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岩土研究院

【加固纠偏工程案例】开裂混凝土梁和节点的快速修复试验研究

21 2023-08-31 10:15:10

快速修复是在防灾抗灾工作中针对受灾建筑物迅速恢复承载能力而提出的。当灾情发生后,快速恢复生产、生活、通电、通水,快速重建交通和通讯系统显得尤为重要。对因受灾而不能使用的危险建筑物进行快速修复,使其在24~72h内达到原有强度,使灾区生产、生活很快得以恢复有重大意义,它在灾区的重建中将起难以估量的巨大作用。

受灾房屋快速修复在国内刚刚起步,本节对3根混凝土梁、2个混凝土节点试件在模拟灾害性荷载作用下开裂后,采用环氧水泥快速修复进行了研究。3根梁设计成斜拉破坏(3根梁完全相同),2个节点设计成核心区破坏(2个节点也完全相同)。混凝土试件采用木模,平放浇捣,混凝土的设计强度等级为C20。


1、混凝土梁快速修复后性能的试验研究


1.1、梁的试验情况

梁采用分级加载,第1根梁L1完全压破,不作修复(用来和修复后的梁L2进行比较)。梁L1压到50kN时出现斜拉裂缝,荷载加到60kN时斜裂缝宽度开展2mm。当荷载达到70kN时突然破环,梁沿斜拉裂缝被撕开,梁L1在加载过程中只有主斜裂缝的宽度明显发展,其他裂缝基本不变。

梁L2、L3压到60kN时,斜拉裂缝开展2mm左右。即停机、卸载。梁L2修复后做静力试验,并与梁L1静力试验值比较。梁L3上疲劳试验机做疲劳试验。


1.2、梁L2、L3的修复过程

梁L2、L3加载到60kN后卸载,用凿子凿去松动的混凝土,用空压机吹去松动的混凝土颗粒和灰尘,然后用酒精清洗混凝土表面,待酒精挥发后,用环氧水泥在破损面上涂上一层。

环氧水泥的配比为:环氧树脂(6101号):乙二胶:磷苯二甲酸丁二脂:水泥=100:7:5: 150。用环氧水泥封缝,并预留灌浆孔。预留灌浆孔的方法是把在熔化的蜡中浸过的短钢筋插入裂缝后封缝。

封缝所用的环氧树脂的配方为:环氧树脂(6101号):乙二胺:磷苯二甲酸丁二脂:甲苯=100:7:5:300,待封缝的环氧水泥固化后即可灌浆。

梁的两侧各设置3个灌浆孔,前后两侧的灌浆孔错开,先对正面的3个孔灌浆,反面的钢筋不拔出,由下而上灌浆至下面一个孔灌的浆由上一孔冒出时为止。把钢筋插入洞内,当灌到最上一孔时,打开反面对应的孔,反面灌浆过程与正面相同。

灌浆的浆液配方是:环氧树脂(6101号):乙二胺:磷苯二甲酸丁二脂:甲苯=100:9:8:50。灌浆后在破损处支模,灌入环氧水泥。环氧水泥的配方是:环氧树脂(6101号):乙二胺:磷苯二甲酸丁二脂:水泥=100:8:5:300。12h后可拆模,36h后可进行试验。


1.3、修复后梁的静力试验

梁L1和修复后的梁L2的静力试验方法相同。

(1)破坏形态和极限荷载梁L1是斜拉破坏,破坏是脆性的,突然沿斜裂缝撕开,梁L1的极限荷载为70kN。修复后的梁L2是中间正截面受弯破坏,极限荷载为90kN。

(2)裂缝开展梁Ll的荷载加到50kN时出现斜裂缝,随荷载的增加,一条主斜裂缝不断加宽,其他裂缝发展很慢,加载到60kN时主斜裂缝开展到2mm左右,当荷载增加到70kN时、梁L1沿主斜裂缝撕开,裂缝宽达10mm。

(3)修复后的梁L2加载到70kN时,梁中部产生受弯裂缝。随荷载增加,其中一条裂缝发展成主裂缝。荷载加到80kN时主裂缝开展到2mm左右,当达到极限荷载90kN时,梁上边缘混凝土压碎,直至破坏,修复后的梁L2都未出现斜裂缝,用环氧修复的部分未出现裂缝。


