專利名稱：一種用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方法
技術領域：
本發明屬于混凝土加固補強技術領域，涉及用纖維編織網和水泥基材料加 固補強混凝土的方法。
背景技術：
結構經長期使用會發生老化，還會因環境侵蝕、物理作用或他因素影響， 性能發生退化，或遭到損傷甚至破壞。土木工程結構中存在大量需要加固補強、 補裂的混凝土結構。常用的結構加固法有加大截面加固法，體外預應力加固法、 外包鋼加固法、噴射混凝土法、增設構件加固法、增設支點加固法等，這些加 固方法一般施工都比較復雜。
隨著環氧樹脂等建筑結構膠的面市，出現了外貼鋼板加固法，該方法施工 簡單，但是對復雜的結構表面難以加固，且不耐高溫；相比粘鋼加固，粘貼纖 維布加固法(FRP)使結構具有較好的耐腐蝕性及耐久性能，幾乎不增加結構 的體積和重量，得到廣泛使用。但由于纖維布和混凝土的結合采用了改性環氧 樹脂等有機膠粘劑，因此對環境條件要求嚴格，不適應潮濕的加固表面和高溫、 低溫等環境，且只起加固作用，對需要保護的受力鋼筋，還要附加保護措施。 纖維布增強混凝土彎曲構件時，容易發生粘結破壞。
為了既能利用纖維材料的輕質高強、施工簡易的特點，又能避免使用粘接 劑，并降低纖維用量，德意志研究聯合會(Deutsche Forschungsgemeinschaft， DFG)支持的合作研究中心從1999年開始研究用纖維編織網增強混凝土 (Textile Reinforced Concrete,簡稱TRC)對結構加固補強。TRC是多軸纖維 編織網和精細混凝土的結合，纖維編織網主要用碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃 纖維等纖維編織，精細混凝土即骨料粒度很小的混凝土， 一般精細混凝土的成
分為水泥、硅砂和水，為了滿足高流動性、黏聚性和保水性等工作性能以及構 件的耐久性，還可以適量加入I級粉煤灰和硅灰等活性材料。澆筑很薄的 (10-20醒)一層TRC即可以大幅度提高承載能力，且改善裂縫形式，耐高溫、潮
4濕和腐蝕。在該研究所發表的文章"Textile Reinforced Concrete for Strengthening in Bending and Shear (A. Bruckner, R. 0rtl印p， M Curbach. Materials and Structures, 2006， 39: 741-748)"中提到，采用抗堿玻璃 纖維編織網和精細混凝土對梁加固，提高了原結構的承載能力，限制了裂縫。 但是在他們發表的文章"Anchoring of Shear Strengthening for T-Beams Made of Textile Reinforced Concrete (TRC) (A. Bruckner, R. 0rtl印p， M. Curbach. Materials and Structures, 2007)"中指出，在一定的受力狀態 下，由于TRC加固層和原構件的界面剪應力大于界面粘結力，從而導致界面剝 離破壞。雖然該文獻提到可以在TRC加固層表面用機械錨固的方式阻止TRC和原 構件的界面發生剝離破壞，但增加了施工的復雜性，也只能從宏觀上避免剝離 現象的發生，不能從微觀上避免TRC與原構件之間的界面、以及TRC中精細混凝 土和纖維編織網間界面的剝離，因此不能保證原構件、精細混凝土、纖維編織 網之間的協同受力。
申請號為200510046878.X的專利申請公開了一種纖維編織網和短纖維聯 合增強水泥基復合材料的方法，短纖維主要選擇聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、 碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、聚丙烯纖維，該技術可以進一步限制裂縫 寬度。申請號為200510047049. 3的專利申請公開了一種纖維編織網和混凝土的 粘接技術，纖維編織網先用環氧樹脂浸漬，然后表面均勻噴撒細砂，待環氧固 化后再埋入混凝土，以加強與混凝土的粘結。這兩種技術如果應用到TRC加固 已有建筑，可以改善精細混凝土的性能，加強纖維編織網和精細混凝土的結合， 但不能解決因界面剝離而影響加固效果的問題。
