一种用于恶劣环境下混凝土结构的修复加固方法

摘要

一种用于恶劣环境下混凝土结构的修复加固方法，属于混凝土结构的修复和加固方法。具体步骤如下：FRP筋加固：在需要加固梁的混凝土保护层内使用切割机开槽并清灰，混凝土表面保持干爽不湿；在槽内注入一半环氧树脂和环氧树脂固化剂或高性能精细混凝土粘结材料；将FRP筋置入槽内，轻轻挤压使粘结材料布满槽；将表面抹平，待粘结剂固化；纤维编织网加固：首先将待加固建筑物表面加工成凹凸不平状；待加固建筑物表面用水湿润，将搅拌好的精细混凝土喷射到结构和纤维编织网表面；每铺设一层纤维编织网，在纤维编织网上喷射一层精细混凝土，湿水养护精细混凝土至龄期。利用FRP筋和纤维编织网的良好的耐腐蚀性，对于处于海洋等恶劣环境下的结构加固更有效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土结构的修复和加固方法，具体的涉及一种用于恶劣环境下混凝 土结构的修复加固方法。

技术背景

恶劣环境如：海洋、严寒、亚热带以及盐湖等严酷环境。由于结构经长期使用会发生 老化，随着结构服役时间的增长，受到气候条件、环境侵蚀、物理作用和其他外界因素的 影响，结构性能发生退化，结构遭到损伤，甚至遭到破坏。新建结构由于设计失误、施工 管理不严，使用条件变更或使用环境恶化，自然灾害和偶然事故的发生等主客观因素造成 的病态结构也有待加固、补强、改造。

常用的结构加固方法有加大截面加固法，体外预应力加固法，外包钢加固法，喷射混 凝土技术，增设构件加固法，增设支点加固法等，这些加固方法一般施工都比较复杂，且 都有化学腐蚀问题；随着环氧树脂等建筑结构胶的出现，外贴钢板加固法出现了，这种方 法增强效率高，施工简单，很快得以普及应用，但是对复杂的结构表面难以加固，且不耐 高温；而相比粘钢加固，粘贴纤维加固更易施工，适用面广，对原结构影响小，具有较好 的耐腐蚀性及耐久性能，在较大的提高了结构承载能力的同时，几乎不增加结构的体积和 重量。但由于采用纤维布(板)加固也采用了改性环氧树脂等有机胶粘剂，因此也带来一 系列不利的方面：(1)环氧树脂在温度超过玻璃化转变温度时，性能较差，因此经常需要特 别的和花费高的耐火保护措施；(2)不能总是可以直接现场应用，混凝土的表面需要细心的 准备，在湿的表面或低温的环境应用FRP是不可能的，且加固后受紫外线影响大；(3)缺 乏蒸汽渗透性，可能导致混凝土表面的破坏；(4)很难确定地震后加固层后面被增强混凝 土所受损伤的评估；(5)对于由于表面混凝土破坏，没有保护层且需要钝化处理的受力钢筋， 需要附加的措施处理。

FRP筋具有抗拉强度高，抗腐蚀性能好，热膨胀系数和混凝土接近，抗疲劳性能好， 电磁绝缘性好等特点。如果单独采用FRP筋进行加固，由于FRP筋具有高的抗拉强度， 可能会导致受拉区在高应力状态下出现过宽裂缝而不能满足结构适用性和耐久性的要求， 因此有必要采取合理措施对FRP筋混凝土构件的裂缝宽度进行控制。进一步，当承受很 大的持久荷载作用时，FRP材料会发生蠕变破坏，当受到相当于75％-80％的纤维极限抗 拉强度的持久荷载作用时，FRP筋将发生破坏。如果FRP筋暴露在对纤维或基体有腐蚀 性的环境中则发生蠕变破坏的时间会更快，因此，FRP筋所能承受的长期荷载只相当于其 静态抗拉强度的50％-60％。蠕变破坏的限制条件降低了作用于FRP筋上的容许应力值和 持久荷载，有必要给出有效的措施来改善FRP筋的使用性能。纤维编织网增强混凝土 (Textile Reinforced Concrete,TRC)具有良好的承载、限裂、抗渗及耐腐蚀能力，并具有多 缝开裂及其微裂缝自愈合能力。在进行结构加固时无需对TRC材料设置像钢筋一样的保 护层，所以它可以做的很薄，利用它进行结构加固时，几乎不改变原结构的尺寸和自重。 由于TRC使用砂浆作为凝胶材料，与FRP加固相比，可以有效的提高与基体材料间的粘 结性，于此同时，也提高了加固结构的抗老化、耐火性、耐久性等方面的性能，也有效解 决了FRP材料不宜在潮湿环境下施工的问题，但此法中所用纤维编织网的截面面积较小， 用于增强大型结构，其增强能力有限。为此，本发明给出FRP筋和纤维编织网联合增强 结构的方法，以充分利用二者的优点。

