受彎構(gòu)件經(jīng)環(huán)氧注漿裂縫修補(bǔ)受力性能研究*

尹國(guó)林， 呂偉榮， 盧倍嶸， 趙思鈦， 周志錦， 鐘小金

(1 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 湘潭 411201； 2 湘潭市建筑設(shè)計(jì)院， 湘潭 411100；3 江西省標(biāo)正技術(shù)工程有限公司， 南昌 330077)

0 引言

近年來(lái)，環(huán)氧注漿料以其良好的滲透性、抗拉及抗韌性能，被廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)中。陸洲導(dǎo)[1]和孫勇[2]等分別對(duì)普通混凝土和再生混凝土進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，試件的開(kāi)裂荷載與極限荷載、起裂韌度和斷裂能相對(duì)于注漿修復(fù)前均有不同幅度的提高。張偉平等[3]對(duì)圓柱體試件涂覆環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行研究，結(jié)果表明，涂覆環(huán)氧樹(shù)脂試件具有較好的抗氯離子滲透性，能有效地降低吸水率，因而能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。陳坤鵬等[4]研究改性環(huán)氧對(duì)新舊混凝土粘結(jié)性能影響中發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂在抗凍性、抗?jié)B性及抗碳化性能上成效顯著，并能減少水泥漿體收縮引起的微裂縫。Issa C A[5]通過(guò)將環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)重力填充混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，研究其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。Calder AJJ[6]等對(duì)比了不同注漿料對(duì)鋼筋混凝土板的修補(bǔ)效果，認(rèn)為環(huán)氧漿材的修補(bǔ)效果相比其他注漿料而言修補(bǔ)效果最好。

目前，盡管環(huán)氧注漿料具有良好的物理力學(xué)性能，但針對(duì)鋼筋混凝土梁受力裂縫的修補(bǔ)驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)展的較少。為此，本文通過(guò)對(duì)3根經(jīng)環(huán)氧注漿裂縫修補(bǔ)后的的鋼筋混凝土梁進(jìn)行由下向上兩點(diǎn)加載試驗(yàn)，研究裂縫開(kāi)展寬度、位置及荷載-撓度曲線等參數(shù)，為驗(yàn)證環(huán)氧樹(shù)脂注漿修補(bǔ)鋼筋混凝土受彎裂縫提供試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

圖1 試件尺寸和配筋圖

將試件分為A，B兩組，其中A組為1根對(duì)比梁，加載方式為直接將梁構(gòu)件加載至破壞；B組試件個(gè)數(shù)為2，其加載方式為將梁構(gòu)件加載至裂縫寬度0.2～0.5mm時(shí)，實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)變控制在1 800με的彈性范圍內(nèi)，保持荷載不變，再用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后卸載，直至注漿料固化后，再重新加載。試件分組如表1所示。

試件分組 表1

2 化學(xué)注漿應(yīng)用研究

2.1 注漿裂縫

為方便觀察環(huán)氧樹(shù)脂在鋼筋混凝土梁裂隙注漿中的可灌性和裂縫修補(bǔ)效果，此次試驗(yàn)所用加載方式均采用由下向上兩點(diǎn)加載，如圖2所示。第一次加載至混凝土表面出現(xiàn)0.2～0.5mm裂縫時(shí)(圖3)，停止加載，進(jìn)行注漿準(zhǔn)備。最大裂縫寬度值如表2所示。

圖2 加載裝置

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂裂縫修補(bǔ)梁注漿前裂縫圖

最大裂縫寬度/mm 表2

2.2 化學(xué)注漿工藝

為方便后期注漿，對(duì)第一次加載產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行如下處理：

采用砂輪機(jī)沿裂縫表面對(duì)稱(chēng)鑿出V形槽，寬5～8cm，深1～2cm，再用鋼絲刷掃凈槽口，并用電吹風(fēng)沿裂縫開(kāi)口向兩邊吹凈，以保證縫口敞開(kāi)無(wú)雜物，裂縫兩邊無(wú)粉塵和其他碎屑及粉末。然后再用封縫膠封閉裂縫表面。

(2)鉆孔

圖4 注漿操作詳圖

根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》(GB 50728—2011)[8](簡(jiǎn)稱(chēng)加固材料鑒定規(guī)范)要求，某公司裂縫修補(bǔ)膠干態(tài)、濕態(tài)粘結(jié)性能如表3所示。

某公司裂縫膠粘結(jié)性能 表3

(3)注漿操作

每條裂縫的注漿孔和排氣孔鉆孔完成后，將裂縫周邊的碎屑清理干凈并用封縫膠封閉裂縫，再擰入止水針。使用單孔注漿，從左向右依次進(jìn)行注漿。將配制好的漿液倒入注漿機(jī)內(nèi)密封，再將注漿管與止水針連接，開(kāi)啟注漿機(jī)，控制好注漿壓力，漿液就會(huì)順勢(shì)被注入裂縫之中。待到漿液開(kāi)始從排氣孔或裂縫周邊冒漿時(shí)，關(guān)閉注漿管的止水閥，進(jìn)行下一條裂縫的注漿操作。如此周而復(fù)始，直到最后一條裂縫注漿完成。

