碳纖維在框架結構加固中的應用

孔令國

碳纖維是一種新型高性能纖維增強材料,具有強度高、模量高等諸多優異性能。采用碳纖維進行加固補強是利用粘結劑將碳纖維片粘貼在混凝土構件表面,使混凝土與碳纖維片成一體,形成復合材料體,通過其與結構或構件的協同工作,達到對結構構件補強加固及改善受力性能的目的,是一種簡單且優良的加固補強方法。

1 工程概況

某旅游度假中心一棟11層框剪結構的小高層樓房,建筑面積約2 700 m2,基礎采用柱下鋼筋混凝土交叉條形基礎,由于建設場地內地質狀況較差,因此地基土采用壓密注漿加固處理,設計要求加固后復合地基承載力標準值為180 kPa,現澆結構混凝土設計強度等級底層框架為C30,2層及以上均為C20。完成土建工程后發現該樓基礎發生較大的沉降,導致框架結構出現裂縫,影響到樓房的安全使用。在對既有建筑基礎采用反錨靜壓鋼管樁和新加連接承臺進行加固后,為保證框架梁的承載能力,經過現場實地勘察,參考相關規范和技術資料,結合實際情況,決定采取粘貼碳纖維布的加固技術對框架結構進行抗震加固。

2 框架梁裂縫灌漿加固補強

2.1 灌漿材料

灌漿采用改性環氧樹脂灌漿材料。改性環氧樹脂灌漿材料的主要性能見表1。

表1 改性環氧樹脂灌漿材料性能表 MPa

2.2 灌漿施工工藝流程

裂縫處理→埋設灌漿咀→封縫→密封檢查→配制漿液→灌漿→封口結束→檢查。

2.3 施工工藝及施工方法

2.3.1 灌漿前裂縫處理

對于混凝土構件裂縫寬度大于0.2 mm的,應沿裂縫用鋼釬鑿成“V”形槽,槽寬2 cm～3 cm,深 1 cm～2 cm。鑿槽時先沿裂縫打開,再向兩側加寬,鑿完后用鋼絲刷及壓縮空氣將混凝土碎屑粉塵清除干凈。

2.3.2 埋設灌漿咀

在裂縫交叉處、較寬處、端部及裂縫貫穿處均應埋設灌漿咀,裂縫埋咀間距為250 mm～300 mm。

2.3.3 封縫方法

在鑿開部位采用氯丁膠乳速凝水泥封縫膠泥封閉,封閉前需要對膠泥進行試配,具體配合比應根據現場實際情況對環氧水泥用量進行微調,封閉時在V形槽內預留管道以滿足灌漿要求。裂縫封閉應進行灑水養護不少于1 d,養護后可進行壓氣(或丙酮)試漏,檢查密閉效果,試漏需待縫膠泥或砂漿有一定強度后進行,試漏前沿裂縫涂一層肥皂水,從灌漿咀通入壓縮空氣(或丙酮),凡漏氣(或漏液)處,應予補修密封至不漏為止。

2.3.4 灌漿

灌漿液采用改性環氧樹脂,其材料配合比為改性環氧∶乙二胺為100∶(88～9),灌漿前需要對漿液進行試配,具體配合比應根據現場實際情況對乙二胺用量進行微調。灌漿時,其壓力控制在0.2 MPa,且滿足壓力后應進行恒壓5 min。待縫內漿液達到初凝而無外流時,可拆下灌漿咀,再用氯丁膠乳速凝水泥把灌漿咀抹平、封口。灌漿結束。

3 框架梁加固補強

3.1 框架梁加固補強設計方案

框架梁加固補強設計方案見圖1。

3.2 施工工藝

3.2.1 基面處理

1)混凝土角磨機、砂紙等機具除去表面浮漿,構件粘貼面混凝土要打磨平整,表面凸出部位要磨平,對于表層出現剝落、空鼓、蜂窩等劣化現象的部位應予以鑿除,露出混凝土結構層,并采用環氧砂漿修復。2)被粘貼部位的混凝土,若其表面堅實,也應除去浮漿和油污等雜質,并打磨平整,直至露出集料新面,且平整度應達到5 mm/m;構件轉角粘貼處要打磨成圓弧狀,圓弧半徑應不小于20 mm。3)應按設計要求對裂縫進行修復處理。4)表面打磨后,應用強力吹風器將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

3.2.2 涂底膠

用計量器按預涂樹脂主劑、固化劑的重量2∶1的比例準確計量,用電動攪拌器充分攪拌至顏色完全均勻。為了保證混凝土和纖維布粘結強度,混凝土的表面按規定要求(0.2 kg/m2～0.4 kg/m2)用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面。

3.2.3 不平整修正(找平處理)

混凝土表面的凹凸不平,或在模板接頭處出現臺階高差等因素往往造成纖維布粘結不良。不平整部位的修正應使用橡膠刮刀或灰抹子,將修補膠填充于凹部,盡量減少高度差,不應有楞角,使之都達到平整度要求。

3.2.4 配制粘結樹脂

嚴格按粘結樹脂的配比規定(主劑∶固化劑=3∶1)稱量,攪拌到顏色均勻,確認混合良好為準。粘結樹脂的每次可調制量,以在調制樹脂的固化時間內全部使用完為準。

3.2.5 粘貼碳纖維布時的步驟和要求

1)按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布,除非有特殊要求,碳纖維布長度一般應在3 m以內。2)將配制好的粘結樹脂均勻涂抹于需要粘貼部位的混凝土面上,膠量必須充足、飽滿;在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。3)對于裁好的碳纖維布,在確定所粘貼部位無誤后剝去離型紙,在其上涂刷適量的粘結樹脂,粘貼于已涂好粘結劑的基層面上。4)用特制的滾筒沿纖維方向在已貼好碳纖維布的面上多次滾壓,使粘結樹脂充分浸透到碳纖維布中,使其平整、無氣泡。5)碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200 mm。6)底涂粘結樹脂用手指確認干燥后,在粘貼好的碳纖維布上用涂刷滾均勻涂刷粘結樹脂一道。7)位于板角的部位用角鋼L75×5壓邊,注乳膠水泥或膠粘,并植M10錨栓緊固。

4 質量保證措施和檢驗

1)施工開始前,應確認碳纖維布和粘結劑、底層樹脂、找平材料的產品合格證,質量檢驗報告,各項性能應滿足設計要求和《碳纖維片材加固硅結構技術規程》。2)粘結質量不符合要求割除修補時,應沿空鼓邊沿,將空鼓部分的碳纖維割除,以每邊向外緣擴展100 mm大小之同樣碳纖維材料,用同樣粘結劑,補貼在原處,其施工步驟及做法按前面所述工藝要求進行。3)拉拔強度達不到標準要求時,應將此部分碳纖維布剝去重做。

5 結語

經過一段時間的裂縫觀測,未發現框架梁裂縫的進一步擴展。這表明:通過使用碳纖維加固補強處理,能有效提高框架梁的承載能力,且施工簡便快捷,不增加結構重量,不改變結構外形,不影響原結構正常使用。

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