[摘要] 介绍了钢丝网复合砂浆的性能、特点,在混凝土结构加固领域的应用及方法。总结此加固方法在国内外的研究及应用现状,并指出今后的发展趋势。利用钢丝网复合砂浆对混凝土结构加固是一种新型的加固技术。钢丝网复合砂浆以其高强、适用面广、耐久性好、抗腐蚀等优越的性能正在为人们广泛接受。
[关键词] 加固;钢丝网复合砂浆;混凝土结构;发展
[中图分类号] TU74613 ;TU376 [文献标识码] A [文章编号] 100228498 (2007) 0520020203
采用钢丝网复合砂浆对已有的混凝土结构进行补强和加固具有常规加固方法不能比拟的优越性,此方法加固效果明显且施工便捷。在欧、美、日等西方发达国家,对此种加固、补强技术研究起步较早,发展比较成熟。而国内开展这方面研究较晚,近年来,研究人员虽作了一些试验,并已应用于工程实践,但基本上还处于起始阶段。
1 钢丝网复合砂浆的性能
钢丝网复合砂浆是以钢丝网或钢丝网和加筋为增强材料,水泥砂浆为基材组成的薄层结构,属无机复合胶凝材料,也是一种理想的钢筋混凝土结构及砌体结构的加固材料。钢丝网提高结构的承载力,砂浆层起保护和锚固作用。它拥有较高的抗拉强度重量比和较高的韧性、延展性及耐久性,比普通水泥砂浆有着大得多的抗裂能力,容易被浇筑成任意的形状,适合于各种轮廓外形的结构构件的修复和加固。
已有的各种加固方法中的界面粘贴技术,国内外均采用以环氧树脂为主剂的有机结构胶,而砂浆作为无机胶凝材料,与基材间将有更好的相容性、协调性、相互渗透性,并且抗老化、耐火、耐久性更好;加固层厚一般为25mm 左右,几乎不增大原结构的重量与截面尺寸;无需复杂的施工工艺和特殊的施工技术,与混凝土基材浇捣方法基本一致,施工质量容易保证,而且经济;加固层中的砂浆既是胶凝材料又是保护层材料,无需另做防火保护层。这种加固方法不仅可以提高结构的强度,还可增强建筑物抗渗、抗冻、抗裂性和韧性。
熊光晶等人对镀锌焊接钢丝网水泥的耐久性进行了研究,发现锌可对钢丝网提供有效的保护,焊接钢丝网有效弹性模量高,制作的构件裂缝间距和宽度显著小于编织钢丝网水泥,具有更好的耐久性。还通过对水泥砂浆进行了混杂改性的研究,配制出了一种耐酸腐蚀性很好,强度、韧性和密实性较高,而且价格低廉的混杂改性水泥砂浆,并进而提出了“以钢丝网增强的混杂改性钢丝网水泥砂浆”。
工程上习惯于把不锈钢丝网、镀锌钢丝网、镀铜钢丝网、高强钢丝网等金属丝网统称为钢丝网。根据十字交叉点处纵横向钢丝的连接情况可分为编织网和电阻点焊网。通过选用不同直径、不同网孔尺寸的钢丝网以及改变钢丝网层数可达到调整网配筋率的目的。
目前国内外用于钢丝网水泥增强的钢丝网最多的是镀锌钢丝网。镀锌钢丝网单丝的屈服强度在300MPa 左右,极限强度在400MPa 左右,镀锌钢丝网与其他钢丝网比较,具有价格低廉、弹性模量高、抗腐蚀性好的特点,故广泛运用于钢丝网水泥中。由于焊接钢丝网水泥的力学性能显著优于编织钢丝网水泥,故点焊镀锌钢丝网更受青睐。
2 钢丝网复合砂浆加固混凝土结构
2．1 加固机理、分类及破坏特征
钢丝网复合砂浆加固法是在混凝土构件表面铺上钢丝网,用复合砂浆作为保护和锚固作用,使其共同工作整体受力,以提高结构承载力的一种加固方法。它实质是一种体外配筋,提高原构件的配筋量,从而相应提高结构构件的刚度、抗拉、抗压、抗弯和抗剪等方面的能力。根据构件的受力特点和加固要求不同,可选用单侧加厚(单包法) 、双侧加厚(双包法) 、三面(U 包法) 和四面外包(全包法) 等。
