专利名称：一种用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方法
技术领域：
本发明属于混凝土加固补强技术领域，涉及用纤维编织网和水泥基材料加 固补强混凝土的方法。
背景技术：
结构经长期使用会发生老化，还会因环境侵蚀、物理作用或他因素影响， 性能发生退化，或遭到损伤甚至破坏。土木工程结构中存在大量需要加固补强、 补裂的混凝土结构。常用的结构加固法有加大截面加固法，体外预应力加固法、 外包钢加固法、喷射混凝土法、增设构件加固法、增设支点加固法等，这些加 固方法一般施工都比较复杂。
随着环氧树脂等建筑结构胶的面市，出现了外贴钢板加固法，该方法施工 简单，但是对复杂的结构表面难以加固，且不耐高温；相比粘钢加固，粘贴纤 维布加固法(FRP)使结构具有较好的耐腐蚀性及耐久性能，几乎不增加结构 的体积和重量，得到广泛使用。但由于纤维布和混凝土的结合采用了改性环氧 树脂等有机胶粘剂，因此对环境条件要求严格，不适应潮湿的加固表面和高温、 低温等环境，且只起加固作用，对需要保护的受力钢筋，还要附加保护措施。 纤维布增强混凝土弯曲构件时，容易发生粘结破坏。
为了既能利用纤维材料的轻质高强、施工简易的特点，又能避免使用粘接 剂，并降低纤维用量，德意志研究联合会(Deutsche Forschungsgemeinschaft， DFG)支持的合作研究中心从1999年开始研究用纤维编织网增强混凝土 (Textile Reinforced Concrete,简称TRC)对结构加固补强。TRC是多轴纤维 编织网和精细混凝土的结合，纤维编织网主要用碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃 纤维等纤维编织，精细混凝土即骨料粒度很小的混凝土， 一般精细混凝土的成
分为水泥、硅砂和水，为了满足高流动性、黏聚性和保水性等工作性能以及构 件的耐久性，还可以适量加入I级粉煤灰和硅灰等活性材料。浇筑很薄的 (10-20醒)一层TRC即可以大幅度提高承载能力，且改善裂缝形式，耐高温、潮
4湿和腐蚀。在该研究所发表的文章"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，采用抗碱玻璃 纤维编织网和精细混凝土对梁加固，提高了原结构的承载能力，限制了裂缝。 但是在他们发表的文章"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，在一定的受力状态 下，由于TRC加固层和原构件的界面剪应力大于界面粘结力，从而导致界面剥 离破坏。虽然该文献提到可以在TRC加固层表面用机械锚固的方式阻止TRC和原 构件的界面发生剥离破坏，但增加了施工的复杂性，也只能从宏观上避免剥离 现象的发生，不能从微观上避免TRC与原构件之间的界面、以及TRC中精细混凝 土和纤维编织网间界面的剥离，因此不能保证原构件、精细混凝土、纤维编织 网之间的协同受力。
申请号为200510046878.X的专利申请公开了一种纤维编织网和短纤维联 合增强水泥基复合材料的方法，短纤维主要选择聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、 碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维，该技术可以进一步限制裂缝 宽度。申请号为200510047049. 3的专利申请公开了一种纤维编织网和混凝土的 粘接技术，纤维编织网先用环氧树脂浸渍，然后表面均匀喷撒细砂，待环氧固 化后再埋入混凝土，以加强与混凝土的粘结。这两种技术如果应用到TRC加固 已有建筑，可以改善精细混凝土的性能，加强纤维编织网和精细混凝土的结合， 但不能解决因界面剥离而影响加固效果的问题。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的 方法，该方法在具备TRC加固技术的改善裂缝形式、适应各类环境、加固层薄 等特点的同时，还能使界面间牢固结合，从宏观和微观上避免界面上出现剪切 剥离破坏，充分发挥纤维的抗拉作用，保证加固效果。
