网格5的主体部分进行叠合，实现纤维网格5和开缝板3的相对固定。
本实施例中，开缝板3通过表面开孔和螺栓(螺母21和螺杆22)固定在混凝土结构1表面。
本实施例中，开缝板3为钢材，可根据混凝土结构1尺寸灵活设置，对结构外观影响小。
本实施例的混凝土结构1复合加固方法，包括以下步骤：
(1)将纤维网格5缠绕在开缝板3上，并用螺栓固定在混凝土结构1待加固处表面；
(2)将纤维编织网增强混凝土4的原料覆盖在纤维网格5表面，形成纤维编织网增强混凝土4，待固化后即完成混凝土结构1的加固。
对混凝土结构进行测试，原有结构开裂荷载8kN，纯贴梁10kN，混锚梁12kN；原有结构极限荷载37kN，纯贴梁34kN，混锚梁51kN；原有结构极限挠度36.1mm，纯贴梁18.3mm，混锚梁23.6mm。混锚短板加固梁比纯粘加固梁极限荷载提升50.0％，比未加固梁特征荷载极限荷载提升35.1％。
对比例1：
本对比例的加固装置，其结构与施工方法均与实施例2一致，区别仅在于本对比例的纤维编织网增强混凝土共有三层纤维网格，长度1400mm。
对混凝土结构进行测试，开裂荷载15kN，极限荷载55kN，极限挠度20mm。三层纤维网混锚长板加固梁比纯粘加固梁极限荷载提升61.8％，比未加固梁特征荷载极限荷载提升48.6％。三层纤维网格的加固长板加固效果更优。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种混凝土结构复合加固装置，其特征在于，包括均固定在所述混凝土结构(1)表面的锚固组件和纤维编织网增强混凝土(4)；所述纤维编织网增强混凝土(4)包括纤维网格(5)和混凝土基体，所述纤维网格(5)处于混凝土基体内部。
2.根据权利要求1所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述纤维网格(5)为FRP织物网格，所述FRP织物网格为碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维中的至少一种，纤维网格(5)为一层或多层。
3.根据权利要求2所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述FRP纤维网格(5)中网格的间距为(5～25)mm×(5～25)mm。
4.根据权利要求1所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述纤维编织网增强混凝土(4)的厚度为10～50mm。
5.根据权利要求1所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述锚固组件为开缝板(3)和螺栓，所述开缝板(3)上开设有条形狭缝，所述纤维网格(5)缠绕在开逢板(3)上，实现纤维网格(5)和开缝板(3)的自锁固定。
6.根据权利要求5所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述开缝板(3)通过表面开孔和螺栓固定在所述混凝土结构(1)表面，所述螺栓由螺母(21)和螺杆(22)组成。
7.根据权利要求1-6任一项所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述混凝土基体由包括以下质量份的组分的组合物A固化形成：
30～34份水泥、7～9份硅灰、2～4份矿粉、30～34份石英砂、4～6份石英粉、7～9份水和0.7～0.9份减水剂；所述组合物A中还包括第一钢纤维，所述第一钢纤维体积为改性混凝土体积的2.5％～3.5％。
或所述改性混凝土由包括以下质量份的组分的组合物B固化形成：
30～35份水泥、25～27.5份粉煤灰、6～7份硅灰、20～22.5份石英砂、15～16份水和0.2～0.25份减水剂；所述组合物B中还包括PVA纤维和第二钢纤维，所述PVA纤维的体积为改性混凝土体积的1.5％～2.5％，所述第二钢纤维的体积为改性混凝土体积的1.5％～2.5％。
8.根据权利要求7所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述组合物A中第一钢纤维由钢纤维A和钢纤维B混杂而成，所述钢纤维A的长度为5～6mm，所述钢纤维的长度为12～14mm；所述钢纤维A和钢纤维B的直径均为150～250μm；所述钢纤维A和钢纤维B的质量比为(1～4)：1。
9.根据权利要求7所述的混凝土结构复合加固装置，其特征在于，所述组合物B中第二钢纤维的长度为10～13mm，直径为180～200μm；所述PVA纤维的长度为6～12mm，直径为38～42μm，密度为1250～1300kg/m3。
10.一种混凝土结构加固方法，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的混凝土结构复合加固装置对混凝土结构进行加固，包括以下步骤：
S1、将所述纤维网格(5)以特定方式缠绕在开缝板(3)上，并用螺栓将开缝板(3)固定在所述混凝土结构(1)待加固处表面；
S2、浇筑混凝土基体使之与纤维网格(5)结合，固化后形成纤维编织网增强混凝土(4)，完成混凝土结构加固。
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