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岩土研究院

【加固纠偏工程案例】采用聚合物修补加固混凝土技术

39 2023-08-15 18:35:11

混凝土在其未使用前就存有微裂缝,尔后在使用过程中随环境、外力的影响则会产生新缝或使原有裂缝扩展。若不加注意,任其发展,会导致混凝土剥落,甚至整个结构自溃。如施工不当,这种崩溃过程将更为加剧。


20世纪初期,许多混凝土工程出现破损,有的甚至十分严重。“修补”,被提到议事日程。即材料与技术多种多样,为了获得混凝土修补后尽可能长的使用寿命,必须正确选择与使用修补材料。50年代初,开始采用聚合物修补混凝土。随后,聚合物在该领域中的使用急剧增长,原因是陆续出现了新的聚合物系统及在实践中发现了聚合物具有许多适合混凝土修补所需的独特性能,不仅为工程修补节省了大量资金,且加快了修补施工速度,提高了修补质量。现叙述采用聚合物对混凝土进行修补加固的试验与工程应用实例。




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外部粘铜加固法


此法采用合适的胶粘剂粘结衬砌钢板补强承载钢筋混凝土结构。钢板一般选用2~6mm厚的带钢或根据构件形状采用槽钢、角钢。关键是胶粘剂的选用,其中环氧树脂是最合适的。


1.1、ET型建筑结构胶粘剂


该股粘剂由甲、乙两组分组成。其中甲组分由环氧树脂、活性稀释剂、增韧剂、抗老化剂、触变剂、填料等组成;乙组分由固化剂及填料等组成。使用时甲、乙组分按(3~6):1(重量比)拌匀后加入适量干燥洁净的中细砂,充分搅拌即可。其性能见表9-17-1。


1.2、预应力钢筋混凝土T形小梁粘钢加固模拟试验


将一批同一规格露天堆放3~4年的T形梁,分别做4种不同情况下的力学试验,并将所得结果加以比较,为开裂钢筋混凝土构件的粘钢加固提供可靠依据。这四种情况分别为:


1)原始混凝土梁(即未加固梁);

2)粘贴槽钢加固梁;

(3)已开裂梁经粘贴槽钢加固句裂梁用的是经抗弯试验后的原始混凝土梁);

(4)原始梁粘贴槽钢后置户外,经长期自然老化口前3种试验已完成,第4种尚未到龄期。


试验方法是将欲试梁用ET型胶粘剂粘贴槽钢后,采用一点加载、构件两点受力的方法进行抗弯试验。试验结果说明,正常的混凝土构件或严重开裂的构件经粘钢法加固后,钢件与原构件能协同工作,使构件的承载能力有不同程度的提高。



1.3、应用实例


1)变电站混凝土架构横梁加固:我国变电站多建于50年代,经长期运行,横梁的主筋(特别是胁梁底部)因混凝土剥落而严重锈蚀,对安全运行造成极大威胁。为了不影响正常供电和节约更换费用,采用外贴钢板加国4首家采用的是福州供电局,至今已9年,运行正常,说明性能可靠。目前有近百个变电站采用此法加固。


2)屋面框架主梁裂缝修补加固:苏州二六七厂光栅刻划精密车间屋面主梁为三跨连续粱。l979年建成投入使用。同年装修吊顶时发现离梁端1.8~2.lm处出现第一条裂缝。至l991年,明显裂缝已有3条(微小裂缝未计),但未发现挠度有明显增大。经用回弹仪测试裂缝附近混凝土强度不低于C20,决定采用ET胶粘剂外贴钢板进行修补加固。5年来加固梁未出现异状。



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聚合物水泥砂浆嵌填法


用聚合物水泥砂浆作破损混凝土的嵌填修补材料。这种材料是以聚合物和水泥为胶结料拌和砂、水而成。试验采用的聚合物为聚丙烯酸酯乳液。


2.1、配合比


净浆:水泥:乳液=1:1(体积比);