本发明的技术方案为一种用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方 法，是在结构的外表面浇注总厚度为10 20mm的纤维编织网和精细混凝土，纤 维编织网为二层或二层以上时，纤维编织网之间的距离大于或等于2mm，且均匀分布，最内层纤维编织网与待加固结构表面之间的精细混凝土厚度为
2~5mm，最外层纤维编织网表面精细混凝土厚度为3~5mm，精细混凝土的骨料 最大粒径为0. 5~4mm，强度等级大于或等于被加固结构混凝土的强度等级，其 特征在于，加固施工包括以下步骤
(1) 将待加固结构表面加工成凹凸不平状，去除油垢、颗粒和灰尘；
(2) 在结构表面钻孔，孔在结构表面均匀分布，孔间距等于纤维编织网 网格边长的整倍数，孔的直径比待插入的U型抗剪销钉端脚外径大2 3mm，去 掉孔中的灰尘；
(3) 第一层纤维编织网的张拉固定将纤维编织网挂到结构表面，用两 端脚长度不同的U型抗剪销钉的短端脚钩住纤维编织网，长端脚涂抹建筑结构 胶后插入孔中，待胶固化；张拉固定后纤维编织网与待加固结构表面之间的距 离，等于纤维编织网与待加固结构表面之间精细混凝土的厚度；
(4) 待加固建筑物表面用水湿润，将搅拌好的精细混凝土喷射到结构和 第一层纤维编织网之间，以及第一层纤维编织网表面；
(5) 铺设第二层纤维编织网时，将纤维编织网挂到精细混凝土表面，在 精细混凝土初凝以前，用两端脚长度不同的U型钩的短端脚钩住纤维编织网， U型钩的长端脚插入第一层纤维编织网表面的精细混凝土中，再喷射精细混凝 土；
(6) 第三层及其外层纤维编织网的铺设方法同步骤(5);
(7) 湿水养护精细混凝土至龄期。
在被加固结构表面植入U型抗剪销钉，能够增加精细混凝土和原结构之间 的抗剪性能，使精细混凝土与原结构之间可靠粘结，防止界面上出现剪切剥离 破坏，加固层能与原构件很好的协同受力。U型抗剪销钉和U型钩对纤维编织 网的固定作用，不仅进一步保证加固层与原结构之间的可靠粘结，同时也保证 了纤维编织网与精细混凝土之间可靠粘结，防止它们之间的裂缝和剥离。可以 根据结构需要界面承受的剪应力，来确定需要布设U型抗剪销钉和U型钩的多 少。
采用喷射方式浇注的精细混凝土，由于高压作用，提高了精细混凝土的密 实性，具有初凝快、早期强度发展快的特点，喷射到结构表面能迅速与结构粘结到一起，不会流下，特别适合于结构底面、侧面的加固，也方便u型钩的插 入和固定。
U型抗剪销钉从U型顶部到两个端脚底部的长度可以分别为40~50mra和 3~5mm， U型钩从U型顶部到两个端脚底部的长度分别为5~10mm和3~5mm。
纤维编织网可以采用以下一种纤维、或者径向和讳向分别用以下两种不同 纤维编织碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、 聚乙烯纤维。被加固结构截面上所需的纤维束总截面积，可以根据原结构的承 载要求、截面规格、钢筋的配置，按照现有的粘帖纤维布加固的计算理论，代 入纤维编织网采用纤维的抗拉强度、极限拉应变和弹性模量，由加固后的截面 平衡方程求得。再结合限裂要求，确定适当的纤维编织网的网格尺寸和所需要 铺设的层数。
精细混凝土的成分主要为水泥、硅砂和水，为了满足高流动性、黏聚性和 保水性等工作性能以及构件的耐久性，还可以适量加入I级粉煤灰和硅灰等活 性材料，其中I级粉煤灰的掺量为水泥、I级粉煤灰、硅灰等胶凝材料质量之 和的20%~40%，最佳掺量为25%~30%;硅灰的掺量为水泥、I级粉煤灰、硅灰 等胶凝材料质量之和的5~10%，最佳掺量为6%~8%。在配制精细混凝土时，应 根据强度等级和工作性能要求，确定水泥的标号、硅砂的规格以及胶凝材料和 水的质量比。
