用“外包PC材料法”加固钢筋混凝土柱.pdf

2 0 0 6年 6月 第 3卷 第 2期 深圳土木与建筑 V O L ． 3 N o ． 2 5 U N 2 0 0 6 用 “ 外包 P C材料法 "加 固钢筋混凝土柱 龙梅 傅淑娟 赵崇恒 李敬业 ( 中国建 筑技 术集 团有 限公司 深圳 分 公司 ) [ 摘要] ‘ ‘ P c材料”是聚合物水泥砂浆的简称，其具有强度 高，粘结性好，耐水性好，抗碳化等优点。笔 者在成功地将此材料用于加 固钢筋砼梁后，以试验室试验为基础 ，以水电部 门近 2 O 年来利用其作修补 材料的资料为依据 ，成功把 P C材料用于深圳市某大型公共建筑的柱子加 固中，本文介绍了P C材料的 特性 、试验室试验成果 、工程 实例和计算方法。 [ 关键词 ] 聚合 物 水泥砂 浆 、置换 、加 固。 1 ． 前言 “ P C材料 ”是聚合物水泥砂浆 的简称 ( 英文为 P o l y m e r C e m e n t M o r t a r ) 。 这是一种性能优 良的复合 材料。也是一种较新 的材料，其具有强度高，粘结性 好，空隙少，耐水性好 ，抗碳化等优越性能。过去二 十年间多用 于水利 、工 民建等项 目的修 补材料。 2 0 0 4 年我公司以试验室试验为基础，成功地将 P c材料用于钢筋砼梁的加固工程中，并取得初步成 果。 在深圳市土木建筑学会编辑的《 深圳土木与建筑》 2 0 0 4 年第三期 中，刊登 了我公司撰写的 《 用 P C 材料 置换法加 固钢筋砼梁》一文 ， 文中对这种方法作了详 细介绍。本文主要讲述对钢筋混凝土柱的加固方法。 2 ． P C 材料的种类及选择 P C 材料用的聚合物品种很多，如丙烯酸酯、聚 氯丁二烯、聚苯乙烯丁二烯、B J乳液、B H C乳液、 S BR乳液、苯丙乳液等 。 将不同的聚合物加到水泥砂浆中会得到不同的 P C材料 ，其物理力学性能有很大 的差 别。故在选择 聚合物 时要注意 以下 的几 点： 2 ． 1 一定要针对工程的需要进行选择 。加 固不 同的构件 ，不同的部位 ，对 P C材料要求不同。如希 望提高梁 的抗剪强度 时，应选择抗拉强度高的P C 材 料 ，而要加 固柱时，应选择抗压 强度较 高的材料 。 2 ． 2 P C材料的强度与聚灰 比、水灰 比等 比例关 系很大，不同厂家生产的同类产品也会因产品本身 配合 比不同而导致性能差异。故在工程施工前必须 先进行试验 室试验 ，以确定合适 的配合 比。 3 ． P C 材料 的粘 结强度 外包 的P C 材料与原有砼柱之 间必须有可靠 的粘 结 ，这 是二者共 同工 作 的基础 。 龙梅 ， 女，中国建筑技术 集团有 限公司深圳分 公司， 部 门经 理 地址 ： 深圳市 红岭中路南 园大厦 2栋 1 0 D 电话 ： 8 2 4 4 0 2 8 2 邮编 ： 5 1 8 0 2 5 而 P C 材料与砼之 间有很好的粘结性 ，一般情况 下粘结作用主要通过以下机理实现 ：①机械粘接机 理 ，② 物 理吸 附机 理 ，③ 扩散机 理 ，④ 化学键 机 理 。在 PC材料 中，聚合物颗粒 与水 泥水化物之 间 能产生离子键型的化学结合 ，这就大大提高了 P c材 料与混 凝土 的粘结强度 。 日本 学者有 研究 资料表 明，P C材料与砼 的粘结强度 ，可 比普通新老砼粘结 强度提 高 四倍 。 在 国内已有很多工程用 P C 材料作修补材料如水 利部门已使用 了近 2 0年，化工、电力部门也使用 了 近 1 0年，经修补的工程均可正常工作 ，工程实践表 明，P C 材料与原有基层 的混凝土构件可很好的粘结， 共 同受力 ，部分工程 见表 1。 