一种高延性纤维混凝土及其用于加固梁的施工方法与流程

本发明属于混凝土梁的加固施工方法，具体涉及一种高延性纤维混凝土及其用于加固梁的施工方法。

背景技术：

钢筋混凝土梁是工业与民用建筑物中的重要构件之一，应用非常广泛。在梁构件服役使用过程中，由于施工先天不足，使用条件变化及混凝土材料劣化、钢筋锈蚀等耐久性损伤等原因导致钢筋混凝土梁承载性能退化，出现承载力不足现象，为确保结构安全、正常使用，需对其进行加固补强。传统的混凝土梁增大截面加固法，是采用同种材料的钢筋混凝土增大原混凝土梁承载截面积，以达到提高结构承载力的目的。现有加固技术缺点是现场作业工作量大，自重大，养护期长，对生产和生活有一定的影响，且截面增大对结构外观及房屋净空也有一定的影响。

混凝土结构在服役期间出现性能劣化、失效以致退出服役，大多与材料的脆性及开裂有关，传统水泥基复合材料抗拉强度低、抗裂性能差、脆性大，当温度变形与收缩变形受到约束时，很容易引起材料的开裂。裂缝的存在不仅降低了材料的承载能力，使材料在低于极限荷载的作用下发生破坏，而且为有害介质如水、Cl^-、CO₂等提供了侵蚀的通道，从而使结构的耐久性大幅度降低。纤维混凝土将合成化学纤维和传统的混凝土相结合，是混凝土改性研究的一个重要领域，而高延性纤维混凝土材料作为一种新型复合材料，以其抗拉强度高、质量轻、耐腐性好、施工方便等优点，受到广大工程界人士的青睐。

技术实现要素：

针对现有混凝土预制楼板加固方法的缺陷和不足，本发明基于纤维材料微观力学性能设计方法，考虑纤维特性、基体特性和纤维与基体界面特性及其之间的相互作用影响，通过对材料配合比设计优化后得到的高延性水泥基复合材料，利用高延性纤维混凝土力学性能，提出一种安全、高效、性能良好的一种高延性纤维混凝土及其用于加固梁的施工方法。

为了实现上述任务，本发明采用的高延性纤维混凝土加固梁的具体技术方案如下：

一种高延性纤维混凝土，包括水泥、粉煤灰、石灰石粉、水、普通河砂、减水剂和PVA纤维。

具体的，水泥和粉煤灰组成胶凝材料，胶凝材料中水泥与粉煤灰的质量比为1:1.5,水与胶凝材料的质量比为0.3，普通河砂与凝胶材料的质量比为0.331～0.352，PVA纤维在所述的高延性纤维混凝土中的体积掺量为0.5％～1.5％，减水剂与水泥的质量比为1.22，石灰石粉与水泥的质量比为0.1124～0.1538。

优选的，水泥和粉煤灰组成胶凝材料，胶凝材料中水泥与粉煤灰的质量比为1:1.5,水与胶凝材料的质量比为0.3，普通河砂与凝胶材料的质量比为0.352，PVA纤维在所述的高延性纤维混凝土中的体积掺量为0.5％，减水剂与水泥的质量比为1.22，石灰石粉与水泥的质量比为0.1124。

优选的，水泥和粉煤灰组成胶凝材料，胶凝材料中水泥与粉煤灰的质量比为1:1.5,水与胶凝材料的质量比为0.3，普通河砂与凝胶材料的质量比为0.347，PVA纤维在所述的高延性纤维混凝土中的体积掺量为1.0％，减水剂与水泥的质量比为1.22，石灰石粉与水泥的质量比为0.1327。

优选的，水泥和粉煤灰组成胶凝材料，胶凝材料中水泥与粉煤灰的质量比为1:1.5,水与胶凝材料的质量比为0.3，普通河砂与凝胶材料的质量比为0.331，PVA纤维在所述的高延性纤维混凝土中的体积掺量为1.5％，减水剂与水泥的质量比为1.22，石灰石粉与水泥的质量比为0.1538。

更具体的，所述的水泥为P·II42.5R水泥，粉煤灰为低钙粉煤灰，石灰石粉的粒径为10～21μm；普通河砂粒径的级配包括：0.53～1.12mm，49.3％；0.26～0.53mm，25.7％；0.12～0.26mm，17.5％；<0.12mm，7.5％；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量为35％，减水率30％～38％；

PVA纤维极限抗拉强度≥1340MPa，弹性模量22.6GPa，极限伸长率9～12％，直径25～36μm，长度为15mm，密度为1.5g/cm³。

再具体的，所述的高延性纤维混凝土的制作流程包括：先将水泥、粉煤灰、普通河砂和石灰石粉混合干拌至各颗粒组分间混合均匀得到混合物料，然后将减水剂用水溶解后得到减水剂水溶液，质量分数为75％～85％减水剂水溶液加入混合物料中搅拌获得均匀流动的浆体，将PVA纤维均匀分散在浆体中得到纤维匀浆，再将余下的质量分数为15％～25％的减水剂水溶液加入纤维匀浆中拌匀即得。

