一种混凝土结构加固方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种混凝土技术领域；特别是涉及一种混凝土结构加固方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土结构是指采用混凝土为原料得到的建筑结构，为了提高混凝土结构强度， 混凝土结构中常常采用碳纤维布进行加固，以提高混凝土结构构件的抗拉、抗剪和抗震加 固。碳纤维布加固原理是：采用高性能的结构胶粘剂粘结于混凝土构件的表面，与结构胶粘 剂协调作用，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，利用碳纤维材料良好的抗 拉性能，达到增强结构构件承载能力的目的。
[0003] 目前在粘结碳纤维布的结构胶粘剂中，环氧类有机胶使用较广泛，但环氧类有机 胶存在两个缺点：（1)耐火性差，环氧类有机胶的软化点很低，在高温情况下易软化失效； (2)具有毒性，环氧类有机胶生产过程中添加的溶剂或其他挥发性毒性物质，会对人体和环 境带来不利影响。
[0004] 为弥补以上不足，使用无机类胶粘剂代替环氧类有机胶粘剂粘结碳纤维布。无机 类胶粘剂主要有碱激发矿渣类材料、氯氧镁水泥、磷酸盐系无机胶等。其中磷酸镁水泥粘结 强度高、固化收缩率小、耐久性优良、价格低廉，无污染、制备工艺简单、生产周期短、使用方 便，是一种有很大发展前途的无机类胶粘剂。在专利CN103786382A中公开的一种无机胶 纤维复合材料补强和保护混凝土的方法，以及CN103104100A所公开的一种应用磷酸镁水 泥和纤维布复合材料加固混凝土的方法。均公开了类似的采用磷酸镁水泥作为胶粘剂的技 术。
[0005] 磷酸镁水泥由可溶性磷酸盐、氧化镁、缓凝剂和水拌制而成。但是氧化镁微溶于 水，而碳纤维布一般比较致密，一束碳纤维中包含几千或者几万根纤维单丝，纤维单丝之间 的空隙较小，形成无数个毛细管。当磷酸镁水泥与碳纤维布接触时，由于毛细作用，磷酸镁 水泥中的水分被碳纤维布汲取，充斥在毛细管中，而氧化镁由于粒径较大，被密实的碳纤维 布过滤掉，残留在碳纤维布表面，导致原本均匀的分散体系出现两相分离的现象。
[0006] 在磷酸镁水泥粘结碳纤维布加固混凝土试件破坏试验中，达到极限荷载时，碳纤 维布和粘贴面均未出现明显的变形，破坏是突然发生的。破坏后，粘贴面处的碳纤维布大部 分被剥离，碳纤维布底部的粘贴胶完全粘在混凝土试块上，和底胶直接接触的碳纤维布被 拉断并粘在试块上，其余的则被剥离。这表明磷酸镁水泥粘结碳纤维布时，只有与底胶直接 接触的碳纤维可以被浸润，碳纤维布无法与磷酸镁水泥整体受力，在承受外部荷载时，只是 最底层的碳纤维传递剪力，而其上的碳纤维丝则未充分发挥作用，整块碳纤维布未能充分 发挥抗拉强度高的优势。因此使用磷酸镁水泥粘结碳纤维布的效果不仅仅取决于碳纤维布 和磷酸镁水泥自身的性能，而且与二者之间的粘结强度有很大关系。磷酸镁水泥与碳纤维 布之间要粘结紧密，其前提是磷酸镁水泥必须能充分润湿碳纤维布。
[0007] 为改善结构胶粘剂对碳纤维布的浸润性，提高胶粘剂与碳纤维布之间的粘结强 度，科研工作者们研发了众多表面处理方法来改善碳纤维布的表面状态。目前，改善碳纤维 布表面状态，提高结构胶粘剂与碳纤维布之间的粘结强度主要有以下三种机理：（1)提高 纤维的表面粗糙度以提高其与基体的物理粘结作用；（2)增加纤维表面活性官能团以其与 基体的化学粘结作用；（3)通过聚合、沉积等手段在碳纤维与基体之间增加一过渡层。
[0008] 基于以上机理，目前已开发出多种碳纤维的表面处理方法，主要有氧化处理、氨气 处理、表面涂层处理、等离子体处理、杵捣和加压处理等处理方式。
[0009] 氧化处理主要包括气相氧化法、液相氧化法和电化学氧化法等。其中气相氧化法 是将碳纤维布置于氧化性气体氛围中，利用气体氧化碳纤维布表面碳原子，引入羟基、羧基 等极性官能团，增加碳纤维布与磷酸镁水泥的化学和物理粘结作用。同时，合适的气相氧化 条件还可以提高碳纤维布的抗拉强度，但是气相氧化条件难以控制，非常容易造成碳纤维 布的过度氧化，增加表面缺陷，降低抗拉强度。液相氧化法是利用硝酸、硫酸等强氧化性液 体浸泡碳纤维布，增加碳纤维布表面活性官能团数量，增大碳纤维布表面粗糙程度。浓硝酸 处理是一种较简便的液相处理方法，其处理效果随着处理时间的延长呈现出一种先增大后 降低的趋势，短时间的浓硝酸处理可以提高碳纤维布与基体的粘结强度，但是随着处理时 间的增加，纤维表层剥落，纤维结构受到损伤，纤维的抗拉强度降低。电化学氧化法是一种 目前研宄最多，工艺最成熟的氧化处理法，其主要利用碳纤维布的导电性，将碳纤维布浸泡 在电解液中作为阳极，电流通过碳纤维布时发生氧化反应，在碳纤维布表面产生一些含氧 官能团，从而提高碳纤维布与磷酸镁水泥之间的粘结强度，但是电化学氧化法处理碳纤维 布时，处理效果也呈现出一种先增大后降低的趋势。
