（农业工程专业论文）碳纤维布结合聚合物砂浆在水闸加固中的应用研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料，碳纤维布由于其高强、 轻质、耐腐蚀等优点而广泛用于结构加固中。与其它加固方法相比。碳纤维布加固具有易于施工、 工效高、造价低且耐腐蚀等优点。利用碳纤维对结构进行修补加固，是当前较先进的一项新技术。 目前对碳纤维结合聚合物砂浆修补加固技术研究较少，本研究针对碳纤维结合聚合物砂浆加固技 术从材料分析、配制，施工、质量控制，安全管理等方面进行了理论和实践研究。在分析目前混 凝土构件补强加固方法、比较各种方法的优缺点及使用条件基础上，提出采用碳纤维布结合聚合 物砂浆加固方法及其适用条件；针对碳纤维布，聚合物砂浆的特点，提出其在混凝土补强中的施 工工艺和施工条件要求；并结合工程实例进行加固前后强度、耐久性等各项技术指标进行经济效 益分析。 关键词：碳纤维，粘贴，聚合物砂浆，加固 中国农业大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t c a r b o nf i b e rf a b r i ca n di t sc o m p o s i t em a t e r i a li sak i n do fn e wm a t e r i a ld e v e l o p i n gw i t ht h e m i l i t a r yi n d u s t r y i ti sw i d e l yu s e di ns t r u c u l r er e i n f o r c e m e n td u et oi t sh i g hs t r e n g t h , l i g h tw e i g h t a n da n f i c o r r o s i v e t h e r ea r ea d v a n t a g e ss u c ha sc o n v e n i e n c e ，h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dg o o d a n t i c o r r o s i v ei nt h er e i n f o r c e m e n tm e t h o du s i n gc a r b o nf i b e rf a b r i c i ti sa l la d v a n c e dm e t h o da t p r e s e n t t h e r e i ss e l d o mr e s e a r c ho nt h ec a r b o nf i b e rf a b r i cc o m b i n i n gp o l y m e rm o r t a r r e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h er e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u eu s i n gc a r b o nf i b e rf a b r i cc o m b i n i n gp o l y m e rm o r t a rf r o mt h em a t e r i a la n a l y s i s ， c o m p o u n d ，c o u s t r u c t i o nq l l a l i t yc o n t r o l ，s a f e t ym a n a g e m e n te t oa s p e c t s o nt h eb a s eo fa n a l y z i n g p r e s e n tr e i n f o r c e m e n tm e t h o do fc o n c r e t em e m b e ra n dc o m p a r i s o no ft h e s em e t h o d s a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，t h er e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u eu s i n gc a r b o nf i b e rf a b r i cc