文献“FRP材料加固混凝土结构应用的新领域—嵌入式加固法”，已经给出FRP筋嵌 入式修复加固混凝土结构的方法。申请号为200910010259.3的专利申请也公开了纤维编 织网加固修复混凝土结构的方法，但关于使用FRP筋和纤维编织网同时修复加固混凝土 结构的专利和文献目前还没有。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种用于恶劣环境下混凝土结构的修复加固方法，能有效地提 高混凝土结构的承载能力，限制混凝土结构裂缝的发展，提高结构的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：修复加固方法有二部分，在构件的保护层 开槽，然后放入FRP筋，再用粘结剂填充槽口，FRP筋加固完成后再在构件表面喷射精 细混凝土，贴上纤维编织网，然后再喷上保护层精细混凝土；具体步骤如下：

第一部分：FRP筋加固

1、在需要加固梁的混凝土保护层内使用切割机开槽并清灰，混凝土表面保持干爽不 湿；最适合槽口的尺寸为嵌入的FRP筋的直径的两倍。

2、在槽内注入一半环氧树脂和环氧树脂固化剂或高性能精细混凝土粘结材料；

3、将FRP筋置入槽内，FRP表面保持清洁，FRP筋和粘结材料接触密实，轻轻挤压 使粘结材料布满槽；

4、将表面抹平，养护7天左右，待粘结剂固化；

第二部分：纤维编织网加固

1、为保证加固层与原构件的可靠粘结，首先将待加固建筑物表面加工成凹凸不平状， 去除油垢、灰尘和颗粒；

2、待加固建筑物表面用水湿润，将搅拌好的精细混凝土喷射到结构和纤维编织网表 面，由于喷射混凝土初凝快，早期强度发展快，喷射到结构表面能和结构粘结到一起，不 会流下，因此适合于结构底面、侧面的加固；

3、当铺设2层纤维编织网时，先在第一层纤维编织网表面喷射2-3mm精细混凝土， 将第二层纤维编织网挂到精细混凝土表面，喷射精细混凝土；

4、当铺设2层以上纤维编织网时，施工方法同步骤3；

5、湿水养护精细混凝土至龄期。

以上方法可以根据不同情况对构件表面进行单面、二面、三面加固或四面加固。

所述的FRP筋：FRP筋是通过基底材料将多股同向连续排列的纤维丝进行浸渍胶合 后，再利用模具进行挤压、拨拉成型；基底材料选择环氧树脂，起到粘结和传递纤维丝间 剪力的作用，纤维则是受力材料；纤维有：碳纤维筋、玻璃纤维筋、芳沦纤维筋或玄武岩 纤维筋；

所述的纤维编织网：采用高抗拉强度且耐腐性好地纤维编织而成，纤维有：碳纤维、 芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维；采用一种纤维编织 成网或者经向和纬向分别采用两种不同纤维编织成网；采用环氧树脂、固化剂、稀释剂固 化编织网，所述的环氧树脂、固化剂、稀释剂的质量比为65～70：60～80：30～35，砂子采 用硅砂；

所述的精细混凝土：混凝土粗骨料的最大粒径小于4mm；精细混凝土配比：52.5硅 酸盐水泥500kg/m³、超细粉煤灰180kg/m³、硅粉40kg/m³、减水剂4.0kg/m³、粒径0～ 0.6mm的硅砂800kg/m³、粒径0.6～1.2mm的硅砂400kg/m³和水252kg/m³。

有益效果，由于采用了上述方案，该加固方法利用FRP筋和纤维编织网的耐腐蚀性， 将纤维编织网加固的良好的裂缝控制能力和FRP筋高强度的特性结合起来，应用面广， 可广泛适用于各种结构类型，如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞；各种结构形状，如 矩形、圆形、曲面结构；各种结构部位如梁、板、柱、节点、拱、壳的加固修补。

本加固方法和以往的加固的方法相比，结合和FRP筋和纤维编织网的优点，加固效果 更强。利用FRP筋和纤维编织网的良好的耐腐蚀性，对于处于海洋等恶劣环境下的结构 加固更有效。

附图说明

图1为本发明的单面加固图。

图2为本发明的三面加固图。

图3为本发明的加固梁受力图。

图中，1、原构件钢筋；2、原构件混凝土；3、加固使用的FRP筋；4、加固使用的粘 结剂；5、加固使用的纤维编织网；6、加固使用的高性能精细混凝土。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的范围不限于实施例。

实施例1：用本发明的方法加固一根梁，梁的截面尺寸为高500mm，宽250mm。环 境类别为一类，混凝土强度等级为C25,抗压设计强度f_c＝11.9N/mm²，构件配置了4根直 径为16mm的HRB335级受力主筋，抗拉设计强度f_y＝300N/mm²，保护层厚度为35mm， 梁跨中截面弯矩设计值为100kN·m，由于该梁需要临时承受超过设计荷载的力，在新荷 载作用下，梁跨中最大弯矩应达到300kN·m，需要对结构进行加固。