国内用 P c材料加固的几个工程 表 1 建筑 修补面积或 修补 类型 工程 结构部位 日期 3 1 5 0 m2 ( 板底混凝土 西斋堂水库底板 1 9 8 5年 脱落 5 e ra) 水电 高家店水库溢流 1 0 4 0 m 2 ( 混凝土剥落 1 9 9 1 年 工程 坝 面 达 1 8 c m) 4 5 0 0 m 2 ( 底板混凝土 岳城水库底板 1 9 9 0年 脱落 5 e m) 鄂西化工厂 造粒塔筒壁大面积 1 9 9 8年 化工 腐蚀 建筑 常州化工厂 储罐支架，二层框架 1 9 9 5年 宁波化工厂 碱蒸发车间 框架 1 9 9 7 定 混凝土支架 、混凝土 福州变 电站 1 9 8 9年 风化 、表层脱落 电力 混凝土支架 、混凝土 建筑 卜 海新周变电站 1 9 9 2芷 风化 、表层脱落 混凝土支架、混凝土 张家港变 电站 1 9 9 8年 风化、表层脱落 4 ． P C 材 料的抗压 强度 P c材料 的抗压 强度 ( 抗折强度、抗拉强度等) 29 维普资讯 2 0 0 6 年 6月 第 3卷 第 2 期 深圳土木与建筑 V 0 L ． 3 N o ． 2 J U N 2 0 0 6 受到很多因素的影响 ，且许多因素相互关联。主要 因素：聚合物本身的性能、配合比 ( 聚灰比、水 灰 比 、胶 砂 比 等 ) 、养 护 方 法 等 。 根据资料介绍及我们的试验结果，在聚灰 比在 1 O ％ ～2 O ％时，其抗压强度为 4 0 M p a ~6 O M p a( 试块标 号值 ，下 同) 。 根据 设计计算 ，在用 “ 外包 P C材料法 ”加 固 柱时，宜控制在抗压强度在 4 0 M p a ~4 5 M p a ，其综合 性能 ( 包括粘结强度、经济指标等 )较为合理。 5 ． P C 材料的耐水性能 在 P C 材料中，由于聚合物填充封闭了材料中的 较大孔隙 ，所 以 P C材料 的吸水 性降低 ，不透水性 提高 。试验说 明在聚灰比为 1 O ％～2 O ％时，吸水率 可 下 降 5 O ％。 6 ． P C 材料 的抗碳化性 该性 能是我们 在设计中重点研究的性能之一 。 由于 P C 材料 的造价一般为普通砼的 8 ～1 0倍 ，因此 其用量只要满足设计强度要求即可 。我们 的设计厚 度 为 2 0 ra m左 右 。 但按普通砼的规范 ，对保护层厚度有明确的规 定 ，倘若P C 材料较薄，则会给人造成 “ 保护层较 小” 的误解。因此对 P C 材料的抗碳化性能应进行介绍。 P C材料有优 良的抗碳化性能，主要原因是在 P C 材料 中由于聚合物的填 充和封 闭作用 ，使得空气中 二氧化碳、氧 气 、水份 的透过性 降低 ，从而使 P C 材料抗碳化能 力大大提高 。 l ■争 r I 口 室 内 l ■ ． ． 一l L． _ 未改性 S B R P A E 一 1 P A E 一 2 P V A C 1 P V A C 2 图 1 聚合物改性砂 浆 1 0年碳化深度 ( 聚灰 比 2 0 ％) 图 1 表示了当聚灰比为 2 0 ％时几种 P C材料的碳 化深度 ，从 图中看 出：s B R砂浆有十分优 良的抗碳 化性能 ，其十年的碳化深度仅 为几毫米，是普通砂 浆 的 l ／ 5 ～l ／ l 0 。 所 以在用外包 P C材料加 固砼柱时，其在箍筋外 面的厚度可小于普通砼 的规定，建议可取 ≥ l O m m 。 表2 说明了几个水电建筑在处理 因碳化问题使得 钢筋锈蚀的实例，可以看出对水工构筑物，其 P C材 料保护层厚度仅为几毫米 。 几项用 S B R砂浆修补 的工程 的抗碳化性能 表 2 工 程名 称 工程简 况及病害情况 用S B R砂浆 修补 情况 建于1 9 6 1 ～ 1 9 7 5 年 1 9 8 5 年检 ①凿除已开 裂的 砼 查 发现砼粱、 砼肋有不同程 度的 ②对 钢筋除 锈及增补 钢筋； 蚌埠分洪 碳化， 平均 碳化深度为 ③喷2 m m S B R砂浆作 粘结 道双睡 拱 1 5 ．