1) 加固机理 当钢筋混凝土构件产生超出混凝土规范允许的弯曲裂缝,不能满足正常使用要求,或由于使用功能的改变,需要增加构件承载能力时,可通过用钢丝网外喷高强砂浆在构件的受拉区来增加构件的抗弯能力。将上部荷载产生的梁底部拉应力和梁上部压应力传递给所粘贴的钢丝网,使钢丝网能够与原构件共同承担荷载,达到增加构件承载力的目的。其基本原理与混凝土结构相同。在加固受弯构件中钢丝网的作用相当于钢筋,而外喷的高强砂浆既是粘结剂,又是加固层。对于单包法,钢丝网相当于受拉钢筋,全包法一部分钢丝网起到受拉钢筋的作用,同时另一部分钢丝网起到受压钢筋的作用。粘贴钢丝网外喷高强砂浆加固混凝土梁能够显著提高梁的承载力和抗弯刚度,有效约束混凝土梁裂缝的产生和发展。
2) 破坏机理 在实际的补强加固工程中,由于老混凝土中的水泥水化过程一般已基本完成,混凝土与复合砂浆之间的粘结主要依靠范德华力与机械咬合力(由混凝土与复合砂浆晶体互相交错抱合而成) 维系,而这种粘结的连接作用较弱。混凝土与复合砂浆粘结破坏是发生在“混凝土与复合砂浆粘结破坏区”中的。
整浇混凝土结构组织中有其固有的潜在缺陷,这些缺陷表现为混凝土结构组织中的孔隙及加载前骨料周边发展了裂缝,成为混凝土中最薄弱的环节。混凝土结构组织的破坏是在荷载作用下,在这些潜在的裂缝周边产生高度的应力集中引起的起始裂缝,经过比较稳定的裂缝发展过程,扩展到不稳定的裂缝,最后导致混凝土结构组织完全破坏。而混凝土与复合砂浆的“粘结破坏区”的内部潜在缺陷比整浇混凝土更严重,且内部初应力(应变) 更复杂。导致粘结区混凝土内部缺陷更严重的因素可能是混凝土与复合砂浆结合不良、复合砂浆浇筑不实或在进行粘结界面凿毛处理时老混凝土石子受到扰动。内部复杂的初应力(应变) 的产生是由于新浇混凝土中的温度应力及收缩应力交织在一起造成的。另外,混凝土的硬化通常伴随有体积收缩的产生,由于老混凝土的约束作用,复合砂浆中会形成拉应力,粘结界面的边界附近会产生剪应力和拉应力,粘结层内出现收缩微裂缝,这也降低了混凝土与复合砂浆的粘结强度,造成粘结区破坏。
钢丝网复合砂浆加固后的混凝土构件受力状态属于二次受力,加固后再破坏特征较为复杂。加固构件的钢丝网复合砂浆加固后混凝土梁破坏形式有: ①受压区混凝土被压碎; ②钢丝网被拉直,裂缝开展过大;③贴钢丝网复合砂浆的混凝土被拉下; ④混凝土2砂浆界面剥离破坏。最终破坏形式与加固构件的配筋特征、混凝土和砂浆强度、钢丝网复合砂浆加固层厚度等因素有关。
2．2 钢丝网复合砂浆抗弯加固
应用钢丝网复合砂浆进行抗弯加固和补强主要利用了钢丝网抗拉承载力高的特性,目前在工程界应用较多。将钢丝网复合砂浆加固层喷射在混凝土构件的受拉面,使之与混凝土构件共同承受荷载,以提高构件受弯承载力,为了达到不同的加固强度,可以根据具体情况设计所需钢丝网的层数。
试验表明,钢丝网复合砂浆加固后梁相对于未加固梁出现裂缝较晚,且发展缓慢。在弹性阶段,钢丝网能抵制砂浆的收缩;在微裂缝阶段,砂浆的蠕变对微裂缝宽度起控制作用,蠕变期间微裂缝数量保持不变。
ANDREWS 等人对矩形截面简支梁用钢丝网砂浆薄层和混凝土加固,试验结果表明用钢丝网砂浆薄层加固的梁与用混凝土加固的梁性能相比,第1 条裂缝出现的荷载高24 % ,跨中挠度减少10 %;用钢丝网砂浆薄层加固梁的极限荷载与没有加固的梁相比提高28 %。SHARMAE 等人对已破坏的连续梁用钢丝网砂浆薄层和混凝土加固,用钢丝网砂浆薄层加固的梁与用混凝土加固的梁相比, 第1 条裂缝出现的荷载高34 % ,相同荷载下跨中挠度小27 % ,极限荷载高30 %。
P.WAM 做了钢丝网砂浆薄层对于T 形梁的加固试验,研究表明对新老界面进行适当的处理后,用钢丝网砂浆薄层加固有很好的效果,与用素混凝土修复的构件相比,第1 条裂缝出现的荷载、构件的刚度以及极限荷载值都有不同程度的提高,并且构件的裂缝间距与宽度都有减小。ANA 等人研究了钢丝网砂浆薄层加固混凝土梁的受弯性能,研究的重点在于采用不同的方法将钢丝网与梁锚固,结果表明不论哪种锚固方式,钢丝网砂浆都能明显提高梁的受弯承载力,并且构件的裂缝间距与宽度都有所减小。