一种高延性纤维混凝土加固梁的施工方法，首先，凿除待加固混凝土梁表面的粉刷层至混凝土结构层，使混凝土梁底部第一受力钢筋截面露出至少一半；

其次，在混凝土梁与混凝土柱交接处钻孔植入第二受力钢筋；

第三，用焊接短筋加固第二受力钢筋与第一受力钢筋形成的间隙；

最后，在混凝土梁的凿除面上压抹高延性纤维混凝土层，所述的高延性纤维混凝土层使用权利要求1～7所述的高延性纤维混凝土，高延性纤维混凝土层的厚度为25mm，养护后即得高延性纤维混凝土加固梁。

进一步的，所述的第二受力钢筋是直径为25mm的三级钢；钻孔的孔径为28mm，孔深≥15d。

更进一步的，所述的焊接短筋是直径为20mm的三级钢短筋，焊接短筋长100mm，相邻焊接短筋之间的间距为200～400mm。

本发明的优点为：

(1)本发明采用级配优化的集料和国产短切粗PVA纤维制备的高延性水泥基复合材料作为加固面层材料，可明显提高混凝土的抗裂性，构件耐久性能显著提升；

(2)采用高延性纤维混凝土与新增纵筋与原钢筋连接协同作用加固方法，加固梁极限承载力显著提高，其变形延性大幅度增加，并且和原结构的粘接性能良好，可显著提高构建的整体性和抗震性能；

(3)本发明的施工方法工艺简单、易操作，采用高延性水泥基复合材料具有良好的耐久性，可延长服役结构使用寿命，降低成本，采用该方法加固后增加截面较小，使用性较好。

附图说明

图1为实施例1中高延性纤维混凝土加固梁的结构示意图；

图2为图1沿A-A的剖视图；

图3为图1沿B-B的剖视图；

图中各标号表示为：1-第一受力钢筋、2-焊接短筋、3-第二受力钢筋、4-高延性纤维混凝土层、5-混凝土梁、6-混凝土柱、7-箍筋；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明采用石灰石粉较硅灰廉价，本试验采用的配合比中，小于10μm粒径的细颗粒含量分别为39.2％，需水量为91.3％，石灰石粉中的细颗粒含量及减水效果优于硅灰；采用45μm孔筛过滤石灰石粉，当砂浆中石灰石粉掺量小于15％时，石灰石粉的活性指数及水泥的强度贡献系数都提高。

本发明中对砂的粒径进行了级配，此时的集料空隙率最小，总表面积最小，填充骨料空隙、包裹骨料表面所用的胶凝材料最少，配制出的混凝土的和易性最好。

本发明的水泥为秦岭水泥P·II42.5R水泥，假如本发明中将秦岭水泥P·II42.5R水泥替换为P.O.52.5R硅酸盐水泥，本发明的混凝土的抗裂性能会降低11.37％，且养护成本增加。

本发明中的PVA纤维极限抗拉强度≥1340MPa，弹性模量22.6GPa，极限伸长率9～12％，直径25～36μm，长度为15mm，密度为1.5g/cm³，本发明中采100mm×100mm×100mm混凝土试件进行立方体抗压强度试验，试块抗压强度平均值为71.2MPa，残余抗压强度可达到峰值荷载的86.4％；采用50mm×15mm×350mm的拉伸试件，单轴抗拉强度平均值为4.3MPa，极限拉应变可达到2.1％；其抗拉、压强度与延性均有提高。

实施例1：

结合图1-3，本实施例的待加固混凝土梁5的截面尺寸为500×900mm，梁跨度为8.1m，梁底部双排布置5根第一受力钢筋1，直径为25mm的三级钢；

施工时：首先凿除混凝土梁5表面的粉刷层至混凝土结构层，使梁最底部第一受力钢筋1截面露出至少一半；对混凝土缺陷部位(混凝土疏松、破损)应清理至坚实基层；

其次，在混凝土梁5与混凝土柱6交接处钻孔植入第二受力钢筋3，梁底部第二受力钢筋3是直径为25mm的三级钢，定位钻孔，孔径28mm，孔深≥15d，用吹风机与刷子清理孔道直至孔内壁无浮尘为止；

