一、应用碳纤维布加固钢筋混凝土柱的技术特点
钢筋混凝土柱的加固方法有多种,常用的有增大截面法、外包钢加固法、预应力撑杆加固法、置换法、外贴碳纤维布加固法等。而采用外贴碳纤维布加固法加固这些混凝土柱。具有以下特点:
第一,碳纤维布加固框架柱,是用纤维布缠绕柱体,使混凝土处于三向受力状态。由于碳纤维布极高的抗拉强度以及和混凝土较好的粘结性能,使得碳纤维布有效约束混凝土,从而使其承载能力和延性有较大提高。有试验表明:有缺陷的柱通过碳纤维布环箍作用,其抗压强度可以达到相同等级混凝土的1.4倍。
第二,碳纤维布是一种厚度小、自重轻、柔韧性好的材料,它具有极高的抗疲劳性、抗徐变、抗酸碱、抗高温的特性,所以用来加固混凝土柱可以满足抗弯、抗压和抗震的要求,并且还不会增大柱子的截面。
第三,这种加固方法有不破坏原结构、施工简便的优点,加固完成后,结构在使用过程中无需再投入维护费用,使用寿命长。
二、应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱延性的方法
采用倒T形,柱子的水平力加荷点位于柱子反弯点处,首先施加轴力至给定值;随后,保持轴力值不变,循环加卸水平力。水平力加载方案为:试件屈服前用水平荷载来控制,分级加载至试件屈服,并记录试件屈服位移△;试件屈服后,以屈服位移△,为增量反复循环,不断增大试件位移,直至试件水平荷载下降至峰值荷载的85%为止。
钢筋混凝土柱经横向包裹碳纤维布加固后,其变形性能得到了显著改善,位移延性比明显提高。通过对试验结果的分析,可以发现影响延性系数大小的因素主要有:碳纤维布用量、轴压比、剪跨比、混凝土强度等。基本规律为:加固柱延性的提高程度是随着碳纤维布用量的增长而增大的;构件轴压比较小时加固效果较好;剪跨比较小时,使用碳纤维布可以提高短柱的抗剪承载力,转变破坏形态,改善短柱的变形性能;构件的混凝土强度较低时加固效果较好。以上研究表明,采用碳纤维布加固钢筋混凝土方柱时,对柱子转角部位进行倒圆角处理可以提高加固柱的延性,规律为:随着角部圆弧半径的增大,加固柱的延性提高幅度也随之增大。
用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性时,碳纤维布的主要作用就是对其内部混凝土起到约束作用。碳纤维布约束混凝土是一种被动约束,随着轴向压力的增大,横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长,从而提供侧向约束力。约束机制取决于两个因素:混凝土横向膨胀性能和环向约束能力。碳纤维布约束混凝土表现出两阶段受力过程:第一阶段,混凝土处于类似素混凝土的线弹性阶段,横向膨胀变形小,故碳纤维布的横向应变也很小,分界点在素混凝土峰值应力附近;第二阶段,构件达到极限承载力后,混凝土横向膨胀变形急剧增加,碳纤维布环向应变显著增长,环向约束力增加,混凝土的极限压应变得以提高,因而推迟了受压区混凝土的压碎,充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能,显著地改善了构件的延性。
三、应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱受剪承载力方法分析
(一)剔凿松动混凝土、钢筋除锈、浇筑高标号混凝土
用人工首先将加固柱松动混凝土进行轻轻剔凿,切不可大力以防破坏密实混凝土,对主筋、箍筋锈蚀部分应进行除锈,露出金属光泽,补焊钢筋,外刷环氧浆液,再浇筑高标号混凝土,振捣密实。
(二)裂缝灌浆
对柱表面裂缝采用化学压力灌浆,先用环氧胶泥将裂缝封闭,形成闭合回路,预埋灌浆嘴,通过灌浆嘴进行压力灌浆,将裂缝封闭。
(三)表面处理
对柱混凝土表面用砂轮打磨,以除去表面疏松层及油污等杂质,直至完全露出新的混凝土界面,并用压缩空气将表面浮灰清除干净。
(四)涂刷基底树脂
按产品使用说明充分搅拌后,用滚筒刷均匀涂抹于柱混凝土表面。
(五)碳纤维布粘贴
将结构胶均匀涂沫后,将已剪好的碳纤维布迅速粘贴到位,并挤出气泡,以使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结。对水平弯折部分,用钢板紧密锚固。
(六)表面处理
至少8h后,在碳纤维布表面涂抹一层基底树脂,干燥后外抹水泥砂浆作面层。
四、应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱的施工方法
(一)对拟补强加固构件的混凝土表面及其处理方法,基底树脂的涂敷,碳纤维布的粘贴、养护、表面整饰等进行充分研究和设计,并对使用材料、配套树脂、机具等做好准备工作。
(二)由于该柱部分钢筋已锈蚀,需先打掉已锈蚀钢筋处的一部分混凝土,以便对已锈蚀的钢筋除锈,然后用钢丝刷、压缩空气将缝隙内的碎渣、浮灰等清除干净。对较大面积混凝土的缺损和孔隙,采用无收缩水泥砂浆进行修补,待水泥砂浆凝固后,对构件表面仍存在的裂缝采用环氧树脂砂浆进行压力灌浆封闭处理,待灌浆材料达到一定强度后再进行下面的操作。
(三)对被粘贴混凝土表面用砂轮或角磨机打磨,以除去表面疏松层及油污等杂质,直至完全露出新的混凝土界面,并用压缩空气将表面浮灰清除干净。柱的转角处要进行倒角处理并打磨成圆孤状(R=50mm)。对于施工环境湿度较大,或混凝土粘贴表面潮湿的情况,还应对粘贴面进行干燥处理。当混凝土表面凹凸不平时,应用找平材料将缺陷部位填补平整,待找平材料表面干燥后,再进行下一步施工。
(四)基底树脂的作用是加强碳纤维布与混凝土表面的粘结力,这对于加固效果的充分发挥是非常重要的。按产品使用说明规定的比例将甲、乙两组份充份搅拌后,用滚筒刷均匀涂抹于混凝土表面。
(五)将树脂腻子主剂与硬化剂按2:l配比,充分搅拌均匀,用抹刀将腻子填补于表面凹凸不平处,以手指接触不粘手后再进行下面的工作。
(六)将搅拌好的浸润树脂,均匀饱满涂抹于构件所要粘贴的部位,厚度为1.5mm左右,不宜过薄。
(七)涂抹浸润树脂后,应保证在规定的使用时间内,将已按设计的尺寸裁剪好的碳纤维布迅速粘贴到位。粘贴过程要求平整、顺直,不得有波纹、皱折或位置偏差。碳纤维布粘贴后,用特制的滚筒沿碳纤维布纤维方向(即在使用阶段碳纤维布受力方向)多次滚压挤出气泡,确保不浮空,以使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结;同时,使粘结剂充分渗入纤维之间的缝隙内。当粘贴第2层碳纤维布时,先在第l层碳纤维布的表面涂刷浸润树脂,然后按前述方法粘贴第2层碳纤维布。最后,在碳纤维布表面再涂抹l层粘结剂,上覆塑料薄膜,并用木模板压紧碳纤维布养护。
(八)饰面处理至少8h以后,去除塑料薄膜,在碳纤维布表面涂抹l层基底树脂。待基底树脂用手指接触不沾手后,外抹水泥砂浆做面层;最后根据原厂房使用环境的要求,对其表面涂刷耐火涂料。
通过以上分析,可以看出,碳纤维布具有强度高、自重轻、不改变截面等优点,在未来的混凝土加固工程中应用将越来越广泛。