砂浆补强钢筋混凝土结构的制作方法

本发明涉及一种经补强的的混凝土结构，更具体地说，涉及一种经补强的钢筋混凝土结构，其包含有已经锈蚀的钢筋。因修补砂浆包含有用于增强的钢纤维材料，使得用该修补砂浆补强混凝土结构时无需额外搭接新钢筋。
背景技术：
：混凝土结构中的钢筋出现锈蚀(例如，由氯离子引起的锈蚀)是引起基础设施老化的一个主要原因。钢筋发生锈蚀时生成的氧化物体积大于原有钢的体积，从而使得锈蚀区域的钢筋体积变大并产生膨胀应力，导致钢筋周围的混凝土受到径向的压力和环向的拉应力。当此种应力随着锈蚀进行而增加到一定程度时，锈蚀区域周围的混凝土就会出现开裂甚至剥落。由于钢筋锈蚀会导致钢筋横截面减小、承载能力下降以及混凝土保护层破坏，因此混凝土结构在钢筋发生锈蚀时会被弱化。再者，混凝土保护层脱落会导致锈蚀钢筋暴露于周围环境中，从而使该钢筋，包括锈蚀部分及未修饰部分，进一步发生锈蚀。除了使混凝土结构承载能力降低之外，钢筋锈蚀也会导致结构的耐火性能变差。考虑到钢筋锈蚀及混凝土保护层开裂剥落对混凝土结构产生的负面影响，有必要对开裂剥落的混凝土和锈蚀的钢筋进行修补，以确保钢筋混凝土建筑结构的完整性。但是，现时修复因钢筋锈蚀而损坏的钢筋混凝土既耗时又耗财。“搭接新钢筋”是现时常用的一种修复钢筋混凝土的方法。图1(现有技术)展示了采用“搭接新钢筋”的方法修补钢筋混凝土的一个例子。在采用“搭接新钢筋”的技术进行修补时，锈蚀区域周围的混凝土首先要被清除，以露出锈蚀钢筋并对钢筋的锈蚀程度进行评估。随后，一条新钢筋被平行搭接于出现锈蚀的钢筋上，新钢筋可通过焊接或捆扎的方法与锈蚀钢筋连接在一起，由此未锈蚀的钢筋便可重新加固原有混凝土结构锈蚀的部分。在此情况下，搭接的新钢筋可以重新补强锈蚀区域的混凝土结构。根据相关设计规范(比如aci318)规定，在清除混凝土时，除了要露出钢筋的锈蚀部分，一定长度的未锈蚀部分也要露出来，以使新钢筋及锈蚀钢筋有足够的搭接长度。这就导致，除了清除锈蚀区域的破损混凝土外，人们也要花费额外的时间及费用去清除未锈蚀区域的混凝土。在搭接新钢筋后，传统修补砂浆会被用来填补混凝土被清除后留下的空隙。除了较长的维修时间和昂贵的维修费用外，在钢筋混凝土结构中添加新的钢筋也可能会导致电化锈蚀。这是因为在处于活跃(锈蚀)状态的钢与处于惰性(非锈蚀)状态的钢之间存在潜在的电化学效应。因此，搭接新钢筋可能会加速结构中原有钢筋的锈蚀，从而令该结构的维修周期缩短，特别是对于那些暴露于恶劣环境、需要反复修补的钢筋混凝土结构尤其如此。因此，本领域需要一种无需搭接新钢筋即可恢复受损钢筋混凝土区域原有强度的修补技术及补强结构。技术实现要素：本发明提供一种经补强的混凝土结构，其包含一条或多条横切面面积为ax的钢筋，其中一条或多条钢筋具有一个或多个横切面面积为ay的锈蚀区域，ay大于或等于约0.6ax。一种硅酸盐水泥基修补砂浆被直接抹压于一条或多条钢筋的一个或多个锈蚀区域，而无需搭接新钢筋。该修补砂浆包含体积比至少约1％的用于增强的钢纤维，使得该修补砂浆可将一个修复区域的强度恢复到不低于未锈蚀状态下相同区域混凝土结构的原有强度的100％。该修补砂浆具有大于1000秒的透气阻力，使得使用该修补砂浆补强的混凝土结构非常耐用。附图说明图1展示了使用现有“搭接新钢筋”技术补强钢筋混凝土结构。