1.4、修复梁的疲劳试验

疲劳试验中取上限35kN,下限10kN,200万次。1号12万次;2号50.6万次;3号85万次,该试验在86万次开裂(修补处);4号152万次,该试验在120万次,中间混凝土开裂;5号165.5万次,裂缝基本未变化(裂缝宽度和数量均未增加);6号200万次,裂缝基本未变化。环氧补强部位在86万次时开裂,到200万次未发展,梁中部在l20万次时也未变化。疲劳试验结束时梁静压90kN破坏,破坏形态是斜拉破坏。

由修复梁的试验可见,修复后梁无论是变形还是承载能力都优于原粱。修复后梁的破坏形态发生了变化,从斜拉脆性破坏变为梁中部受弯破坏。疲劳试验200万次结束后梁未破坏,且疲劳试验结束后的静力试验的极限荷载为90kN,超过原梁(70kN),所以修复是有效果的。


2、混凝土节点快速修复后反复加载的试验研究


2.1、混凝土节点加低周反复荷载

由于是核心区破坏,所以采用荷载控制加载。主要测试内容为荷载与荷载作用点的位移的关系(由x-y记录仪画出滞回曲线)、节点的剪切变形与剪力的关系、梁端转动与梁端弯矩的关系。

节点J1的荷载加到55kN时节点核心区出现斜裂缝,核心区初裂,随荷载的增加和反复,裂缝时闭时开,裂缝会不断加宽,荷载加到90kN时,节点核心区完全破坏,混凝土压碎。


2.2、混凝土节点修复过程

节点J2压到90kN时卸载,取下试验台修复。具体修复过程如下:用凿子凿去松动的混凝土,用空压机吹去小块混凝土和灰尘,用工业酒精清洗表面。待酒精挥发后,用环氧水泥在表面涂上一层。还氧水泥的配方为:环氧树脂(6101号):乙二胺:磷苯二甲酸丁二脂:水泥=100:7:5:150。在破损处支模,灌入环氧水泥,此处还氧水泥的配方为:环氧树脂(6101号):乙二胶胺:磷苯二甲酸丁二脂:水泥=100:7:5:300。待环氧水泥固化后拆模,用冲击电钻在节点核心区前后各打两排孔。打孔后,用空压机吹去灰尘,从孔里向节点核心区灌浆。灌浆分两次,第一次灌浆结束后0.5h再灌浆。灌浆压力基本保持在50N/cm3。浆液的配方是:环氧树脂(6101号):乙二胺:磷苯二甲酸丁二脂:水泥=100:9:8:100。灌浆完成后用环氧水泥封缝。36h后即可进行试验。


2.3、节点修复后的试验

修复后节点J2与节点J1试验方法相同。

(1)破坏形态和极限荷载,节点J1是核心区破坏,极限荷载为90kN,破坏时核心区混凝土完全压碎。修复后节点J2是梁端受弯破坏,是由梁纵筋屈服引起,极限荷载为70kN。

(2)裂缝开展,节点J1,当荷载加到55kN时初裂,梁端没有出现裂缝。修复后的节点J2,当荷载加到50kN时梁端出现受弯裂缝,在节点核心区没有出现裂缝。原节点的刚度虽大于修复后节点,但从耗能看,修复后的节点优于原节点:① 修复节点试件由原节点核心区破坏转化为不破坏并促使梁铰出现,这对抗震有利;② 修复节点试件的滞回阻尼大于原节点试件。


3、结语


通过修复梁静力试验和200万次疲劳试验以及修复节点反复荷载试验研究,可得出如下结论:

(1)修复后梁无论是变形还是承载能力都优于原梁,修复后梁的破坏形态发生了变化,从斜拉脆性破坏变为梁中部受弯破坏。200万次疲劳试验修复梁也未被破坏,说明修复是有效果的。

(2)修复后节点试件由原节点核心区破坏转化为不破坏并促使梁铰出现,破坏形态发生了变化,另外修复节点试件的滞回阻尼大于原节点试件,这些对抗震是有利的)

(3)开裂混凝土梁和节点采用环氧水泥灌浆修复效果是十分显著的,特别对只有个别主裂缝的构件是十分有效的,且速度相当快。但对有许多分布裂缝的构件,效果就不很显著,且施工也较为复杂。