本结构加固拟采用FRP筋和纤维编织网相结合的加固方法。采用的玻璃纤维制成的纤 维复合筋，直径为13mm的GFRP筋的抗拉强度为690MPa，弹性模量为40.8GPa.，纤维 编织网采用玻璃纤维编织而成，其抗拉强度为f_f＝3200Mpa，，弹性模量E_f＝65(GPa)。不 考虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉力由GFRP筋和纤维编织网来承担。且本加固基于平截 面假定。

本加固设计的纤维编织网的网格尺寸选用15mm×15mm，单束纤维面积为0.78mm²， 单层网在250mm的截面宽度内有15束纤维。配置双层网，经向受力的玻璃纤维实际布设 总面积为A_f＝0.78×15×2＝23.4mm²。设计纤维编织网加固层厚度为10mm。

附图3为加固梁的受力图，根据已加固梁的截面力平衡和弯矩平衡方程，求得所需使 用的GFRP筋的总截面面积A_f＝344.2mm²，三根13mm的GFRP筋的面积为398mm²，满足 要求。

在构件的保护层开槽，然后放入FRP筋，再用粘结剂填充槽口，FRP筋加固完成后 再在构件表面喷射精细混凝土，贴上纤维编织网，然后再喷上保护层精细混凝土。

本加固制作步骤如下：

第一部分：GFRP筋加固

1、在需要加固的梁的混凝土保护层内开3个25mm*25mm的槽，在槽内注入一半树 脂或高性能精细混凝土等粘结材料。

2、对槽内进行清灰和干燥处理。

3、将3根直径为13mm的GFRP筋置入槽内，轻轻挤压使粘结材料布满槽。

4、将表面抹平，养护7天左右，待粘结剂固化。

第二部分：纤维编织网加固

1、将待加固建筑物表面加工成凹凸不平状，去除油垢、灰尘和颗粒。用物理和化学 方法对构件表面进行处理，可用非金属砂如河砂、硅砂、碳化硅或氧化铝干法喷砂吹除， 或用硬毛刷粘高效洗涤剂刷除表面油垢；用铁锤和凿子借人力或用机械对新老混凝土粘结 面敲打，形成随机的凹凸不平状，增加被粘物的表面积，提高粘结力，再用清洁压缩空气 吹掉灰尘和颗粒；

2、将环氧树脂、固化剂和稀释剂按1：1：0.5的比例混合搅拌，待其充分混合后，人 工用刷子将拌合物均匀涂刷在纤维编织网的表面(两面涂)，保证环氧树脂浸入到纤维粗纱 中和浸渍的均匀性，最后将表面多余的拌合物刮掉。待纤维编织网表面均匀布满环氧树脂 后，将细砂均匀涂在纤维编织网表面,待环氧树脂硬化后即可使用。

3、待加固建筑物表面用水湿润，在加固的梁底喷射2-3mm厚的高性能精细混凝土， 贴上第一层纤维编织网。精细混凝土按配比：52.5硅酸盐水泥500kg/m³，超细粉煤灰180 kg/m³，硅粉40kg/m³，减水剂4.0kg/m³，粒径0～0.6mm的硅砂800kg/m³，粒径0.6～1.2mm 的硅砂400kg/m³,水252kg/m³搅拌，先将水泥、I级粉煤灰、硅灰和硅砂用搅拌机搅拌2 分钟，搅拌均匀后加入水搅拌，然后加入减水剂，搅拌。

4、在第一层纤维编织网上喷射2-3mm厚的高性能精细混凝土，贴上第二层纤维编织 网，在喷射上3-5mm厚的高性能精细混凝土保护层。

5、湿水养护精细混凝土至龄期。

以上方法可以根据不同情况对构件表面进行单面、二面、三面加固或四面加固。

所述的FRP筋：FRP筋是通过基底材料将多股同向连续排列的纤维丝进行浸渍胶合 后，再利用模具进行挤压、拨拉成型；基底材料选择环氧树脂，起到粘结和传递纤维丝间 剪力的作用，纤维则是受力材料；纤维有：碳纤维筋、玻璃纤维筋、芳沦纤维筋或玄武岩 纤维筋；

所述的纤维编织网：采用高抗拉强度且耐腐性好地纤维编织而成，纤维有：碳纤维、 芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维；采用一种纤维编织 成网或者经向和纬向分别采用两种不同纤维编织成网；采用环氧树脂、固化剂、稀释剂固 化编织网，所述的环氧树脂、固化剂、稀释剂的质量比为65～70：60～80：30～35，砂子采 用硅砂；

所述的精细混凝土：混凝土粗骨料的最大粒径小于4mm；精细混凝土配比：52.5硅 酸盐水泥500kg/m³、超细粉煤灰180kg/m³、硅粉40kg/m³、减水剂4.0kg/m³、粒径0～ 0.6mm的硅砂800kg/m³、粒径0.6～1.2mm的硅砂400kg/m³和水252kg/m³。