砂浆:水泥:砂:乳液:水=1:(1~2):(0.20~0.30):(0.10~0.20)(重量比)。


2.2、应用实例


1)混凝土构筑物缺陷、缺损修补:在电力部门(包括电厂烟囱、冷却塔;送变电部门的架构、电杆;水电站的大口径输水管等构筑物)已有400多个单位用于修补施工。上述有缺陷的构筑物与制品通过涂刷、嵌填,恢复了整体性,提高了耐久性。


2)房屋建筑屋面、地下室的防渗抹面与渗漏修补:江苏省吴江市粮食学校屋面与太原市面粉厂地下室,采用该乳液配合其他材料解决了渗漏问题。



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聚合物浸渍法—负压常温聚合物浸渍法


昆山市某邮局为3层框架结构楼房。1985年初竣工,同年5月发现二楼、三楼混凝土梁两端出现不同长度与宽度的斜裂缝。裂缝基本稳定后对裂缝及裂缝两侧疏松混凝土进行增强修补。具体做法如下:


1)清理基层。
2)制作浸渍腔。用小钉与胶粘剂将术条按浸渍腔大小与形状固定在混凝土上。在木框内衬塑料窗纱,外覆装有气嘴的薄膜。用带有小钉的木条将薄膜固定在术框上。木框四周涂密封膏,以保证密封。
3)浸渍腔通过气嘴与真空系统连接,抽真空,进料(以苯乙烯为主的三元共聚液)。
4)浸溃区内混凝土被单体饱和后,即停止进料,但仍保持一定真空度;以使薄膜紧贴混凝土表面。
5)单体凝聚,停止抽真空,毛拆除浸渍溃腔。
6)用环氧树脂砂浆找平混凝土基层缺损处。
7)在所有已固化的含树脂材料的表面上薄薄涂上一层环氧胶粘剂,随即撤干砂。最后抹罩面层。


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树脂灌注法


4.1、SEM灌注液


SEM灌注液是以苯乙烯为主的三元共聚液,它的粘度低,可灌性好,适用于细裂缝的重力灌注。其抗折粘结强度为4.24~5.17MPa。


模拟试验:取8m预应力混凝土电杆1根,固定在抗弯试验台座上。用倒链加弯曲荷载使杆身均匀出现2条环向裂缝,其中最大缝宽达0.5mm。选择5条裂缝进行修补,宽度0.4~0.5mm。操作步骤为清理表面→粘封软带→灌注SEM液。15d后铲除软带及表面剩余的聚合物。采用同样方法加荷使电杆再次裂缝。由于所加荷载更大,未经修补的17条裂缝长宽都更突出,有的已接近一半周长。而经修补的5条裂缝中有1条始终未见开裂,另4条只是在各缝附近出现宽度约0.2mm以下的新裂缝,说明修补有效,裂缝被粘合,电杆强度得到恢复。


4.2、EG型灌注液


EG型灌注液是以活性稀释剂配制的环氧树脂灌注液。由于环氧树脂有粘结力好、强度高、收缩小等优点,用其配制的灌注液的粘结力、内聚力均大于混凝土自身抗拉强度。


1)性能:抗压强度35.2~40.4MPa;抗折强度8.4~8.9MPa;抗折粘结强度6.3~7.3MPa(断面在混凝土)。

2)应用实例:苏州市某大桥为箱形结构预应力钢筋混凝土桥。由于设计和施工等原因,建造过程中南、北箱梁壁上都有程度不一的裂缝,总数达50多条。这些裂缝多为规则的竖向缝,由箱内壁向箱外壁纵深发展。其中约80%的裂缝宽度在0.3~1.0mm,长40~70cm;约10%的裂缝宽度大于1.2mm,长度超过120cm,并且贯通箱壁;待裂缝稳定后采用EG灌注液进行压力灌浆补强处理。至今已8年,效果良好。由此说明采用环氧压力灌浆法,不仅封闭了裂缝,且能承受动荷载的作用,完全恢复了桥梁的强度。苏州铜材厂熔铸板带车间屋架吊装施工中,有一榀屋架由于设备事故,在翻身移位时落地,造成7处裂缝,决定对下弦受拉区开裂部位采用EG型灌注液进行重力灌注。为检查裂缝内的填充情况,还进行了灌注前后超声波无损探伤,结果良好。