o m b i n i n gp o l y m e r m o r t a ra n di t sc o n d i t i o ni ss u g g e s t e dh e r e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a a e r so fc a r b o nf i b e rf a b r i ca n d p o l y m e rm o r t a r , t h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n dc o n d i t i o ni nc o n c r e t er e i n f o r c e m e n ta r ea l s o s u g g e s t e d a tl a s t , a ne n g i n e e d n ge x a m p l ei ss h o w nt oi l l u s t r a t et h es t r e n g t h , d u r a b i l i t ya n do t h e r t e c h n i c a la n de c o n o m yi n d e xb e f o r ea n da f t e rr e i n f o r c e m e n t k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r , s t i c kp o l y m e rm o r t a r , r e i n f o r c e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 圻心 i 幻 时间： d 7 年夕月) 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生魏琵嘶 摊名。剖锻 时间：。7 年钿i e t 时间： 田年阳2 日 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 1 1 选题的背景 第一章概述 1 1 我国水工程及病险水闸概况 我国水工程，尤其是小型水工程绝大部分兴建于上世纪5 0 7 0 年代，受当时社会，经济、 技术条件等因素的制约，工程存在着病险隐患，特别是随着使用年限的增加，呈现出了病险多、 病险重，治理难的趋势，究其原因，如果形象的说，可简单表述为：先天不足、后天失调。一是 我国的大部分水工程已运行了几十年，工程本身进入老化期，结构物、设施，设备等老化失修严 重，急需更新改造。但绝大多数水工程以防洪和农业灌溉为主，缺乏更新改造经费，有些甚至没 有岁修经费，工程得不到及时维修养护和更新改造；二是以往水利系统重建设、轻管理现象比较 普遍，管理设施建设得不到重视，大部分中小水工程没有观测设施，水工程的病险状况不能及时 掌握和处理，最终可能形成重大隐患u 】。 全国共有大型病险水闸2 6 0 座，约占大型水闸总数的5 4 ；中型病险水闸1 5 2 2 座，约占中 型水闸总数的4 6 根据对3 9 0 座大型和重点中型病险水闸存在问题的分析，结果见表1 - 1 。 裹1 - 1 病险水闸情况 由表1 一l 可以看出，结构混凝土老化，损坏严重的占7 6 4 。闸门、启闭机和电器设备设施 老化、损坏不能正常使用的占7 6 7 。 山东省内河河道和湖泊共建有水闸4 1 9 0 多座，其中大型9 8 座，中型4 8 6 座。菏泽市地处山东 省西南部，总面积1 2 2 2 8 平方公里，属淮河流域，辖八县一市，人口8 2 5 8 万人。城镇人均经济 收入4 1 7 0 元，农村农民人均经济收入1 8 3 0 元。经济基础较差，属全国贫困落后地区之一。 目前，菏泽市在各类河道上建成的大、中、小型水闸共7 8 7 座，其中大型水闸5 座，中型水 闸1 7 6 座，小型水闸6 0 6 座。这些水闸的建成，在防洪，除涝、供水灌溉中发挥了巨大的经济效 益，每年可提供农业灌溉用水约1 6 亿立方米。 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 菏泽市的1 8 1 座大、中型水闸，其中有1 3 0 座( 大型5 座、中型1 2 5 座) 病险水闸，占总数 的7 2 。这些水闸大部建于六、七十年代，经过近三十年的运行，年久失修，老化严重。