[0010] 氨气处理法是高温下碳纤维布与氨气发生反应，在碳纤维布表面引入氨基官能 团，参与磷酸镁水泥的水化反应，改善磷酸镁水泥对碳纤维布的浸润性，以及提高两者之间 的粘结强度。但是氨气处理法成本较高，对环境污染也较大。
[0011] 表面涂层处理包括气相沉积、偶联剂涂覆、表面电聚合、聚合物涂覆等。采用气相 沉积法可以按照需要在碳纤维布表面沉积一层化合物涂层，为碳纤维布与基体之间提供应 力缓冲区域，增加碳纤维布与基体之间的粘结力。偶联剂分子结构含有多种官能团，可以与 碳纤维和磷酸镁水泥基体形成化学键，偶联剂涂覆在碳纤维布表面可以达到一种桥接碳纤 维布与磷酸镁水泥的作用。但是碳纤维布表面活性官能团数量较少，直接在碳纤维布表面 涂覆偶联剂效果较差，所以偶联剂涂覆处理之前需要首先对碳纤维布进行氧化处理，偶联 剂起到强化氧化处理的作用。表面电聚合是最近发明的一种碳纤维表面处理技术，是指在 电场作用下，一些含活性官能团单体分子聚合在碳纤维表面，从而将在碳纤维布表面形成 一层含活性官能团的涂层，达到活化碳纤维，增加碳纤维与基体之间粘结强度的目的。涂覆 处理又称上浆，选用合适的涂覆材料可以改善碳纤维布的表面能，增加磷酸镁水泥对碳纤 维布的浸润性，达到增加粘结强度的目的。酚醛树脂就是一种常用的涂覆用聚合物，酚醛树 脂涂覆处理的碳纤维与有机胶的粘结强度有较大提高，但是当碳纤维布与磷酸镁水泥复合 时，酚醛树脂处理不仅不会增加粘结强度，而且会大大降低两者间粘结强度。
[0012] 等离子体处理是使用等离子体对碳纤维布表面进行辐射，使碳纤维表面发生一些 反应，增加表面活性官能团数量和表面粗糙程度，有效改善碳纤维的表面惰性，增加其与磷 酸镁水泥的粘结强度。等离子体处理的优点主要表现在（1)可以常温处理，节约能量与成 本；（2)处理效率高，只需要几秒钟就可以改变碳纤维表面结构和组成；（3)改性只在碳纤 维表面进行，对碳纤维结构的影响较小。但是在建筑工程中使用等离子体处理，成本较大。 处理时间短时，处理效果不易控制；处理时间长时，碳纤维表面过度刻蚀，表面缺陷增多，碳 纤维布与磷酸镁水泥的粘结强度反而降低。
[0013] 杵捣和加压处理均是使用外力将粘结胶强制压入碳纤维单丝之间。这两种方法在 使用碱性激发材料作为粘结剂时具有较好的处理效果。但是磷酸镁水泥凝结时间短，浆体 未完全浸润纤维单丝之前已凝结，因此杵捣和加压处理均不适合在磷酸镁水泥粘结碳纤维 布中使用。
[0014] 此外，纳米级二氧化镁颗粒较细，可以进入碳纤维单丝之间，也可用于改善磷酸镁 水泥对碳纤维布浸润性差的问题，但是纳米级二氧化镁价格昂贵，会大大增加建筑成本，因 此使用纳米级氧化镁改善磷酸镁水水泥对碳纤维布的浸润性问题仅仅停留在实验室研宄 阶段。
[0015] 故有必要寻找一种新的，操作简单，预处理效果好，能够增加磷酸镁水泥和碳纤维 布之间的粘结强度的混凝土结构加固方法。
【发明内容】
[0016] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简 单，预处理效果好，增加磷酸镁水泥和碳纤维布之间的粘结强度，提高混凝土结构加固效果 的混凝土结构加固方法。
[0017] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案： 一种混凝土结构加固方法，采用磷酸镁水泥作为结构胶粘剂，粘结一层碳纤维布在混 凝土结构表面，实现加固，其特征在于，所述碳纤维布在粘结前对其进行预处理，使得碳纤 维布内部的纤维丝之间生成一种具有胶结作用的水化产物一一六水合磷酸铵镁。
[0018] 本发明方案中，使用磷酸镁水泥粘结经过预处理后的碳纤维布，磷酸镁水泥可以 围绕碳纤维布中的六水合磷酸铵镁晶核继续结晶，在碳纤维布内部形成穿插分布的连续物 相，这些连续物相与外部磷酸镁水泥胶结形成无数个相嵌的结合点，增大了磷酸镁水泥与 碳纤维布的机械嵌合作用。这种嵌合作用是一种往往被忽视、简单的力，但在实际使用中发 现其对磷酸镁水泥粘结碳纤维布的影响程度很大，可以大大提高磷酸镁水泥对碳纤维布的 胶结强度 作为优化，所述预处理具体包括以下步骤： (1)无水乙醇溶液处理，使用浓度为99%以上的无水乙醇溶液浸泡碳纤维布24小时以 上；浸泡时应密闭