图2展示了使用本发明公开的技术补强的结构。图3展示了本发明公开的修补砂浆中使用的三种用于增强的钢纤维。图4a-4e展示了根据本发明公开的技术进行结构补强的步骤。图5a-5b展示了用于力学实验的样品(示意图和照片及实验条件)。图6a-6b展示了经历疲劳试验后的实验样品的侧面及底面。图7展示了实验样品在耐火测试期间的变形曲线。图8a-8b展示了经历耐火测试后的实验样品的表面状况。图9a-9b展示了用于电化锈蚀测量的实验设备(示意图)。具体实施方式现在使用附图详细说明本发明，图2展示了使用本发明公开的修补砂浆及技术补强的结构。图2示出了一个埋嵌有一条或多条钢筋205的钢筋混凝土结构200。钢筋205原本具有横切面积ax，如区域210所示。但由于锈蚀，钢筋205横切面面积减小到ay，其中ay大于或等于0.6ax，如钢筋205中的区域220所示。通常，当钢筋锈蚀到横切面积已经小于0.6ax时就会被替换，因此本发明公开的修补技术及补强结构并不适用于修补此种锈蚀程度的钢筋。位于钢筋205的锈蚀部分220及非锈蚀部分210周围的是修补砂浆230。修补砂浆230是一种普通硅酸盐水泥基修补砂浆，其包含占砂浆体积比约1-3％的钢纤维240。钢纤维240用于增强修补砂浆230的性能。该修补砂浆具有大于约1000秒的透气阻力。与传统修补砂浆小于约250秒的透气阻力相比，本发明修补砂浆具有显着降低的空气渗透性，因此，用该修补砂浆补强的结构耐化学侵蚀并经久耐用。补强区域200将混凝土结构的强度恢复到不低于混凝土结构原有强度的100％。本发明公开的补强结构使用的修补砂浆的组成包含重量比约35至45％的普通硅酸盐水泥。硅酸盐水泥是一种水凝水泥，通常包括各种比例的氧化钙，二氧化硅和氧化铝。硅酸盐水泥的组成可包括61-67％氧化钙、19-23％二氧化矽、2.5-6％氧化铝、0-6％氧化铁及1.5-4.5％硫酸盐。astmc150/c150m-16e1“硅酸盐水泥标准规范”列出了硅酸盐水泥的各种组成。该规范可从astminternational(westconshohocken，pa，2016)获得，其公开内容通过引用结合到本文中。这些组成中的任何一种都可以用作本发明补强结构中的普通硅酸盐水泥。为了控制普通硅酸盐水泥的凝结时间并改善修补砂浆的施工和易性，本发明公开的修补砂浆的组成也包含重量比3％至6％的石膏(二水硫酸钙二水合物caso4·2h2o)。为了有足够的时间来进行补强工作，有必要对修补砂浆的凝固时间进行控制。此外，通过控制和易性以方便及加速施工也非常重要。为了制备高强度修补砂浆，本发明修补砂浆组成中还包含了矽灰。矽灰通常是细幼无定形二氧化硅，具有几十至几百纳米的粒度。矽灰在修补砂浆中起到填充及火山灰的作用。火山灰是一种在有水的情况下可与氢氧化钙发生化学反应形成胶凝材料的材料。由于硅灰的小颗粒填充效应及火山灰反应，所得砂浆的强度可得到显着提高。根据所需修补砂浆的强度，矽灰的含量可在重量比0.5％至2％的范围内选择。矽灰含量的选择也会考虑增加修补砂浆抵抗化学侵蚀能力方面的因素，特别是抵抗氯离子侵蚀。为使修补砂浆起到有效补强的作用，其必须能够与修补区域的钢筋及混凝土牢固地粘合以有效得传递应力。将聚合物材料添加到修补砂浆中，可用以提高修补砂浆的粘聚性以及修补砂浆与原有钢筋及混凝土之间的瞬时和硬化后的粘合强度。