鋼筋網(wǎng)水泥復(fù)合砂漿加固混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用

田 野， 張 鵬， 趙 卓

1河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053）2河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司安新改建工程項(xiàng)目部（450000） 3鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院（450000）

0 前言

鋼筋網(wǎng)水泥復(fù)合砂漿(簡(jiǎn)稱(chēng)CMMR)加固混凝土結(jié)構(gòu)，是指對(duì)混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行鑿毛并沖洗處理后，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，再粉抹或澆筑高性能復(fù)合砂漿,使加固層與原構(gòu)件共同工作，達(dá)到提高構(gòu)件工作性能的目的。采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，在國(guó)內(nèi)外也有一些研究和應(yīng)用，隨著建筑材料技術(shù)的發(fā)展,高性能復(fù)合砂漿的產(chǎn)生把這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍拓展到混凝土結(jié)構(gòu)的加固中。

采用CMMR加固混凝土結(jié)構(gòu)，相容性和延性好，耐火、耐高溫能力強(qiáng)，且施工簡(jiǎn)易，造價(jià)低廉，具有很強(qiáng)的適用性，便于推廣應(yīng)用。

為探討CMMR加固法對(duì)混凝土受彎構(gòu)件的加固效果，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比試件和一個(gè)試驗(yàn)試件,試驗(yàn)中測(cè)量了試件的鋼筋、混凝土、鋼筋網(wǎng)荷載—應(yīng)變曲線以及荷載—撓度曲線，測(cè)定了兩個(gè)試件的極限承載力，對(duì)兩試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入的對(duì)比和分析。

1 試驗(yàn)研究概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與加載方案

試驗(yàn)采用重物吊籃加載法，加載裝置為杠桿加載裝置，杠桿放大系數(shù)設(shè)計(jì)為5倍。試驗(yàn)前用壓力盒測(cè)試杠桿的實(shí)際放大系數(shù)。加載時(shí)采用分級(jí)加載方法,加載前先預(yù)加5 kN，檢查加載設(shè)備和儀表工作是否正常,正式加載時(shí)每次加載的級(jí)差為1.5～2 kN左右。當(dāng)?shù)谝粭l彎曲裂縫出現(xiàn)后，適當(dāng)加大加載級(jí)差，在試件將要破壞前適當(dāng)縮小級(jí)差，以測(cè)定試件極限承載力。每級(jí)荷載加載后持續(xù)時(shí)間不少于10min，等儀表基本穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)并讀取百分表數(shù)據(jù)。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了2個(gè)試件，均為矩形截面，試件編號(hào)為B1、B2。其中B1作為對(duì)比試件,不進(jìn)行加固；B2為采用CMMR加固的試驗(yàn)試件。試件混凝土截面尺寸b×h×l＝100 mm×180mm×2 200mm,凈跨 2 000mm,設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C25。試驗(yàn)梁在試驗(yàn)室制作并在室內(nèi)條件下養(yǎng)護(hù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 B1 試驗(yàn)結(jié)果

加載初期，鋼筋、混凝土應(yīng)變隨荷載增加逐漸增加。當(dāng)荷載增加至20 kN左右時(shí)應(yīng)變曲線走向發(fā)生突變,觀察試件表面發(fā)現(xiàn)少量垂直裂縫，裂縫短而細(xì)靠近試件底部。隨著荷載增加，裂縫緩慢加寬，并向上延伸，間隔一定距離處有新的裂縫產(chǎn)生。荷載繼續(xù)增加，混凝土、鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，裂縫數(shù)量不再增加，裂縫寬度不斷加寬。其中一條裂縫明顯比其余裂縫加寬速度快，形成主裂縫，該裂縫頂端受壓區(qū)出現(xiàn)水平裂縫，加載至極限荷載后，持荷時(shí)約5 min，受壓區(qū)水平裂縫突然增多，破壞加重，與受拉的主裂縫交匯形成三角形破壞區(qū)域。最后混凝土被壓酥、剝落，試件破壞。從主裂縫頂端混凝土發(fā)生突變到試件破壞，時(shí)間很短，破壞過(guò)程比較突然。試件極限承載力為39.2 kN。