精细混凝土中加入短纤维可以提高精细混凝土的抗开裂能力和韧性，限制 裂缝宽度，加入的短纤维与精细混凝土的体积比为0.5~2%，短纤维的长度最 好小于纤维编织网网格边长。搅拌方法为先将水泥、I级粉煤灰、硅灰和硅 砂用搅拌机搅拌2 3分钟，搅拌均匀后加入水和减水剂，搅拌2 3分钟，减水 剂质量为水泥、I级粉煤灰、硅灰质量之和的0.5%~1.5%;再加入短纤维，搅 拌3~5分钟。
短纤维可以采用碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤维、聚 乙烯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维，同时用一种或一种以上。
为使纤维编织网和精细混凝土界面之间更好地粘结，并使纤维束协同受 力，具有更高的抗拉强度，可以在纤维编织网挂到结构表面之前，先浸渍或涂 抹环氧树脂，然后均匀喷撒硅砂，浸渍纤维编织网的环氧树脂、固化剂、稀释剂的质量比为65 70: 60~80: 30~35。
在喷射精细混凝土之前，可以先在待加固建筑物表面涂刷界面剂，以便更 好地保证加固层和原构件之间的界面粘结。界面剂可以是水性环氧、丙乳1#、 丙乳2#、环氧胶泥等有机界面剂，也可以是水泥净浆或砂浆、掺矿物掺合料的 水泥浆或水泥砂浆、掺有膨胀剂的水泥浆或水泥砂浆等无机界面剂，根据构件 所处的环境选择。
本发明的加固方法不仅具备大幅度提高结构承载能力、改善裂缝形式、适 应各类环境、加固层薄等特点，还能保证加固层与原结构之间、纤维编织网与 精细混凝土之间界面的牢固粘结，能够在高应力下避免界面微观裂缝的产生， 有效防止界面剥离破坏。对建筑结构的加固可靠、简单、高效且环保，适用于 各种结构类型的加固修补。
图1为一种结构单面加固示意图
图中1为被加固结构，2为精细混凝土， 3为纤维编织网，4为U型抗剪 销钉，5为U型钩。
图2为U型抗剪销钉示意图 图3为U型钩示意图
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明的范围不限于该实施例。 用本明的方法加固一楼房楼面面板，原结构计算跨度为1200mm，截面尺
寸为宽b二300mm，厚度h=60mm;环境类别为一类，混凝土强度等级为C30，抗
压设计强度厶=14. 3N/mm2，原结构配置了 3根直径为8rara的HPB235级受力主
筋，抗拉设计强度/;=210 N/mm2，受力主筋保护层厚度为15腿，跨中截面弯
矩设计值为l.O認'm，由于该楼面面板需要临时承受超过设计荷载的力，在 新荷载作用下，跨中最大弯矩应达到3認 m，需要对结构进行加固。 首先计算纤维编织网的总截面积
由于精细混凝土浇筑厚度小，可以不考虑精细混凝土的抗拉强度，力完全由玻璃纤维编织网来承担，采用现有的粘帖纤维布加固理论，即用截面力和弯 矩的平衡方程来计算所需要的纤维编织网的数量。
拟采用由玻璃纤维编织而成的纤维编织网，其抗拉强度为/,3200Mpa，
极限拉应变^ =0.045，弹性模量E,65GPa，设计加固层总厚度为IO腿。
将已知参量代入截面力和弯矩的平衡方程，求得玻璃纤维编织网的总截面 积力=38.6皿2。只要纤维编织网的总截面积等于或大于38.6mm2，结构的承载
性能就能满足跨中截面弯矩M二3kN m的加固要求。
本加固设计的纤维编织网的网格尺寸选用15腿X15mm，单束纤维面积为 0. 78mm2，单层网在300腿的截面宽度内有18束纤维。配置3层纤维编织网时， 径向受力的玻璃纤维实际布设总面积为A =0. 78x18x3=42. 12 mm2，满足设计要求。
如图1所示，加固施工步骤如下
(1) 被加固结构1表面处理用硬毛刷粘碳酸钠溶液清洗油污，再用淡水冲