普遍存 在着启闭不灵，闸门老化破损，漏水，机架桥损坏严重，墩，梁、柱砼老化碳化，损坏严重等问 题，加之管理维修经费没有保证，管理制度难以全面执行，致使水闸老化，病险严重，极大的影 响着工程的安全运行，急需进行加固补强处理。如按传统工艺处理，工期长，造价高，对工程的 正常使用影响大。而采用粘贴碳纤维布结合聚合物砂浆补强加固技术，不仅能够节约资金，而且 施工便利，工期短，基本上不影响工程的正常运行。开展粘贴碳纤维布补强加固混凝土结构新技 术的研究与推广应用将会取得巨大的经济效益和社会效益。碳纤维布加固技术作为一种新兴的、 技术含量高的加固方法，具有很大的研究推广价值和良好的开发应用前景。 1 2 研究的目的与意义 目前，建筑物结构加固技术有许多种，传统的技术有加大截面法、外包钢法、喷射混凝土加 固法等，新兴的有粘钢加固法、碳纤维加固法、体外预应力法等 2 1 。不论采用何种加固方案， 都应考虑加固效果、投资、施工、技术可行性、耐久性等方面的因素，尽量不影响工程的正常运 行。碳纤维布结合聚合物砂浆加固技术就是利用碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，其上再喷涂 一层聚合物砂浆做为保护层，使其与构件共同工作，提高结构构件的( 抗弯、抗剪) 承载能力， 由此达到对建筑物进行加固、补强的目的。将其应用于病险水闸的老化砼构件加固补强，可有效 地增强构件的承载能力和刚度，达到病险水闸除险的目的。通过对其的应用与研究，可以使这项 技术得到不断完善和提高，为该技术的广泛应用打下坚实的基础。 例如，山东省菏泽市水利设施众多，其中大中型河道上的水闸有9 0 以上都建于上个世纪 六、七十年代，经过三、四十年的运用，都不同程度的存在混凝土老化，碳化强度降低等问题， 形成安全隐患，影响着工程的安全运行。如果将其全部进行改建，则需资金数亿元。采用碳纤维 复合材料结合聚合物砂浆技术对水闸进行补强，不仅可以及时消除安全隐患，有效地延长水闸的 使用寿命，同时因其施工工期短、费用低，可以使有限的资金，发挥更大的作用。因此，对该技 术的研究与应用，具有重要的意义。 1 3 国内外研究的现状 碳纤维的研究和应用可以追溯到1 8 5 0 年的碳素灯丝，此后的研究就用一直处于停滞状态， 到上世纪五十年代，随着工业技术的发展和军事工业的要求，碳纤维的研制，生产和应用才进入 到一个新阶段。而碳纤维用于建筑结工程结构加固也就只有近十多年的历史。目前，美国和日本 为世界主要的碳纤维研究和生产国。其生产能力占世界的8 0 。, 6 以上。其碳纤维发展是呈现以下特 点：( 1 ) 价格逐步降低，产品竞争力大大加强，市场扩大。( 2 ) 碳纤维的应用领域大幅扩展，( 3 ) 高性能碳纤维的档次进一步提高。 我国开展碳纤维研究在6 0 年代已开始着手研究，发展较慢，原丝生产和碳化工艺影响至今 仍不能形成一定的生产规模。但近年来在国内不少高等院校、科研部门和各大设计院参与到对碳 2 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 纤维的研究和应用。在建设部确定的研究项目中，已包括“纤维增强复合材料用于城市桥梁加固 与修补研究”。碳纤维材料加固混凝土结构新技术”等课题，碳纤维的应用研究己得到国家的重 视，有关碳纤维的著作也较多。叶列平、庄江波等对预应力碳纤维布加固混凝土t 形梁进行了试 验研究”1 ，证明采用预应力碳纤维布加固可以有效提高混凝土的承载力。马建勋、蒋湘闽等对 碳纤维布加固木梁抗弯性能进行了试验研究，指出碳纤维布对木梁受弯优良好的加固效果 郭永昌、谢志红研究了碳纤维布长度对加固梁抗弯性能的效果吴波、王维俊对碳纤维布加固 钢筋混凝土柱进行了研究，提出了碳纤维布加固钢筋混凝土柱弯矩曲率分析方法，李静、 钱稼茹用分级加曲率、逐步积分的方法”，计算缠绕碳纤维布混凝土柱的截面弯矩曲率关系， 以及在其轴压和水平力共同作用下的水平力柱顶位移曲线。吴高峰、徐鸿研制了用于碳纤维 布加固的g f 结构胶”，并测试了其物理力学性能。张号军、卢亦淼对碳纤维布加固钢筋混凝土 预制板的设计进行了研究，提出了碳纤维布加固预制板的理论计算方法。岳清瑞、曹劲松对碳 纤维布标准检测方法进行了研究“，提出了标准碳纤维布测试试件的长度、宽度及厚度建议尺 寸。麦勇超对碳纤维布加固混凝土结构的施工进行了探讨“”，从施工队伍的选择、施工过程、 现场施工管理等进行了论述。 