根据待修补结构的位置和暴露混凝土空隙的深度，可在修补砂浆中添加重量比0.05％至0.5％的聚乙烯醇(pva)，用以产生具有不同粘聚性和粘合强度的修补砂浆。例如，与修补水平混凝土结构相比，在修补垂直结构或顶部结构时，砂浆需要更好的粘聚性和粘合强度。另一种可用于增强修补砂浆粘合强度的聚合物是乙烯醋酸乙烯酯(eva)。eva在修补砂浆中的含量为重量比1％至2.5％。需要注意的是，根据待修补结构的位置和暴露混凝土空隙的深度，也可以通过使用其他聚合物或改变pva和eva的比例来增强修补砂浆的粘合性能。eva也可用于调整砂浆的凝结时间，以延长修补砂浆的可施工时间。本发明所公开的修补砂浆与混凝土的粘合强度为约1.5-3mpa，与10mm光圆铁的粘合强度不低于4mpa，确保了应力可在修补砂浆与混凝土及钢筋之间有效传递。修补砂浆中可包含含量为重量比0.03％至0.05％的超塑化剂。这里使用的超塑化剂是指用于分散水泥颗粒，减少水泥团聚的材料。超塑化剂可以是基于聚羧酸盐的聚合物，例如聚羧酸酯醚基聚合物。羟丙基甲基纤维素(hpmc)或其他纤维素醚可作为增稠剂添加于修补砂浆中，也可用于改善砂浆的和易性。hpmc的含量可为重量比0.01％至0.03％。纤维对本发明公开的修补砂浆的力学性能及抗裂性能有重要作用。因为水泥材料的拉伸性能一般比较差，添加增强纤维可用于增强砂浆的拉伸强度。纤维还可以用于防止修补砂浆因干燥而出现开裂。在新型补强结构中使用的修补砂浆里可以添加两种类型的纤维、聚合物纤维及钢纤维。与待修补混凝土结构中的钢筋相比，修补砂浆内的聚合物纤维方向随机分布，而钢纤维方向尽量与钢筋方向一致。钢纤维240用于增加修补砂浆的强度，其含量为修补砂浆体积的1％至3％。如下所作进一步详细讨论，可根据最终的修补应用场景来选择钢纤维的尺寸、长径比和形状。在本发明实施例中，发明人对弯曲钢纤维以及具有或不具末端弯钩的直钢纤维进行了研究，同时也对三种不同尺寸的具有末端弯钩的直不锈钢纤维进行了研究：0.4mm直径×25mm长(长径比62.5)、0.75mm直径×50mm长(长径比66.7)、0.65mm直径×60mm长(长径比92.3)。图三示出了三种具有末端弯钩的直钢纤维。光面钢纤维，镀锌钢纤维或镀铜钢纤维可用于制备本发明公开的修补砂浆。聚合物纤维也可以被添加到修补砂浆中。其中一种可以使用的聚合物纤维是聚丙烯纤维。聚合物纤维可以用于减少补强结构的收缩和开裂，并且可以通过将裂纹两边的砂浆桥接在一起而阻止裂纹扩展。此外，由于聚丙烯纤维的熔化温度低于200℃，它可以增强修补砂浆在火中的抗爆裂性能。聚合物纤维在砂浆中的含量可为重量比0.1％至0.3％。其他种类可在水泥材料中分散的聚合物纤维也可用来制备本发明公开的修补砂浆。骨料，作为结构填料，被用来填充修补砂浆的体积及为修补砂浆提供抗压强度。可根据修补砂浆所需的耐久性，强度与和易性来选择骨料。本发明的修补砂浆包含不同量的沙和/或轻质骨料。骨料在修补砂浆中的总含量为重量比45％至60％，其中，占重量比44％至50％的是沙子，占重量比1至10％的是轻质骨料。轻质骨料的使用有利于降低修补砂浆的密度，从而增加修补砂浆的易施工性。本发明的修补砂浆具有非常高的透气阻力。透气度是衡量空气穿透混凝土难易程度的一个参数。透气阻力可作为衡量混凝土耐久性和耐化学侵蚀性(例如氯的化学侵蚀)的一个指标。