一種混凝土結構加固方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種混凝土技術領域；特別是涉及一種混凝土結構加固方法。
【背景技術】
[0002] 混凝土結構是指采用混凝土為原料得到的建筑結構，為了提高混凝土結構強度， 混凝土結構中常常采用碳纖維布進行加固，以提高混凝土結構構件的抗拉、抗剪和抗震加 固。碳纖維布加固原理是：采用高性能的結構膠粘劑粘結于混凝土構件的表面，與結構膠粘 劑協調作用，可構成完整的性能卓越的碳纖維布片材增強體系，利用碳纖維材料良好的抗 拉性能，達到增強結構構件承載能力的目的。
[0003] 目前在粘結碳纖維布的結構膠粘劑中，環氧類有機膠使用較廣泛，但環氧類有機 膠存在兩個缺點：（1)耐火性差，環氧類有機膠的軟化點很低，在高溫情況下易軟化失效； (2)具有毒性，環氧類有機膠生產過程中添加的溶劑或其他揮發性毒性物質，會對人體和環 境帶來不利影響。
[0004] 為彌補以上不足，使用無機類膠粘劑代替環氧類有機膠粘劑粘結碳纖維布。無機 類膠粘劑主要有堿激發礦渣類材料、氯氧鎂水泥、磷酸鹽系無機膠等。其中磷酸鎂水泥粘結 強度高、固化收縮率小、耐久性優良、價格低廉，無污染、制備工藝簡單、生產周期短、使用方 便，是一種有很大發展前途的無機類膠粘劑。在專利CN103786382A中公開的一種無機膠 纖維復合材料補強和保護混凝土的方法，以及CN103104100A所公開的一種應用磷酸鎂水 泥和纖維布復合材料加固混凝土的方法。均公開了類似的采用磷酸鎂水泥作為膠粘劑的技 術。
[0005] 磷酸鎂水泥由可溶性磷酸鹽、氧化鎂、緩凝劑和水拌制而成。但是氧化鎂微溶于 水，而碳纖維布一般比較致密，一束碳纖維中包含幾千或者幾萬根纖維單絲，纖維單絲之間 的空隙較小，形成無數個毛細管。當磷酸鎂水泥與碳纖維布接觸時，由于毛細作用，磷酸鎂 水泥中的水分被碳纖維布汲取，充斥在毛細管中，而氧化鎂由于粒徑較大，被密實的碳纖維 布過濾掉，殘留在碳纖維布表面，導致原本均勻的分散體系出現兩相分離的現象。
[0006] 在磷酸鎂水泥粘結碳纖維布加固混凝土試件破壞試驗中，達到極限荷載時，碳纖 維布和粘貼面均未出現明顯的變形，破壞是突然發生的。破壞后，粘貼面處的碳纖維布大部 分被剝離，碳纖維布底部的粘貼膠完全粘在混凝土試塊上，和底膠直接接觸的碳纖維布被 拉斷并粘在試塊上，其余的則被剝離。這表明磷酸鎂水泥粘結碳纖維布時，只有與底膠直接 接觸的碳纖維可以被浸潤，碳纖維布無法與磷酸鎂水泥整體受力，在承受外部荷載時，只是 最底層的碳纖維傳遞剪力，而其上的碳纖維絲則未充分發揮作用，整塊碳纖維布未能充分 發揮抗拉強度高的優勢。因此使用磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的效果不僅僅取決于碳纖維布 和磷酸鎂水泥自身的性能，而且與二者之間的粘結強度有很大關系。磷酸鎂水泥與碳纖維 布之間要粘結緊密，其前提是磷酸鎂水泥必須能充分潤濕碳纖維布。
[0007] 為改善結構膠粘劑對碳纖維布的浸潤性，提高膠粘劑與碳纖維布之間的粘結強 度，科研工作者們研發了眾多表面處理方法來改善碳纖維布的表面狀態。目前，改善碳纖維 布表面狀態，提高結構膠粘劑與碳纖維布之間的粘結強度主要有以下三種機理：（1)提高 纖維的表面粗糙度以提高其與基體的物理粘結作用；（2)增加纖維表面活性官能團以其與 基體的化學粘結作用；（3)通過聚合、沉積等手段在碳纖維與基體之間增加一過渡層。
[0008] 基于以上機理，目前已開發出多種碳纖維的表面處理方法，主要有氧化處理、氨氣 處理、表面涂層處理、等離子體處理、杵搗和加壓處理等處理方式。
[0009] 氧化處理主要包括氣相氧化法、液相氧化法和電化學氧化法等。其中氣相氧化法 是將碳纖維布置于氧化性氣體氛圍中，利用氣體氧化碳纖維布表面碳原子，引入羥基、羧基 等極性官能團，增加碳纖維布與磷酸鎂水泥的化學和物理粘結作用。同時，合適的氣相氧化 條件還可以提高碳纖維布的抗拉強度，但是氣相氧化條件難以控制，非常容易造成碳纖維 布的過度氧化，增加表面缺陷，降低抗拉強度。液相氧化法是利用硝酸、硫酸等強氧化性液 體浸泡碳纖維布，增加碳纖維布表面活性官能團數量，增大碳纖維布表面粗糙程度。濃硝酸 處理是一種較簡便的液相處理方法，其處理效果隨著處理時間的延長呈現出一種先增大后 降低的趨勢，短時間的濃硝酸處理可以提高碳纖維布與基體的粘結強度，但是隨著處理時 間的增加，纖維表層剝落，纖維結構受到損傷，纖維的抗拉強度降低。電化學氧化法是一種 目前研宄最多，工藝最成熟的氧化處理法，其主要利用碳纖維布的導電性，將碳纖維布浸泡 在電解液中作為陽極，電流通過碳纖維布時發生氧化反應，在碳纖維布表面產生一些含氧 官能團，從而提高碳纖維布與磷酸鎂水泥之間的粘結強度，但是電化學氧化法處理碳纖維 布時，處理效果也呈現出一種先增大后降低的趨勢。