2.2 B2 試驗(yàn)結(jié)果

加載初期，鋼筋、混凝土應(yīng)變隨荷載增加逐漸增加，當(dāng)荷載增加至20 kN左右時(shí)應(yīng)變曲線走向逐漸變化,混凝土壓應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度減慢,觀察試件表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫,說(shuō)明CMMR加固后構(gòu)件的抗裂能力有所增強(qiáng),荷載增加至35 kN左右時(shí)，復(fù)合砂漿表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂紋，裂縫寬度很小，荷載繼續(xù)增加，裂縫寬度增長(zhǎng)不明顯，裂紋數(shù)量不斷增加，裂縫間隔減小。相比較于對(duì)比試件B1混凝土表面的裂縫，試件B2復(fù)合砂漿表面的裂縫寬度明顯減小，裂縫數(shù)量顯著增加，平均裂縫間距約為試件B1的1/4左右。加載至接近極限荷載時(shí)，混凝土、鋼筋、鋼筋網(wǎng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，其中一條裂縫明顯比其余裂縫加寬速度要快，形成主裂縫，裂縫頂端受壓區(qū)混凝土和復(fù)合砂漿出現(xiàn)水平裂縫，加載至極限荷載后，持荷約5 min，受壓區(qū)水平裂縫逐漸增多，破壞加重，與受拉的主裂縫交匯形成三角形破壞區(qū)域，混凝土被壓酥，復(fù)合砂漿剝離，試件破壞。從主裂縫頂端受壓區(qū)發(fā)生突變到試件破壞，時(shí)間比較長(zhǎng)，破壞過(guò)程比較緩慢，破壞延性很好。試件極限承載力為56.25 kN。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比試件B1、B2試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)CMMR加固法非常有效，采用CMMR加固后的B2試件，承載力、延性都有很大程度的提高，極限承載力提高了43%，破壞時(shí)的撓度提高了54%。此外，采用CMMR加固后，試件的開(kāi)裂荷載大幅度提高，且開(kāi)裂后裂縫寬度增長(zhǎng)緩慢，裂縫呈現(xiàn)細(xì)而密的形態(tài),說(shuō)明CMMR加固法加固的混凝土構(gòu)件抗裂能力顯著增強(qiáng)，從而構(gòu)件的耐久性、抗腐蝕能力都得到大幅度的提高。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

鄭州市西郊某招待所,始建于1985年，整棟建筑為4層框架結(jié)構(gòu)，2006年擬改造成賓館。由于該建筑使用時(shí)間已經(jīng)很長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)老化比較嚴(yán)重，改造成賓館后，部分梁柱的使用荷載也發(fā)生了變化，因此需要加固。

以某跨框架梁為例，由于改造成賓館后增加了衛(wèi)生間，該梁跨使用荷載發(fā)生了改變，需要加固。實(shí)測(cè)梁截面尺寸250mm×450mm，梁跨為6.2m，回彈檢測(cè)得混凝土強(qiáng)度為16.1 MPa。查原設(shè)計(jì)圖紙得該梁跨中截面縱筋為3.22,箍筋8@100/150。在新的使用荷載下,梁跨中彎矩值設(shè)計(jì)為182.66 kN·m,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)該梁抗彎承載力不足,擬采用CMMR進(jìn)行加固。鑒于加固時(shí)已經(jīng)基本卸除梁上的所有荷載,計(jì)算該梁加固后的承載力時(shí)可按一次受力計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)，采用如下公式計(jì)算該梁加固后承載力。

M—構(gòu)件加固后的彎矩設(shè)計(jì)值:

fy—原構(gòu)件鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fym—鋼筋網(wǎng)片鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

fc—原構(gòu)件混凝土、復(fù)合砂漿軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As—原構(gòu)件中縱向受拉、受壓鋼筋截面積；

Asm—底面、側(cè)面鋼筋網(wǎng)縱向截面積；

b—原構(gòu)件截面寬度；

ho—原構(gòu)件截面高度、截面有效高度；

tt—底面、側(cè)面加固層厚度；

X—截面等效受壓區(qū)高度。

該梁跨中截面為單筋矩形截面:

復(fù)合砂漿擬采用25mm厚M50高性能復(fù)合砂漿:

梁側(cè)面鋼筋網(wǎng)，擬采用每側(cè)縱向網(wǎng)筋:

將上述各數(shù)值代入式得:

計(jì)算得底面縱向網(wǎng)筋截面積偏大，為方便施工，底面縱向網(wǎng)筋改用II級(jí)鋼進(jìn)行等面積代換得:

底面縱向網(wǎng)筋選用12,為確保加固層與原構(gòu)件的共同工作，設(shè)置橫向網(wǎng)筋6@60/100，且在加密區(qū)設(shè)置梅花型布置的剪切銷(xiāo)釘。剪切銷(xiāo)釘與鋼筋網(wǎng)片在網(wǎng)格點(diǎn)處電焊，用于固定鋼筋網(wǎng)。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)該框架梁的加固已于2006年8月完工。加固后該構(gòu)件已經(jīng)完全能夠承擔(dān)新的使用荷載，滿足了實(shí)際使用要求。此外，與常規(guī)的粘鋼加固法或外貼碳纖維布加固法相比較，CMMR加固法材料價(jià)格低廉，施工過(guò)程簡(jiǎn)便，因而具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明在該建筑的加固過(guò)程中采用CMMR加固法后，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

采用CMMR加固混凝土受彎構(gòu)件非常有效。加固后，構(gòu)件的承載力、延性都有很大程度的提高。此外，采用CMMR加固后，構(gòu)件抗裂能力也顯著增強(qiáng)，從而使構(gòu)件的耐久性、抗腐蝕能力都得到大幅度的提高。工程實(shí)踐表明CMMR加固法是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加固方法。