2 m rr r - 2 3 ．3 ra m 。 钢筋锈蚀 较严 剂； 桥修补 重，原为0 2 0 ，实际 测定为 ④ 喷 3 - - Z lm m S B R砂浆封闭 I g ． 4 1 7 ． 7 ，钢筋 截面 损失率 保护 达5 ． 9 96 — 2 7 ． 7 ％ 8 年后检测使用 性能良 好。 1 9 6 0年建 成， 1 9 8 6 年 检查屋架 ①在旧 屋架边增设钢 屋架用 安徽电 力 的2 0 m m保护层全部 碳化， 钢筋 于承 重； 屋面板不动； 厂钢筋砼 已 锈蚀达 5 ra m ，屋面 板底同剥 ②不 拆除旧 屋架，仅 凿除 屋 桁架、 屋面 落严重， 普遍露筋。 架 及扳上开裂 砼，喷 涂 板修补 分析原因： 车间内 高 温、 潮湿， 3 m m S B R砂浆保护。 二氧化 碳、 二氧化 硫等 浓度较高 5 年后检查，修 补性能良 好 7 ． 棱柱形砼试块中心受压试验情况 在正式工程使用 P C 材料加固柱之前 ，我们首先 进 行试验 室试验 ， 以取得 可靠数据 ，指 导工程施 工。 7 ． 1试件 为了解用外包 P C 材料加固柱的受力性能，观察 P C材料与砼之间的粘结效果我们作 了四组试块 ， 试块情况见 图 2 ，表 3。 7 ． 2试验结果 试件在养护 2 8天以 后 ， 进 行 中 心 受 压 试 验 ，试验结 果见表 4。 从试件的试验结果可 以看 出 ： 图2 ①外包 P c材料可显著提高砼柱的承载能力 ； ②外包 P c 材料与砼之间有可靠 的粘结 ，所有 试件的破坏均发生在砼中间而不是两种材料的接触表 面 ； ③外加箍筋可起到对柱 的约束作用 。 表 3 组 试块尺寸 fi lm 箍筋 外包 P C砂 备注 号 浆厚度 m m 1 1 O 0 1 0 0 X3 0 0 一组三个试件 2 1 O 0 1 0 0 X3 0 0 铅丝@6 0 5 一组三个试件 3 1 O 0 1 0 0 X3 0 0 铅丝@6 0 1 0 一组三个试件 4 1 O 0 1 0 0 X3 0 0 铅丝@6 0 1 5 一组三个试件 加 加 5 O 维普资讯 2 0 0 6 年 6月 第 3卷 第 2 期 深圳土木与建筑 V 0 L ． 3 N o ． 2 J U N 2 0 0 6 表 4 组号 试块平均承载力 I C N 试件破坏情况 承载力比 1 1 1 O 1 OO ％ 2 1 7 O 破坏面在砼中 1 5 5 ％ 3 2 3 0 破坏面在砼 中 2 0 9 ％ 4 2 8 0 破坏面在砼中 2 5 5 ％ 8 ． 用 “ 外 包 P C材料 法 ”加 固柱 的设计 方法 根据 《 砼 结构设计规范》( G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 )第 7 ． 3 ． 1条、《 混凝土结构加固技术规范》( C E C S 2 5 ： 9 0)第 4 ． 2 ． 1 条及试验 结果 ，我们推荐对轴心受压 构件 ，用 P C材料对柱进行加大截面加固后 ，中心 受压构件其正截 面承载力按下式计算 ： N≤ 0 ． 9 w[ f 术 A + f ’术 A +Q ( f p 术 A p + f p ’ 术 A 。 ) ] ⋯⋯ ⋯⋯ ( 1 ) 式 中 ： N——构件加 固后 的轴 向力设计值： —— 构件的稳定系数 ，以加固后截 面为准 ； f —— 原构件的砼轴心抗压强度设计值： A ——原构件截 面尺 寸； f ’ ——原构件的纵 向钢筋抗压强度 设计值 ； A ’ ——原 构件 的纵 向钢筋截 面尺寸： f 。 ——构件加固用 P C 材料抗压强度设计值 ( 可 选对应于标号为C 4 5 的砼轴心抗压设计值f p c = 2 1 ． 1 N ／ m m 2 ) ： A 。 —— 构件加固用 P C材料截面面积； f ’ —— 构件加固用纵 向钢筋抗压强度设计 值； A 。 —— 构件加固用纵 向钢筋截面面积； o——加 固部分 P C材料与原结构协 同工作系 数 ，为偏安全 ，可取 Q=0．6。 9 ． 工程实例 深圳市某大型 公共建筑 ，l 9 8 4年设计，l 9 8 9 年施工 ，通过 2 0 0 4年抗震鉴定发现 ，有相当多的 柱子未按设计要求在柱头、柱底 设置箍筋 ，也有些 柱子截面偏小 ，轴压 比偏大 ，需要加固 。加固前 ， 对几种加 固方法 的的混凝土作 了 比较 ( 见表 5) 。 经过 比较 ，决定采 用外包 P C材料法加 固，考 虑到外包 P C材料与原有结构件应有可靠 的粘结，同 时应具有 ≥ 4 5 M p a的抗压强度 ，我们选择的聚合物 为 S B R 改性 丁苯乳胶 ) 。P C材料加固柱 的施工要 点 为 ： ①将 需要加 固的柱结构面凿毛； ②按设计要求在柱外加封闭箍筋 ： ③按设计要求厚度喷涂或涂抹 P C材料； ④ 养 护 。 整个加固施工于 2 0 0 5 年初完成 ，经深圳市建材 质量检验站检测，外包 P C材料抗压强度为 5 0 6 0 M P a ( 对应 于砼试块 的标 号值 ) ，超过 了设计 要求 。采 用此方案不必凿穿楼板 ，不必设支撑，施工速度大 大加 快 ，且造 价可 比其它 方法( 包 括砼加 大截 面 法，粘贴碳纤维法等 )降低 2 0 ～3 0 ％。现该工程 已 通过竣 工验 收 。 1 0 ． 结论 ： 1 0 ． 1 P C 材料抗压强度较高，与原柱混凝土之 间 粘结力强，抗碳化性及不透水性好 ，是一种较好 的 加固材料 ，试验结果表明，加固后的柱承载力明显 提 高 ，轴压 比可相应 降低 ； l 0 ． 2 与采用普通混凝土加大柱截面相 比，用 P C 材料加固后的柱截面增加很少 ( 每边仅加大 2 ． 0 c m ～ 4 ． 0 C m) ，基本上不影响建筑有效使用面积 ，受到 业 主 欢 迎 ： 几种加固钢筋混凝土柱方法的 比较 表 5 序号 加固方法 主要优缺点 粘贴 碳纤 可起到加密柱头箍筋的作用 ，施工较 1 方便，但对 降低轴压 比效果不 明显 ， 维法 造价较贵。 粘贴钢 2 优缺点同 “ 粘贴碳纤维法” 。 板法 可有效降低轴压比，也可在柱头增加 箍筋，但加大截面部分的砼需从上层 加大截 楼面打凿的孔洞中向下浇灌，施工麻 3 烦，且加大截面的厚度由于施工时砼 面法 浇灌及震捣 的要求，每边 需≥ 1 0 0 n u n ，这样加固完的柱子截面较 大，占据有效建筑空间大。 外包 P C 受力 明确 ，性能可靠 ，施工方便 ( 不 4 必支模，也不必凿开上层楼板)，造 材料法 价低廉 ，占据有 效建筑空间小。 l 0 ． 3加固工程 的发展需要开发新材料、新工 艺、新技术 ，本文介绍的方法对加固工程是一种新 的尝试 ，有较大的经济效益与社会效益 ，值得进一 步 研 究 、 完 善 、推 广 。 参考文献 [1]傅淑娟 等 《 用 “ P C材 料置换 法 ”加 固钢筋 混凝 土梁 》深 圳 土木 与建筑 2 0 0 4年第 3期 [ 2]中华 人民共 和 国国家标 准 《 混凝 土结构 设计 规范 》中 国建筑 工业 出版社 2 0 0 2年 [ 3] 中国工程建 设标准化 协会标准 《 混凝 土结构加 固技术规 范》中 国计划出版社 1 9 9 2年 [ 4]唐业 清 、万墨 林 《 建 筑物 改造与 病害 处理 》 中国建筑 工业 出 版社 2 0 0 3年 ■ 3 1 维普资讯