第三、植筋采用改性环氧树脂胶粘剂或改性乙烯基醋类胶粘剂的A级植筋胶，采用灌注器注胶；将处理好的第二受力钢筋3旋转缓速插入孔道内，使植筋胶均匀附着于第二受力钢筋3表面及螺纹缝隙中；插好的第二受力钢筋3不可再扰动，植筋胶养护期结束后，用直径为20mm的三级钢焊接短筋2焊接加固第二受力钢筋3与第一受力钢筋1，焊接短筋2长100mm，间距为200～400mm，其中钢筋加工及绑扎等应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2015的要求。

最后、对新旧混凝土浇筑界面进行处理，凿毛，充分润湿，并使用Pattex百得界面剂涂刷。压抹高延性纤维混凝土层4前，应沿加固梁表面往返浇水湿润，并待梁面稍干后再进行压抹，高延性纤维混凝土层4的厚度为25mm，随后用透明塑料薄膜覆盖梁表面以防止水分蒸发，采取措施喷水养护5天，防止烈日暴晒，即得加固梁。

高延性纤维混凝土搅拌工艺及制作流程如下：

水泥：秦岭水泥P·II42.5R水泥；

粉煤灰：灞桥热电厂I级Class F(低钙)粉煤灰；

石灰石粉：平均细度为16μm；

水：自来水；

普通河砂：级配如下：0.53～1.12mm，49.3％；0.26～0.53mm，25.7％；0.12～0.26mm，17.5％；<0.12mm，7.5％。

减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，固含量为35％，减水率>35％。

PVA纤维：常州市天怡工程纤维有限公司生产的短切粗PVA纤维，其物理力学性能指标如表1所示。

表1 PVA纤维主要力学性能参数

水泥基复合材料的变形性能受水胶比、水泥品种、矿物掺合料类型、骨料类型、纤维体积掺量及养护方式等因素影响，本试验以水胶比、粉煤灰掺量和纤维体积掺量为主控参数，配合比设计如表2所示。

表2 PVA纤维混凝土配合比

注：C-水泥，FA-粉煤灰，A-细集料(小于4.75mm的普通河砂)，W-拌合水，B-胶凝材料(B＝C+FA)，V_F-纤维体积掺量，WR-减水剂，GA-功能性组分(石灰石粉)，减水剂和功能性组分的百分量以水泥质量计。

纤维混凝土搅拌工艺采用“纤维后掺法”，试件制作流程为：(1)先将水泥、粉煤灰、普通河砂、石灰石粉和功能性组分混合干拌2～3min至各颗粒组分间混合均匀，然后将溶有全部减水剂的75％～85％的水加入，低速搅拌2～3min以获得均匀流动的浆体；(2)在低速搅拌的同时手工缓慢加入预先手工分散的纤维，纤维完全加入后，快速搅拌4～5min以确保纤维能够均匀分散在浆体中；(3)将余下的15％～25％的水加入，快速搅拌2～3min，高延性纤维混凝土制备完毕。

对本发明的高延性纤维混凝土试件自然养护28天后，试验参照GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，标准养护(温度(20±2)℃，相对湿度>95％)的40mm×40mm×160mm棱柱体试件28d的抗折、抗压强度测试结果如下：

高延性纤维的体积掺量为0.5％、1.0％、1.5％的混凝土立方体抗压强度分别为24.3MPa、31.6MPa、43.7MPa，较其他同类纤维混凝土提高6.24％、12.31％、22.45％；抗折强度分别为9.14MPa、11.87MPa、16.46MPa，较其他同类纤维混凝土提高3.17％、9.18％、15.39％。

高延性纤维混凝土试件在28d试验结束时，可观测到裂缝数目仅2条，且裂缝宽度最大不超过254μm，而传统纤维混凝土试件表面可见裂缝数目为12条，由此进一步证明了本试验所制备的高延性纤维混凝土具有更好的综合抗裂性能及延性。

对加固后的混凝土梁进行承载性能力学实验表明，采用高延性纤维混凝土与新增纵筋与原钢筋连接协同作用加固方法，加固梁极限承载力显著提高，其变形延性大幅度增加，抗裂性能好，其耐久性性能提升，并且和原结构的粘接性能良好，可显著提高构建的整体性和抗震性能。

对比例1：

本实施例与实施例相比，将石灰石粉替换为硅灰。

抗压强度为18.5MPa,抗折强度为6.15MPa，抗压强度下降23.87％～57.67％，抗折强度下降32.71％～62.64％。

对比例2：

本实施例与实施例1不同的是采用的水泥为P.O.52.5R硅酸盐水泥，得到的混凝土的抗裂性能会降低11.37％，且养护成本增加。

对比例3：

本实施例与实施例1相比将PVA纤维替换为长度为6～12mm、直径为26μm以上、抗拉强度为1200MPa以上、弹性模量为30GPa以上的PVA纤维，得到的抗压强度为20.34MPa，残余抗压强度可达到峰值荷载的38.5％；单轴抗拉强度平均值为3.5MPa，极限拉应变可达到1.3％。