發明內容
本發明的目的，在于提供一種用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的 方法，該方法在具備TRC加固技術的改善裂縫形式、適應各類環境、加固層薄 等特點的同時，還能使界面間牢固結合，從宏觀和微觀上避免界面上出現剪切 剝離破壞，充分發揮纖維的抗拉作用，保證加固效果。
本發明的技術方案為一種用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方 法，是在結構的外表面澆注總厚度為10 20mm的纖維編織網和精細混凝土，纖 維編織網為二層或二層以上時，纖維編織網之間的距離大于或等于2mm，且均勻分布，最內層纖維編織網與待加固結構表面之間的精細混凝土厚度為
2~5mm，最外層纖維編織網表面精細混凝土厚度為3~5mm，精細混凝土的骨料 最大粒徑為0. 5~4mm，強度等級大于或等于被加固結構混凝土的強度等級，其 特征在于，加固施工包括以下步驟
(1) 將待加固結構表面加工成凹凸不平狀，去除油垢、顆粒和灰塵；
(2) 在結構表面鉆孔，孔在結構表面均勻分布，孔間距等于纖維編織網 網格邊長的整倍數，孔的直徑比待插入的U型抗剪銷釘端腳外徑大2 3mm，去 掉孔中的灰塵；
(3) 第一層纖維編織網的張拉固定將纖維編織網掛到結構表面，用兩 端腳長度不同的U型抗剪銷釘的短端腳鉤住纖維編織網，長端腳涂抹建筑結構 膠后插入孔中，待膠固化；張拉固定后纖維編織網與待加固結構表面之間的距 離，等于纖維編織網與待加固結構表面之間精細混凝土的厚度；
(4) 待加固建筑物表面用水濕潤，將攪拌好的精細混凝土噴射到結構和 第一層纖維編織網之間，以及第一層纖維編織網表面；
(5) 鋪設第二層纖維編織網時，將纖維編織網掛到精細混凝土表面，在 精細混凝土初凝以前，用兩端腳長度不同的U型鉤的短端腳鉤住纖維編織網， U型鉤的長端腳插入第一層纖維編織網表面的精細混凝土中，再噴射精細混凝 土；
(6) 第三層及其外層纖維編織網的鋪設方法同步驟(5);
(7) 濕水養護精細混凝土至齡期。
在被加固結構表面植入U型抗剪銷釘，能夠增加精細混凝土和原結構之間 的抗剪性能，使精細混凝土與原結構之間可靠粘結，防止界面上出現剪切剝離 破壞，加固層能與原構件很好的協同受力。U型抗剪銷釘和U型鉤對纖維編織 網的固定作用，不僅進一步保證加固層與原結構之間的可靠粘結，同時也保證 了纖維編織網與精細混凝土之間可靠粘結，防止它們之間的裂縫和剝離。可以 根據結構需要界面承受的剪應力，來確定需要布設U型抗剪銷釘和U型鉤的多 少。
采用噴射方式澆注的精細混凝土，由于高壓作用，提高了精細混凝土的密 實性，具有初凝快、早期強度發展快的特點，噴射到結構表面能迅速與結構粘結到一起，不會流下，特別適合于結構底面、側面的加固，也方便u型鉤的插 入和固定。
U型抗剪銷釘從U型頂部到兩個端腳底部的長度可以分別為40~50mra和 3~5mm， U型鉤從U型頂部到兩個端腳底部的長度分別為5~10mm和3~5mm。
纖維編織網可以采用以下一種纖維、或者徑向和諱向分別用以下兩種不同 纖維編織碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、 聚乙烯纖維。被加固結構截面上所需的纖維束總截面積，可以根據原結構的承 載要求、截面規格、鋼筋的配置，按照現有的粘帖纖維布加固的計算理論，代 入纖維編織網采用纖維的抗拉強度、極限拉應變和彈性模量，由加固后的截面 平衡方程求得。再結合限裂要求，確定適當的纖維編織網的網格尺寸和所需要 鋪設的層數。