(4)注漿后效果

注漿全部結(jié)束后，將不平整的部位及孔洞采用封縫膠封堵平整，如圖5所示。

大數(shù)據(jù)環(huán)境下，一方面，醫(yī)學(xué)圖書(shū)館的文獻(xiàn)資源、光盤(pán)數(shù)據(jù)、讀者信息和用戶日志等大量數(shù)據(jù)以知識(shí)為核心整合并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，而在這之前沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃和保存數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生了大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)。另一方面，圖書(shū)館在電子資源更新和利用的過(guò)程中，在用戶借還及操作OPAC系統(tǒng)產(chǎn)生的大量用戶日志中都無(wú)形中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集，所以醫(yī)學(xué)院校圖書(shū)館面臨著對(duì)這些服務(wù)信息進(jìn)行規(guī)劃和整合，避免重復(fù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)信息并存。

圖5 注漿修補(bǔ)后效果

2.3 漿液擴(kuò)散半徑研究

李焰等[9]在劉嘉才[10]應(yīng)用牛頓摩阻定律研究確定了漿液在裂縫內(nèi)部的流動(dòng)特性和擴(kuò)散半徑的基礎(chǔ)上，再結(jié)合達(dá)西定律，得到漿液擴(kuò)散半徑R：

(1)

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑，cm；ΔP為允許注漿壓力，Pa；t為注漿時(shí)間，即持續(xù)注漿時(shí)間，s；b為裂縫寬度，cm，取注漿孔與裂縫相交處的內(nèi)部平均裂縫寬度，通過(guò)內(nèi)插法計(jì)算獲得；η為漿液粘度，MPa·s，根據(jù)《膠粘劑粘度的測(cè)定 單圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法》(GB/T 2794—2013)[11]現(xiàn)場(chǎng)確定。

此次允許注漿壓力ΔP為13MPa，兩次注漿時(shí)因溫度不同，其實(shí)測(cè)漿液粘度分別為225MPa·s和280MPa·s，注漿時(shí)間分為實(shí)際注漿時(shí)間，由式(1)反推，可得注漿時(shí)間t：

(2)

為此，經(jīng)計(jì)算得到的裂縫寬度、擴(kuò)散半徑以及式(1)常系數(shù)如表4所示。

裂縫注漿時(shí)間、擴(kuò)散半徑及式(1)常系數(shù)計(jì)算結(jié)果 表4

在裂縫寬而淺的情況下，實(shí)際用于注漿的時(shí)間遠(yuǎn)小于漿液在注漿管中的消耗時(shí)間和為保證注漿質(zhì)量而必須持續(xù)注漿的時(shí)間，因而注漿所用的時(shí)間中實(shí)際用于注漿的時(shí)間極少，致使誤差過(guò)大。因而裂縫寬度約在0.3mm時(shí)的注漿情況不宜進(jìn)行注漿理論的推導(dǎo)計(jì)算，式(1)中常系數(shù)實(shí)際計(jì)算平均值為1.864 6，比式(1)的2.223 7稍小，因而需要在式(1)的基礎(chǔ)上再提出一個(gè)折減系數(shù)β，以保證注漿理論的適用性。經(jīng)計(jì)算得β值為0.84，修改后公式如下：

(3)

2.4 注漿小結(jié)

(1)環(huán)氧樹(shù)脂裂縫膠2次實(shí)測(cè)漿液粘度值分別為225，280MPa·s，均小于規(guī)范規(guī)定的300MPa·s[8]，表明其流動(dòng)性?xún)?yōu)異，可減少大量堆積的現(xiàn)象。并且由于粘度低，固化過(guò)程中與空氣中二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能有效釋放，不至于因反應(yīng)溫度過(guò)高，而對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷[12]。

(2)式(1)計(jì)算注漿擴(kuò)散半徑具有一定的局限性，需結(jié)合實(shí)際注漿情況，在式(1)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際注漿情況引入折減系數(shù)β，以計(jì)算實(shí)際注漿擴(kuò)散半徑。

3 裂縫修補(bǔ)后重新加載試驗(yàn)研究

目前混凝土裂縫注漿多采用鉆芯法，但該方法僅是對(duì)注漿料固化后的芯樣強(qiáng)度及裂縫填充效果進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)法反映修補(bǔ)構(gòu)件經(jīng)修補(bǔ)后實(shí)際受力效果。為此，待環(huán)氧樹(shù)脂漿液固化后，對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行重新加載，研究鋼筋混凝土梁經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后的抗彎剛度及承載力性能。