[0010] 氨氣處理法是高溫下碳纖維布與氨氣發生反應，在碳纖維布表面引入氨基官能 團，參與磷酸鎂水泥的水化反應，改善磷酸鎂水泥對碳纖維布的浸潤性，以及提高兩者之間 的粘結強度。但是氨氣處理法成本較高，對環境污染也較大。
[0011] 表面涂層處理包括氣相沉積、偶聯劑涂覆、表面電聚合、聚合物涂覆等。采用氣相 沉積法可以按照需要在碳纖維布表面沉積一層化合物涂層，為碳纖維布與基體之間提供應 力緩沖區域，增加碳纖維布與基體之間的粘結力。偶聯劑分子結構含有多種官能團，可以與 碳纖維和磷酸鎂水泥基體形成化學鍵，偶聯劑涂覆在碳纖維布表面可以達到一種橋接碳纖 維布與磷酸鎂水泥的作用。但是碳纖維布表面活性官能團數量較少，直接在碳纖維布表面 涂覆偶聯劑效果較差，所以偶聯劑涂覆處理之前需要首先對碳纖維布進行氧化處理，偶聯 劑起到強化氧化處理的作用。表面電聚合是最近發明的一種碳纖維表面處理技術，是指在 電場作用下，一些含活性官能團單體分子聚合在碳纖維表面，從而將在碳纖維布表面形成 一層含活性官能團的涂層，達到活化碳纖維，增加碳纖維與基體之間粘結強度的目的。涂覆 處理又稱上漿，選用合適的涂覆材料可以改善碳纖維布的表面能，增加磷酸鎂水泥對碳纖 維布的浸潤性，達到增加粘結強度的目的。酚醛樹脂就是一種常用的涂覆用聚合物，酚醛樹 脂涂覆處理的碳纖維與有機膠的粘結強度有較大提高，但是當碳纖維布與磷酸鎂水泥復合 時，酚醛樹脂處理不僅不會增加粘結強度，而且會大大降低兩者間粘結強度。
[0012] 等離子體處理是使用等離子體對碳纖維布表面進行輻射，使碳纖維表面發生一些 反應，增加表面活性官能團數量和表面粗糙程度，有效改善碳纖維的表面惰性，增加其與磷 酸鎂水泥的粘結強度。等離子體處理的優點主要表現在（1)可以常溫處理，節約能量與成 本；（2)處理效率高，只需要幾秒鐘就可以改變碳纖維表面結構和組成；（3)改性只在碳纖 維表面進行，對碳纖維結構的影響較小。但是在建筑工程中使用等離子體處理，成本較大。 處理時間短時，處理效果不易控制；處理時間長時，碳纖維表面過度刻蝕，表面缺陷增多，碳 纖維布與磷酸鎂水泥的粘結強度反而降低。
[0013] 杵搗和加壓處理均是使用外力將粘結膠強制壓入碳纖維單絲之間。這兩種方法在 使用堿性激發材料作為粘結劑時具有較好的處理效果。但是磷酸鎂水泥凝結時間短，漿體 未完全浸潤纖維單絲之前已凝結，因此杵搗和加壓處理均不適合在磷酸鎂水泥粘結碳纖維 布中使用。
[0014] 此外，納米級二氧化鎂顆粒較細，可以進入碳纖維單絲之間，也可用于改善磷酸鎂 水泥對碳纖維布浸潤性差的問題，但是納米級二氧化鎂價格昂貴，會大大增加建筑成本，因 此使用納米級氧化鎂改善磷酸鎂水水泥對碳纖維布的浸潤性問題僅僅停留在實驗室研宄 階段。
[0015] 故有必要尋找一種新的，操作簡單，預處理效果好，能夠增加磷酸鎂水泥和碳纖維 布之間的粘結強度的混凝土結構加固方法。
【發明內容】
[0016] 針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：如何提供一種操作簡 單，預處理效果好，增加磷酸鎂水泥和碳纖維布之間的粘結強度，提高混凝土結構加固效果 的混凝土結構加固方法。
[0017] 為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案： 一種混凝土結構加固方法，采用磷酸鎂水泥作為結構膠粘劑，粘結一層碳纖維布在混 凝土結構表面，實現加固，其特征在于，所述碳纖維布在粘結前對其進行預處理，使得碳纖 維布內部的纖維絲之間生成一種具有膠結作用的水化產物一一六水合磷酸銨鎂。
[0018] 本發明方案中，使用磷酸鎂水泥粘結經過預處理后的碳纖維布，磷酸鎂水泥可以 圍繞碳纖維布中的六水合磷酸銨鎂晶核繼續結晶，在碳纖維布內部形成穿插分布的連續物 相，這些連續物相與外部磷酸鎂水泥膠結形成無數個相嵌的結合點，增大了磷酸鎂水泥與 碳纖維布的機械嵌合作用。這種嵌合作用是一種往往被忽視、簡單的力，但在實際使用中發 現其對磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的影響程度很大，可以大大提高磷酸鎂水泥對碳纖維布的 膠結強度 作為優化，所述預處理具體包括以下步驟： (1)無水乙醇溶液處理，使用濃度為99%以上的無水乙醇溶液浸泡碳纖維布24小時以 上；浸泡時應密閉