精細混凝土的成分主要為水泥、硅砂和水，為了滿足高流動性、黏聚性和 保水性等工作性能以及構件的耐久性，還可以適量加入I級粉煤灰和硅灰等活 性材料，其中I級粉煤灰的摻量為水泥、I級粉煤灰、硅灰等膠凝材料質量之 和的20%~40%，最佳摻量為25%~30%;硅灰的摻量為水泥、I級粉煤灰、硅灰 等膠凝材料質量之和的5~10%，最佳摻量為6%~8%。在配制精細混凝土時，應 根據強度等級和工作性能要求，確定水泥的標號、硅砂的規格以及膠凝材料和 水的質量比。
精細混凝土中加入短纖維可以提高精細混凝土的抗開裂能力和韌性，限制 裂縫寬度，加入的短纖維與精細混凝土的體積比為0.5~2%，短纖維的長度最 好小于纖維編織網網格邊長。攪拌方法為先將水泥、I級粉煤灰、硅灰和硅 砂用攪拌機攪拌2 3分鐘，攪拌均勻后加入水和減水劑，攪拌2 3分鐘，減水 劑質量為水泥、I級粉煤灰、硅灰質量之和的0.5%~1.5%;再加入短纖維，攪 拌3~5分鐘。
短纖維可以采用碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、聚乙烯醇纖維、聚 乙烯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維，同時用一種或一種以上。
為使纖維編織網和精細混凝土界面之間更好地粘結，并使纖維束協同受 力，具有更高的抗拉強度，可以在纖維編織網掛到結構表面之前，先浸漬或涂 抹環氧樹脂，然后均勻噴撒硅砂，浸漬纖維編織網的環氧樹脂、固化劑、稀釋劑的質量比為65 70: 60~80: 30~35。
在噴射精細混凝土之前，可以先在待加固建筑物表面涂刷界面劑，以便更 好地保證加固層和原構件之間的界面粘結。界面劑可以是水性環氧、丙乳1#、 丙乳2#、環氧膠泥等有機界面劑，也可以是水泥凈漿或砂漿、摻礦物摻合料的 水泥漿或水泥砂漿、摻有膨脹劑的水泥漿或水泥砂漿等無機界面劑，根據構件 所處的環境選擇。
本發明的加固方法不僅具備大幅度提高結構承載能力、改善裂縫形式、適 應各類環境、加固層薄等特點，還能保證加固層與原結構之間、纖維編織網與 精細混凝土之間界面的牢固粘結，能夠在高應力下避免界面微觀裂縫的產生， 有效防止界面剝離破壞。對建筑結構的加固可靠、簡單、高效且環保，適用于 各種結構類型的加固修補。
圖1為一種結構單面加固示意圖
圖中1為被加固結構，2為精細混凝土， 3為纖維編織網，4為U型抗剪 銷釘，5為U型鉤。
圖2為U型抗剪銷釘示意圖 圖3為U型鉤示意圖
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。本發明的范圍不限于該實施例。 用本明的方法加固一樓房樓面面板，原結構計算跨度為1200mm，截面尺
寸為寬b二300mm，厚度h=60mm;環境類別為一類，混凝土強度等級為C30，抗
壓設計強度厶=14. 3N/mm2，原結構配置了 3根直徑為8rara的HPB235級受力主
筋，抗拉設計強度/;=210 N/mm2，受力主筋保護層厚度為15腿，跨中截面彎
矩設計值為l.O認'm，由于該樓面面板需要臨時承受超過設計荷載的力，在 新荷載作用下，跨中最大彎矩應達到3認 m，需要對結構進行加固。 首先計算纖維編織網的總截面積
由于精細混凝土澆筑厚度小，可以不考慮精細混凝土的抗拉強度，力完全由玻璃纖維編織網來承擔，采用現有的粘帖纖維布加固理論，即用截面力和彎 矩的平衡方程來計算所需要的纖維編織網的數量。
擬采用由玻璃纖維編織而成的纖維編織網，其抗拉強度為/,3200Mpa，
極限拉應變^ =0.045，彈性模量E,65GPa，設計加固層總厚度為IO腿。
將已知參量代入截面力和彎矩的平衡方程，求得玻璃纖維編織網的總截面 積力=38.6皿2。只要纖維編織網的總截面積等于或大于38.6mm2，結構的承載
性能就能滿足跨中截面彎矩M二3kN m的加固要求。
本加固設計的纖維編織網的網格尺寸選用15腿X15mm，單束纖維面積為 0. 78mm2，單層網在300腿的截面寬度內有18束纖維。配置3層纖維編織網時， 徑向受力的玻璃纖維實際布設總面積為A =0. 78x18x3=42. 12 mm2，滿足設計要求。