3.1 裂縫修補(bǔ)后重新加載破壞形態(tài)

經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)后，新的混凝土裂縫通常存在于混凝土與環(huán)氧樹(shù)脂的界面附近，但由于環(huán)氧樹(shù)脂是粘彈性體，因而存在以下4種可能的破壞類(lèi)型[12]，如圖6所示。其中，圖6(a)所列的“被粘物破壞”是最合理的。

圖6 膠接頭的破壞類(lèi)型

3.2 裂縫修補(bǔ)后重新加載試驗(yàn)結(jié)果

(1)裂縫出現(xiàn)位置

如圖7，8所示，經(jīng)修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁，重新加載過(guò)程中出現(xiàn)的主要受力裂縫均不再是原裂縫位置上，且距離原裂縫大致15～43mm，實(shí)現(xiàn)了“被粘結(jié)物破壞”機(jī)制，表明環(huán)氧注漿不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂縫的有效填充，而且經(jīng)壓力滲透到裂縫周邊一定范圍內(nèi)的混凝土，并對(duì)該范圍內(nèi)混凝土抗裂能力進(jìn)行了有效加強(qiáng)。

圖7 經(jīng)修補(bǔ)后主破壞裂縫位置

圖8 裂縫修補(bǔ)前后裂縫對(duì)照?qǐng)D

(2)重新加載后的抗彎剛度及承載力分析

如圖9所示，修補(bǔ)前，鋼筋混凝土梁B1，B2均在28kN左右出現(xiàn)第一條混凝土受拉裂縫，其抗彎剛度下降明顯，且隨著后續(xù)新裂縫的出現(xiàn)，其抗彎剛度亦有所下降。但經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁卸載后重新加載，初裂剛度較未修補(bǔ)前提高了14%～24%(表5)，表明環(huán)氧注漿材料的抗拉性能得到了充分發(fā)揮。

裂縫修補(bǔ)前后試驗(yàn)梁的力學(xué)參數(shù) 表5

圖9 裂縫修補(bǔ)前后試件荷載-跨中撓度曲線

如圖9，10所示，隨著荷載的增加，經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁B1，B2初裂裂縫分別出現(xiàn)在52.5，58.5kN，較未修補(bǔ)時(shí)高出近1倍，且對(duì)抗彎剛度的折減并不明顯，這導(dǎo)致經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后鋼筋混凝土梁的抗彎剛度較未修補(bǔ)時(shí)有顯著提高，表明經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁具有較好的抗裂性及正常使用工作性能，其原因是充分發(fā)揮了環(huán)氧材料良好的力學(xué)性能和滲透性。

如圖10所示，隨著荷載進(jìn)一步加大，經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁B1，B2裂縫進(jìn)一步開(kāi)展，構(gòu)件抗彎承載力達(dá)到峰值，其值與未修補(bǔ)時(shí)基本保持一致，但峰值位移較對(duì)比梁小了近50%(表5)，表明構(gòu)件經(jīng)環(huán)氧注漿修補(bǔ)后，從初裂荷載至峰值承載力區(qū)間內(nèi)，盡管其抗彎剛度提高明顯，但其變形能力有所降低，脆性較未修復(fù)梁明顯。

圖10 裂縫修補(bǔ)構(gòu)件與對(duì)比試件荷載-跨中撓度曲線對(duì)比

同時(shí)，經(jīng)修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁承載力極限與變形主要是與配筋有關(guān)，環(huán)氧注漿對(duì)其極限承載力及整體變形無(wú)明顯貢獻(xiàn)，其作用僅局限于初裂荷載至峰值承載力區(qū)間內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)基于現(xiàn)場(chǎng)注漿的實(shí)際操作時(shí)間，對(duì)某公司環(huán)氧樹(shù)脂引入0.84的折減系數(shù)，提出了與試驗(yàn)相匹配的計(jì)算注漿擴(kuò)散半徑公式，可供實(shí)際工程參考。

(2)經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂裂縫修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁，其再次加載直至破壞時(shí)，新破壞裂縫位置明顯偏離原裂縫15～43mm，實(shí)現(xiàn)了“被粘物破壞”機(jī)制，表明經(jīng)修補(bǔ)后的裂縫本身及周邊局部區(qū)域均得到了顯著加強(qiáng)，完全達(dá)到了裂縫修補(bǔ)的效果。

(3)荷載-撓度曲線表明，環(huán)氧樹(shù)脂因良好的滲透性和力學(xué)性能，以致經(jīng)其修補(bǔ)后的鋼筋混凝土梁初裂荷載較修補(bǔ)前有顯著提高，具有較好的抗裂性及正常使用工作性能，但鋼筋混凝土梁的承載力極限主要與配筋有關(guān)，故承載力提高不明顯。