洗；用铁锤和凿子敲打待加固建筑表面，形成随机的凹凸不平状，再用清洁压
縮空气吹掉颗粒和灰尘；
(2) 被加固结构l表面钻孔在结构表面纵横向每隔2个网格钻孔，即孔 距为45腿，孔的直径约6mm，孔深为40mm，成孔后将孔内灰尘清理干净；
(3) 将第一层纤维编织网3挂到结构表面，将U型抗剪销钉4的短端脚钩 住纤维编织网3，长端脚涂抹建筑结构胶后插入孔中，待胶固化，纤维编织网 距加固面2mm;
U型抗剪销钉4的端脚外径为4mm，长端脚长度为43rran,短端脚为3mm。
纤维编织网可以先做表面处理将环氧树脂、固化剂和稀释剂按l: 1: 0.5
的比例混合搅拌，待其充分混合后，用刷子均匀涂刷在纤维编织网的表面(两 面涂)，保证环氧树脂浸入到纤维粗纱中和浸渍的均匀性。待纤维网表面均匀 布满环氧树脂后，将细砂均匀涂在纤维编织网表面，待环氧树脂硬化。
(4) 制作精细混凝土将500 kg/m3的52.5硅酸盐水泥、180 kg/ m:，J I 级粉煤灰、40 kg/ 1113的硅灰、800 kg/ m3、粒径为0 1.2腿的硅砂用搅拌机 搅拌2分钟，搅拌均匀后加入252 kg/m3的水和4. 0 kg/m3的Sika三代减水剂，
9搅拌3分钟，最后加入体积比为0.5%、长度为8mm的聚丙烯短纤维，再搅拌4 分钟。
(5) 待加固结构l表面用水湿润，将搅拌好的精细混凝土 2喷射到结构1 和第一层纤维编织网3之间，以及纤维编织网表面，在纤维编织网表面喷射的 精细混凝土厚度为2mm。
(6) 将第二层纤维编织网3挂到精细混凝土 2表面，在精细混凝土初凝以 前，用U型钩5的短端脚钩住纤维编织网3，长端脚插入精细混凝土 2中，再 喷射精细混凝土； U型钩5的长端脚长为5mm，短端脚长为3ram，端脚外径为 4腿。
(7) 第三层纤维编织网3的施工方法同第二层，第三层纤维编织网表面喷 射精细混凝土厚度为4ram。
(8) 湿水养护精细混凝土至龄期。
实验室试验
试件与上述被加固后的楼板完全相同。采用四点弯曲试验，两个加载点之 间的距离(即纯弯段)为300腿，试验机采用1000KN微机控制液压伺服试验 机，分级加载控制。在结构底面纯弯段布置应变片测量开裂荷载，在试件侧面 加固层和原构件的界面承受最大剪力处，以及纤维编织网和精细混凝土的界面 承受最大剪力处，布设应变片测量开裂荷载，用荷载传感器记录荷载，跨中挠 度用两个LVDT测量，采集设备为德国进口的IMC (Integrated Measurement & Control)。
通过分级加载，测得试件的跨中截面弯矩实际可以达到4.5kN'm，超过 了原加固要求。在整个加载过程中，通过界面布设的应变片没有观测到微观裂 缝，说明本加固方法能够在高应力下避免界面微观裂缝的产生，有效防止界面 剥离破坏。
在试验中还发现，试件表面在设计允许的裂缝宽度范围内，开裂后裂缝发 展缓慢，且裂缝之间距离较小，证明了本加固方法对结构裂缝的限制和改善。
权利要求
1、一种用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方法，是在结构的外表面浇注总厚度为10～20mm的纤维编织网和精细混凝土，纤维编织网为二层或二层以上时，纤维编织网之间的距离大于或等于2mm，且均匀分布，最内层纤维编织网与待加固结构表面之间的精细混凝土厚度为2～5mm，最外层纤维编织网表面精细混凝土厚度为3～5mm，精细混凝土的骨料最大粒径为0.5～4mm，强度等级大于或等于被加固结构混凝土的强度等级，其特征在于，加固施工包括以下步骤(1)将待加固结构表面加工成凹凸不平状，去除油垢、颗粒和灰尘；(2)在结构表面钻孔，孔在结构表面均匀分布，孔间距等于纤维编织网网格边长的整倍数，孔的直径比待插入的U型抗剪销钉端脚外径大2～3mm，去掉孔中的灰尘；(3)第一层纤维编织网的张拉固定将纤维编织网挂到结构表面，用两端脚长度不同的U型抗剪销钉的短端脚