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修补加固方法评价


5.1、外部粘钢加固法是用胶粘剂将钢板粘贴在构件受拉区,从而恢复和提高构筑物的承载力。ET型建筑结构胶粘剂粘结强度高,对混凝土与钢板的粘结力均大于混凝土本身的抗拉强度;自身抗拉强度为9.8MPa,几乎是普通水泥砂浆的l倍,因而可将钢板与混凝土粘合牢固。需指出的是,ET胶粘剂的固化收缩虽很小,但由于环氧树脂的膨胀系数一般都比混凝土大,弹性模量则比混凝土小,在胶粘剂与基底混凝土的界面会产生很大的剪力。若剪力超过基底混凝土的抗拉强度,粘结部位邻近的混凝土便会断裂。因而在使用中需注意胶粘剂配方的合理性并控制胶粘剂层的厚度。另外,环境温度大于80℃的场合要慎用。


5.2、环氧压力灌浆法是修补混凝土结构裂缝的又一手段。EG灌注液不同于水泥悬浮液,其自身粘度小,可渗入混凝土的微裂缝,借助压力灌浆机具可灌到宽0.05mm的细缝中,超声波非破损检测结果证明其充填良好。由于浆料与混凝土的高粘结力,其自身抗拉强度高,可恢复开裂构件的整体强度。


5.3、采用负压常温聚合物浸渍法对开裂混凝土梁进行修补增强,可对不规则裂缝及其周围疏松混凝土进行密封增强。聚合物单体迅速填充空隙,经过一定时间聚合反应变为坚硬的塑料。用浸渍工艺修补,不需拆除原有结构,避免了结构件可能的暂时变弱和超荷承重。它充分保留和利用了原结构,因而施工操作简便。对生产和使用影响较小,可在不停产的条件下施工,具有明显的社会经济效益。


5.4、用聚合物水泥砂浆作嵌填修补材料,恢复构件整体外形。聚合物水泥砂浆由聚合物水溶液或乳液拌和水泥、砂而成,由于聚合物的高粘结力,使聚合物水泥砂浆提高了与基底混凝土的粘结力,也提高了砂浆本身内部水泥浆体与集料的粘结力,故其粘结强度与抗拉强度均大于基底混凝土抗拉强度。试验证明,用乳液配制的聚合物水泥砂浆与原砂浆粘结力几乎是普通砂浆的6倍,抗拉强度为1.4倍。


聚合物水泥砂浆中由于聚合物乳液加入,具有明显的塑化效应,因而制备等流动性的砂浆时,与无聚合物的相比,水灰比显著减小。聚合物的加入,还使混凝土结构均匀,减少了毛细通道,给聚合物水泥砂浆带来干缩小、密实、抗渗性好等优点。国外学者通过用压录测孔仪对聚合物水泥砂浆孔隙进行测定,结果与未改性砂浆相比,大孔减少,小孔则大大增加。上述性能使聚合物水泥砂浆成为防止钢筋腐蚀的优异保护材料和防渗材料。另外,由于它仍是一种水泥基材料,碱度高,可在钢筋表面形成一层钝化膜;热膨胀系数和弹性模量与基底混凝土接近,减小了界面应力,保证了被修补混凝土的耐久性。这类材料在美国作为桥面修补的应用已有20多年历史。


作为混凝土的修补材料,无论是结构修补还是非结构修补,最基本的是其必须对基底混凝土具有强的粘结力。正因为聚合物具备良好的粘结性能,无论单独使用还是与无机材料复合使用,都是一种优异的修补材料。应结合工程特殊需要,取其突出的某项性能。选择修补材料时,例如作为结构加固的胶粘剂,应选择粘结强度大的环氧树脂。具体实施时尚须使其配方得当,提高胶粘剂弹性模量和降低热膨胀系数,使它尽量与基底混凝土接近。还要考虑使用场合,扬长避短。对大面积和厚层嵌填修补采用聚合物水泥砂浆就比树脂砂浆更合适,因它们的弹性模量、热膨胀系数与基底混凝王更接近;而在小面积范围内的薄层修补采用树脂砂浆是可行的,特别是在要求快速修补与结构加固的场合。