具有高透气阻力的混凝土一般经久耐用、不易受化学侵蚀及不易令钢筋出现锈蚀。本发明所公开的修补砂浆具有至少约1000秒的透气阻力。下面的实施例和比较例中描述了本发明公开的修补砂浆的具体配方、制备修补砂浆的方法、用修补砂浆补强混凝土结构的方法、补强结构的力学性能测试以及与市售修补砂浆之间的比较。实施例实施例1：修补砂浆配方表一所示为根据本发明公开的各组分范围形成的修补砂浆的一个典型配方实例。该修补砂浆配方被用于以下实施例中的砂浆制备、结构补强和力学性能测试：项目组分原料种类混合比例(公斤)1胶凝材料普通硅酸盐水泥，石膏，矽灰11.792骨料干沙，轻质骨料12.633聚合物乙烯醋酸乙烯酯，聚乙烯醇0.534外加剂超塑化剂,羟丙基甲基纤维素0.025纤维钢纤维，聚丙烯纤维2.04表一：修补砂浆的典型配方根据表一所示配方制备的含有体积比2％的60mm长不锈钢纤维(长径比92.3)的修补砂浆的测试结果如表二所示：表二：表一中修补砂浆的性能表三所示为根据表一所示配方制备的不含钢纤维的修补砂浆的测试结果及市售修补砂浆的测试结果：表三：修补砂浆性能比较实施例2：修补砂浆的制备1.准备5公斤袋装干粉，该袋装干粉包含有实施例1中所示除述钢纤维之外的修补砂浆的所有组分。2.将0.86公升的水加入混合桶中。打开修补砂浆干粉包装袋，然后慢慢将干粉材料倒入桶中。3.用电动搅拌器以50-99rpm的旋转速度将粉末-水混合物搅拌2.5分钟，直到修补砂浆浆体被充分搅匀。4.将制备好的修补砂浆浆体放入鼓型搅拌机中，加入钢纤维，然后混合约3分30秒。该鼓形搅拌器不含主动型搅拌桨，可避免钢纤维在搅拌过程中变弯。实施例3：使用实施例1的修补砂浆补强混凝土结构图4a-4e展示了如何使用修补砂浆修补锈蚀钢筋。具体修补步骤如下所述：1.(用于实际修补)清除待修补范围的松散混凝土，以露出锈蚀的钢筋，然后用钢丝刷清洁钢筋的锈蚀部分。可选择在钢筋的锈蚀区域涂刷一层修补底漆。2.(用于制备力学测试样品)将在混凝土梁底面中间区域预留好的梯形空隙(图4a)中钢筋周围裸露的混凝土表面打磨粗糙，以模拟实际维修案例中通过清除松散混凝土形成的待修补区域的混凝土表面。在制作混凝土梁测试样之前，暴露在梯形空隙中直径10mm的钢筋的中间100mm长度被磨细到其原有横切面面积的60％。在以下所述的测试结果中包含有不同的暴露钢筋长度。3.根据实施例2中描述的方法制备实施例1中描述的修补砂浆。取制备好的修补砂浆做成相似尺寸(如直径20mm，长度80mm)的修补砂浆条(图4b)，然后用手或镘刀把砂浆条逐条放置并抹压入待修补区域内，以确保修补砂浆里钢纤维的排列方向和锈蚀钢筋的长度方向一致。4.在进行修补时，将制备好的修补砂浆条用镘刀或手逐条逐层抹压入待修补区域内，并最终达至修补砂浆面和修补区域外混凝土面相平齐。要确保待修补区域内所有空间，包括钢筋与混凝土之间的空隙，都被修补砂浆密实填满。5.放置修补砂浆条时，从修补区域一端到另一端，沿着锈蚀钢筋方向相邻的两条要头尾相叠，而垂直于钢筋方向相邻的两条要交错排列(图4c，4d)。在抹压入一层修补砂浆后，可在抹压下一层修补砂浆前，在已有砂浆层上涂抹一层底漆。6.用镘刀或刮刀将修补砂浆表面刮抹平整，并与相邻混凝土表面平齐。使用镘刀或其他适合的工具在修补砂浆表面做出所需的纹理(图4e)。