钩住纤维编织网，长端脚涂抹建筑结构胶后插入孔中，待胶固化；张拉固定后纤维编织网与待加固结构表面之间的距离，等于纤维编织网与待加固结构表面之间精细混凝土的厚度；(4)待加固建筑物表面用水湿润，将搅拌好的精细混凝土喷射到结构和第一层纤维编织网之间，以及纤维编织网表面；(5)铺设第二层纤维编织网时，将纤维编织网挂到精细混凝土表面，在精细混凝土初凝以前，用两端脚长度不同的U型钩的短端脚钩住纤维编织网，U型钩的长端脚插入第一层纤维编织网表面的精细混凝土中，再喷射精细混凝土；(6)第三层及其外层纤维编织网的铺设方法同步骤(5)；(7)湿水养护精细混凝土至龄期。
2、 根据权利要求1所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方 法，其特征在于，纤维编织网采用以下一种纤维、或者径向和纬向分别用以下 两种不同纤维编织碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯 醇纤维、聚乙烯纤维。
3、 根据权利要求2所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方法，其特征在于，精细混凝土主要由水泥、I级粉煤灰、硅灰、硅砂和水组成，其中I级粉煤灰的掺量为水泥、I级粉煤灰、硅灰质量之和的20%_40%，硅灰的 掺量为水泥、I级粉煤灰、硅灰质量之和的5-10%。
4、 根据权利要求3所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方 法，其特征在于，在精细混凝土中加入与精细混凝土的体积比为0.5-2%的短纤 维，搅拌方法为先将水泥、I级粉煤灰、硅灰和硅砂用搅拌机搅拌2-3分钟， 搅拌均匀后加入水和减水剂，搅拌2-3分钟，减水剂质量为水泥、I级粉煤灰、 硅灰质量之和的0.5%-1.5%;再加入短纤维，搅拌3-5分钟。
5、 根据权利要求4所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方 法，其特征在于，短纤维采用碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤 维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维，同时用一种或一种以上。
6、 根据权利要求5所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方 法，其特征在于，纤维编织网挂到结构表面之前，先浸渍或涂抹环氧树脂，然 后均匀喷撒硅砂，浸渍纤维编织网的环氧树脂、固化剂、稀释剂的质量比为 65~70: 60~80: 30 35。
7、 根据权利要求5或6所述的用纤维编织网和精细混凝土加固建筑结构的方法，其特征在于，在将纤维编织网挂到结构表面之前，先在待加固建筑物表 面涂刷界面剂。
全文摘要
本发明属于混凝土加固补强技术领域，涉及用纤维编织网和水泥基材料加固补强混凝土的方法。是在结构的外表面浇注总厚度为10～20mm的纤维编织网和精细混凝土，其特征在于，施工时先在结构表面钻孔，用两端脚长度不同的U型抗剪销钉的短端脚钩住纤维编织网，长端脚涂抹建筑结构胶后插入孔中，待胶固化，喷射精细混凝土，再用两端脚长度不同的U型钩的短端脚钩住第二层纤维编织网，长端脚插入精细混凝土中，再喷射精细混凝土。本发明能够在高应力下避免界面微观裂缝的产生，有效防止界面剥离破坏，对建筑结构的加固可靠、简单、高效且环保，适用于各种类型结构的加固修补。
文档编号E04G23/02GK101476396SQ200910010259
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者尹世平, 徐世烺, 李庆华 申请人:大连理工大学