如圖1所示，加固施工步驟如下
(1) 被加固結構1表面處理用硬毛刷粘碳酸鈉溶液清洗油污，再用淡水沖
洗；用鐵錘和鑿子敲打待加固建筑表面，形成隨機的凹凸不平狀，再用清潔壓
縮空氣吹掉顆粒和灰塵；
(2) 被加固結構l表面鉆孔在結構表面縱橫向每隔2個網格鉆孔，即孔 距為45腿，孔的直徑約6mm，孔深為40mm，成孔后將孔內灰塵清理干凈；
(3) 將第一層纖維編織網3掛到結構表面，將U型抗剪銷釘4的短端腳鉤 住纖維編織網3，長端腳涂抹建筑結構膠后插入孔中，待膠固化，纖維編織網 距加固面2mm;
U型抗剪銷釘4的端腳外徑為4mm，長端腳長度為43rran,短端腳為3mm。
纖維編織網可以先做表面處理將環氧樹脂、固化劑和稀釋劑按l: 1: 0.5
的比例混合攪拌，待其充分混合后，用刷子均勻涂刷在纖維編織網的表面(兩 面涂)，保證環氧樹脂浸入到纖維粗紗中和浸漬的均勻性。待纖維網表面均勻 布滿環氧樹脂后，將細砂均勻涂在纖維編織網表面，待環氧樹脂硬化。
(4) 制作精細混凝土將500 kg/m3的52.5硅酸鹽水泥、180 kg/ m:，J I 級粉煤灰、40 kg/ 1113的硅灰、800 kg/ m3、粒徑為0 1.2腿的硅砂用攪拌機 攪拌2分鐘，攪拌均勻后加入252 kg/m3的水和4. 0 kg/m3的Sika三代減水劑，
9攪拌3分鐘，最后加入體積比為0.5%、長度為8mm的聚丙烯短纖維，再攪拌4 分鐘。
(5) 待加固結構l表面用水濕潤，將攪拌好的精細混凝土 2噴射到結構1 和第一層纖維編織網3之間，以及纖維編織網表面，在纖維編織網表面噴射的 精細混凝土厚度為2mm。
(6) 將第二層纖維編織網3掛到精細混凝土 2表面，在精細混凝土初凝以 前，用U型鉤5的短端腳鉤住纖維編織網3，長端腳插入精細混凝土 2中，再 噴射精細混凝土； U型鉤5的長端腳長為5mm，短端腳長為3ram，端腳外徑為 4腿。
(7) 第三層纖維編織網3的施工方法同第二層，第三層纖維編織網表面噴 射精細混凝土厚度為4ram。
(8) 濕水養護精細混凝土至齡期。
實驗室試驗
試件與上述被加固后的樓板完全相同。采用四點彎曲試驗，兩個加載點之 間的距離(即純彎段)為300腿，試驗機采用1000KN微機控制液壓伺服試驗 機，分級加載控制。在結構底面純彎段布置應變片測量開裂荷載，在試件側面 加固層和原構件的界面承受最大剪力處，以及纖維編織網和精細混凝土的界面 承受最大剪力處，布設應變片測量開裂荷載，用荷載傳感器記錄荷載，跨中撓 度用兩個LVDT測量，采集設備為德國進口的IMC (Integrated Measurement & Control)。
通過分級加載，測得試件的跨中截面彎矩實際可以達到4.5kN'm，超過 了原加固要求。在整個加載過程中，通過界面布設的應變片沒有觀測到微觀裂 縫，說明本加固方法能夠在高應力下避免界面微觀裂縫的產生，有效防止界面 剝離破壞。
在試驗中還發現，試件表面在設計允許的裂縫寬度范圍內，開裂后裂縫發 展緩慢，且裂縫之間距離較小，證明了本加固方法對結構裂縫的限制和改善。
權利要求
1、一種用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方法，是在結構的外表面澆注總厚度為10～20mm的纖維編織網和精細混凝土，纖維編織網為二層或二層以上時，纖維編織網之間的距離大于或等于2mm，且均勻分布，最內層纖維編織網與待加固結構表面之間的精細混凝土厚度為2～5mm，最外層纖維編織網表面精細混凝土厚度為3～5mm，精細混凝土的骨料最大粒徑為0.5～4mm，強度等級大于或等于被加固結構混凝土的強度等級，其特征在于，加固施工包括以下步驟(1)將待加固結構表面加工成凹凸不平狀，去除油垢、顆粒和灰塵；(2)在結構表面鉆孔，孔在結構表面均勻分布，孔間距等于纖維編織網網格邊長的整倍數，孔的直徑比待插入的U