以下实施例描述了如何根据图4a-4e制备补强结构力学测试样品及如何进行力学测试。实施例4：制备用于力学测试的补强结构样品在本实施例中，制备了1900mm长的钢筋混凝土梁用于四点弯曲试验和循环加载试验。钢筋混凝土梁内埋有10mm直径的光圆钢筋。光圆钢筋的两端被做成弯钩形状以避免测试过程中出现钢筋滑移。钢筋混凝土梁底部中间区域预留有梯形空隙，而在梯形空隙范围内，10mm光圆钢筋暴露在空气中，以模拟真实结构中的待修补区域。为进一步研究修补砂浆与钢筋之间粘合长度的影响，本实施例采用了两种梯形空隙的长度，lv，分别为300mm和400mm。在梯形空隙范围内的光圆钢筋其中间100mm长度被磨细至原有横切面积ax的60％的水平。图5a示出了用于四点弯曲和循环加载试验的钢筋混凝土梁试样的尺寸。图5b是钢筋混凝土梁样品的照片。表四列出了用于力学测试的样品的数目及细节。所有混凝土梁底部梯形待修补区域均使用实施例1所述修补砂浆进行了修补。在抹压修补砂浆前，其中一组样品待修补区域的混凝土表面涂刷有市售苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)乳剂粘合涂层，而另一组样品则没有涂刷粘合涂层。在进行四点弯曲试验时，梁的跨距被设定为1.8米，两点加载位置被设定为跨距的三分之一和三分之二处，所用加载方式及速率为位移控制和0.01mm/sec。表四：力学测试样品实施例5：力学测试结果-四点弯曲试验和循环加载测试由于锈蚀钢筋横切面面积减少降低了结构抗弯承载力，因此本发明所述纤维增强修补砂浆被用来修复钢筋混凝土梁的承载力。在本实施例中，修复率被定义为补强梁样品(有预留梯形空隙及用修补砂浆修补)的抗弯承载力与对比样(混凝土梁中的钢筋没被磨细及无预留梯形空隙)抗弯承载力之比。本发明所公开的修补砂浆旨在用于修复自1970年代以来建造的老旧建筑物中出现钢筋锈蚀的钢筋混凝土构件。这些老旧建筑物中使用的钢筋一般为r250级，其屈服强度为250mpa。但目前市场已很少有r250钢筋供应。有鉴于此，本实施例实验中使用了hpb300钢筋，其理论及实测屈服强度分别为300mpa及374mpa。可通过下式算出含有r250钢筋的钢筋混凝土梁的修复率：其中，mf是由修补砂浆贡献的混凝土梁的抗弯承载力部分；mp,250,100％是含有屈服强度为250mpa的未锈蚀钢筋的混凝土梁的理论计算抗弯承载力；mp,250,60％是含有屈服强度为250mpa的锈蚀钢筋(锈蚀后横切面面积为原有横切面面积的60％)的混凝土梁的理论计算抗弯承载力。如下所述，有两种计算公式(1)中mf的方法。第一种方法是在钢筋混凝土梁加载到其峰值荷载力时，通过计算间接获得钢筋里的最大应力。对比样1中直径为10毫米的钢筋未出现任何锈蚀。通过求解以下方程式可以得到对应于峰值荷载时钢筋中的最大应力：fpas＝fcbx(2b)其中，b＝梁横切面的宽度；h0＝梁横切面的有效高度；x＝抗压区的高度；as＝钢筋的面积；fp＝钢筋中对应于峰值荷载的最大应力.根据fp的理论计算值，可通过公式(2a)和(2b)计算出含有磨细钢筋(损失40％横切面面积)的混凝土梁的抗弯承载力。