影响钢丝网复合砂浆抗弯加固效果的因素主要有:粘结面处理方法、加固层厚度、混凝土及复合砂浆强度、配筋特征和端部锚固情况等。
2．3 钢丝网复合砂浆抗剪加固
利用钢丝网复合砂浆对混凝土构件进行抗剪加固,其所起作用与构件中的箍筋类似,受力特征也与之相近。加固原理为利用钢丝网复合砂浆对混凝土的约束来阻止剪切裂缝的开裂和发展。
文献[5 ]对矩形截面梁用钢丝网复合砂浆进行了抗剪加固,试验表明钢丝网复合砂浆用于抗剪加固,整体性能好,加固构件屈服承载力平均提高约68．2 % ,极限承载力平均提高约39．1 % ,正常使用极限状态承载力提高约64．8 % ,加载后期梁的剪切刚度有明显提高,同时对斜裂缝的产生和发展有良好的约束作用。
对于柱的加固试验也表明加固后柱的抗剪承载力有明显提高,柱的延性有很大改善,抗疲劳能力提高,可防止裂缝出现或限制斜裂缝扩展。一般受剪加固最终破坏为混凝土2砂浆界面剥离,而最大承载力出现在砂浆剥离后。影响其破坏特征的主要因素为粘结状况、有效锚固长度、加固层的厚度及构件的本身特征。多数情况下,实际破坏机理是由于在一定面积内砂浆脱粘。受剪加固最终破坏多有一定突然性,承载力急剧下降。
2．4 用钢丝网复合砂浆加固受压构件
对受压混凝土构件进行钢丝网复合砂浆加固,一般采用环向包裹方式,从而最有效发挥效率。可采用全包或分条包裹方式,一般分条加固方式效果较好。受力机制是利用碳纤维环向高抗拉强度来限制受压构件径向变形,从而起到提高受压承载力的效果。尚守平等人对钢丝网复合砂浆加固偏压柱进行了试验研究,试验结果表明,加固后受压构件峰值应力和应变均有增长,承载力和延性明显提高,加固柱的变形能力和耗能能力有显著的增强,显著地改善了混凝土偏压柱的裂缝形态,对裂缝的发展有明显的抑制作用。破坏具有一定突然性,破坏特征与混凝土和砂浆强度、构件表面状况、配筋特征及加固层厚度有关。
2．5 钢丝网复合砂浆加固的一般步骤
用钢丝网复合砂浆进行加固具有基本不增加结构自重、高强、高效、适用面广、耐久耐蚀性好及施工便捷等特点,然而要想充分发挥材料的加固作用,体现钢丝网复合砂浆加固的优越性,在加固施工过程中,必须遵守一定的规程和顺序,方能保证加固质量。采用钢丝网复合砂浆加固的一般工艺流程:卸载→进行表面处理→固定钢丝网→涂界面剂→浇筑复合砂浆→养护。
本过程中,对构件最大限度的卸载可降低构件二次受力带来的不利影响,混凝土表面处理是混凝土修补的关键一步,表面处理的粗糙度是影响粘结性的主要因素。
3 目前存在的主要问题
1) 试验数据缺乏,尤其是在国内,这一问题更加突出。现有的研究大多是集中在对混凝土梁加固的静载抗弯性能研究,而对混凝土梁抗剪、混凝土柱的静载试验以及动力性能和疲劳性能研究极少,甚至没有。而且现有的研究都是一次受力研究,没有考虑实际加固的二次受力性能。
2) 虽然有些学者对钢丝网复合砂浆本身承载力的计算提出了一些方法,但对于加固后构件的计算没有系统的研究和分析,限制了该加固方法的应用。
3) 在砂浆2混凝土界面粘结性能研究方面,目前人们研究的大都是界面的抗拉强度,对结合面的抗剪强度却研究较少。
4) 砂浆2混凝土粘结滑移本构关系的确定 混凝土与砂浆连接面上的内部滑移比较难测定,因此,以往试验和研究中都只得到平均粘结应力与混凝土外部的滑移之间的τ2s 关系曲线,并以此作为钢丝网复合砂浆加固混凝土有限元分析的粘结滑移本构关系。因此,建立一个完善的砂浆2混凝土粘结滑移本构关系是迫切和具有理论与实际意义的。
5) 砂浆与混凝土粘结程度对构件各方面性能的影响。
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