型抗剪銷釘端腳外徑大2～3mm，去掉孔中的灰塵；(3)第一層纖維編織網的張拉固定將纖維編織網掛到結構表面，用兩端腳長度不同的U型抗剪銷釘的短端腳鉤住纖維編織網，長端腳涂抹建筑結構膠后插入孔中，待膠固化；張拉固定后纖維編織網與待加固結構表面之間的距離，等于纖維編織網與待加固結構表面之間精細混凝土的厚度；(4)待加固建筑物表面用水濕潤，將攪拌好的精細混凝土噴射到結構和第一層纖維編織網之間，以及纖維編織網表面；(5)鋪設第二層纖維編織網時，將纖維編織網掛到精細混凝土表面，在精細混凝土初凝以前，用兩端腳長度不同的U型鉤的短端腳鉤住纖維編織網，U型鉤的長端腳插入第一層纖維編織網表面的精細混凝土中，再噴射精細混凝土；(6)第三層及其外層纖維編織網的鋪設方法同步驟(5)；(7)濕水養護精細混凝土至齡期。
2、 根據權利要求1所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方 法，其特征在于，纖維編織網采用以下一種纖維、或者徑向和緯向分別用以下 兩種不同纖維編織碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維、聚乙烯 醇纖維、聚乙烯纖維。
3、 根據權利要求2所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方法，其特征在于，精細混凝土主要由水泥、I級粉煤灰、硅灰、硅砂和水組成，其中I級粉煤灰的摻量為水泥、I級粉煤灰、硅灰質量之和的20%_40%，硅灰的 摻量為水泥、I級粉煤灰、硅灰質量之和的5-10%。
4、 根據權利要求3所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方 法，其特征在于，在精細混凝土中加入與精細混凝土的體積比為0.5-2%的短纖 維，攪拌方法為先將水泥、I級粉煤灰、硅灰和硅砂用攪拌機攪拌2-3分鐘， 攪拌均勻后加入水和減水劑，攪拌2-3分鐘，減水劑質量為水泥、I級粉煤灰、 硅灰質量之和的0.5%-1.5%;再加入短纖維，攪拌3-5分鐘。
5、 根據權利要求4所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方 法，其特征在于，短纖維采用碳纖維、芳綸纖維、耐堿玻璃纖維、聚乙烯醇纖 維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維，同時用一種或一種以上。
6、 根據權利要求5所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方 法，其特征在于，纖維編織網掛到結構表面之前，先浸漬或涂抹環氧樹脂，然 后均勻噴撒硅砂，浸漬纖維編織網的環氧樹脂、固化劑、稀釋劑的質量比為 65~70: 60~80: 30 35。
7、 根據權利要求5或6所述的用纖維編織網和精細混凝土加固建筑結構的方法，其特征在于，在將纖維編織網掛到結構表面之前，先在待加固建筑物表 面涂刷界面劑。
全文摘要
本發明屬于混凝土加固補強技術領域，涉及用纖維編織網和水泥基材料加固補強混凝土的方法。是在結構的外表面澆注總厚度為10～20mm的纖維編織網和精細混凝土，其特征在于，施工時先在結構表面鉆孔，用兩端腳長度不同的U型抗剪銷釘的短端腳鉤住纖維編織網，長端腳涂抹建筑結構膠后插入孔中，待膠固化，噴射精細混凝土，再用兩端腳長度不同的U型鉤的短端腳鉤住第二層纖維編織網，長端腳插入精細混凝土中，再噴射精細混凝土。本發明能夠在高應力下避免界面微觀裂縫的產生，有效防止界面剝離破壞，對建筑結構的加固可靠、簡單、高效且環保，適用于各種類型結構的加固修補。
文檔編號E04G23/02GK101476396SQ200910010259
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者尹世平, 徐世烺, 李慶華 申請人:大連理工大學