由于每个混凝土梁试样的抗弯承载力是锈蚀钢筋及修补砂浆协同作用的结果(拉伸面)，因此，由修补砂浆贡献的抗弯承载力部分可以从下述公式计算得出，如下所示：其中，mp是对应于峰值荷载的梁的抗弯承载力；mp,374,60％是由屈服强度为374mpa及横切面面积损失40％的钢筋贡献的抗弯承载力；mf是修补砂浆贡献的抗弯承载力。第二种方法是直接测量埋有磨细钢筋(损失40％横切面面积)的对比梁的抗弯承载力。由修补砂浆贡献的抗弯承载力计算公式如下所示：mf＝mp-mp，control，60％使用上述方法1和2计算了所测补强结构的修复率。表五列出了各组样品的力学测试结果及修复率。表五、四点弯曲试验结果图6a-6b展示了经历循环加载试验后的混凝土梁的侧面和底面。在循环110,000次后，样品梁仍保持完整，无任何肉眼可见的裂缝或剥离缝出现。实施例6：耐火测试根据bsen1363-1和1365-2对使用实施例1修补砂浆制备的补强结构进行了耐火测试。测试过程中，耐火测试样板上加载有5kpa的荷载。两个试样(对比样和补强结构样)在一个小时耐火测试后的变形均没有超出耐火测试标准中规定的最大变形和最大变形速率，全部通过了耐火测试。图7展示了两个试样在耐火试验中的变形曲线。图8a-8b是耐火测试后两个试样迎火面的照片。实施例7：锈蚀测试使用如图9a所示的微电池系统测量了实施例1中修补砂浆的自锈蚀电流(icorr微电流)。本实施例微电池系统是一个由恒电位仪组成的三电极系统，其中re是参考电极，ce是对电极，we是工作电极。另外，使用图9b所示系统测量了实施例1中修补砂浆的电耦合电流，ig(宏电流)。一套具有10000欧姆外部电阻的伏特计被用来间接测量钢纤维和锈蚀钢筋之间的电耦合电流，其中sf是钢纤维，rm是砂浆，如图9b所示。为了进行对比，测量了实施例1所述修补砂浆系统及现有修复系统(搭接接新钢筋)的ig/icorr值。由于阳极(锈蚀的钢筋)和阴极(sf)的面积比比较大，修补砂浆中钢纤维(sf)与旧混凝土中锈蚀钢筋之间的ig/icorr测量值仅为3.6％。但在现有修复系统中，焊接的新钢筋和旧混凝土中锈蚀钢筋之间的ig/icorr的测量值超过30％。根据以上结果，在现有修复系统中，新搭接钢筋的存在加速了混凝土中原有钢筋的锈蚀。但与此形成对比的是，实施例1中所述修补砂浆不会改变旧混凝土中钢筋的锈蚀行为。实施例8：粘合强度测试根据bsen10080附录d所述样品制备及测试方法测量了实施例1所述修补砂浆与实施例3中所用10mm光圆钢筋的粘合强度。钢筋与修补砂浆的粘合长度为100mm。粘合强度的测量值不小于4mpa。通过三点弯曲实验测量了实施例1所述修补砂浆与旧混凝土之间的粘合强度。所用测试样品为75mmx75mmx300mm柱状样品。制备样品时，先用普通混凝土制备75mmx75mmx150mm的混凝土柱，并养护28天。随后，把混凝土柱的一端表面打磨粗糙并放入内部尺寸为75mmx75mmx300mm的模具。在混凝土粗糙面涂刷粘合涂层后，用实施例1修补砂浆按实施例3所述方法填满模具，其中修补砂浆与混凝土柱的粗糙面接触。三点弯曲实验在修补砂浆养护28天后进行。修补砂浆与旧混凝土之间粘合强度的测量值为约1.5-3mpa.本领域技术人员由上述描述内容可知，本发明技术方案的实施形式多种多样。因此，尽管已结合具体的实例描述了实施方案，但是实施方案的范围不应受此限制，因为本领域技术人员在研究了本说明书和权利要求书之后会显而易见地想到其他修改方案。当前第1页12