总之，从已发表的文献看，国内外的研究成果主要集中在对碳纤维布加固混凝土构件强度的 试验研究，对碳纤维结合聚合物砂浆在水闸加固的应用与研究未见研究成果。根据工程实际中 应用，只在结构物表面粘贴碳纤维布，这种方法存在以下几个缺点：( 1 ) 碳纤维布经过风吹日晒 容易老化，影响结构耐久性。( 2 ) 容易遭到机械、人为破坏。本文计划通过对目前混凝土构件补 强加固方法的分析。提出碳纤维布结合聚合物砂浆加固方法，对施工工艺、施工条件等进行研究， 结合实例对其经济效益分析及技术推广应用进行分析 1 4 研究的主要内容与方法 1 4 1 研究的主要内容 ( 1 ) 通过对目前混凝土构件补强加固方法的分析，比较各种方法的优缺点及使用条件，提出 对原砼构件强度采用碳纤维布结合聚合物砂浆加固的适用条件； ( 2 ) 针对碳纤维布，聚合物砂浆的特点，提出其在混凝土补强中先进的施工工艺和施工条件 要求； ( 3 ) 对工程实例进行加固前后强度、耐久性等各项技术指标比较分析，并对其经济效益分析 及技术推广应用进行分析 1 4 2 研究的主要方法与技术路线 为了完成本课题的研究内容，本课题的研究遵循以下研究方法和技术路线：现场考察和调研。 广泛听取工程管理单位的意见，收集整理以前水闸除险加固的资料，并加以分析比较，找出优缺点； 在已有研究成果的基础上提出碳纤维布聚合物砂浆补强方法的优越性和适用条件；结合工程实 3 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 例，对碳纤维布聚合物砂浆补强的施工工艺、条件做进一步的分析，并对其经济效益和推广应用 价值进行论述，形成初步研究成果；提请专家和工程管理单位进行咨询；结合专家意见对本研究 进行修改，撰写研究论文 研究的技术路线见图1 1 。 现场考察、调研 l 工程管理单位已加固工程施工现场 l 理论学习 j 国内外相关研究传统方法比较先进加固技术 l 论文初稿 l 专家咨询 i 论文定稿 1 5 研究解决的关键问题 围1 1研究技术路线圈 本课题的研究主要解决了以下几个关键问题： ( 1 ) 通过水闸混凝土构件各种加固方法分析比较、找出其优缺点及存在问题。 ( 2 ) 碳纤维布结合聚合物砂浆补强加固方法的适用条件。 ( 3 ) 施工设备、材料、工艺及施工质量要求。 ( 4 ) 结合工程实例阐述碳纤维布结合聚合物砂浆补强加固方法。 4 第二章现有水闸混凝土构件的病害及加固方法分析 2 1 水闸混凝土主要构件及病害 2 1 1 水闸混凝土的主要构件 水闸混凝土的主要构件包括：上游混凝土铺盖、下游混凝土铺盖、闸底板、消力池、挡土墙、 闸墩、闸门，排架柱、交通桥，上部工作桥等。 2 1 2 水闸混凝土的主要病害及原因 水闸混凝土的主要病害包括：结构混凝土的碳化老化，混凝土裂缝、混凝土保护层脱落、钢 筋锈蚀、混凝土的冻害及有害物质的侵蚀和运行过程中产生的裂缝等 水闸混凝土的病害原因：耳前我国的水利工程大部分建于上世纪六七十年代，经过三四十年 的运行，普遍存在混凝土的碳化老化、强度降低。再者，由于当时施工技术，条件等原因，造成 施工质量难以保证，同时由于水闸运行在一个特定的环境中，容易造成渗流、不均匀沉陷等从而 形成闸底板，铺盖、闸墩等部位的混凝土受力不均产生裂缝，强度降低。闸门经常处于挡水状态， 常时间的冻融循环、有害物质的侵蚀使得混凝土保护层脱落、钢筋锈蚀、膨胀从而造成强度降低， 影响工程的正常运行。 钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注。美国学者用。五倍定律”形象地说 明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面， 每节省1 美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5 美元，混凝土开裂时多追加维护费用2 5 美 元，严重破坏时多追加维护费用1 2 5 美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用 于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。除了耐久性外，还有施工质量问题，许多新建的建筑 工程也存在较严重的工程质量问题和质量事故，这些建筑的加固在整个加固工作中，也占有相当 大的比例”。 本课题主要对节制闸排架柱、闸门，及上部工作桥的加固方法进行研究。目前我们采用过的 加固方法主要有粘钢加固法，环氧树脂涂料补强加固，补混凝土加固、粘贴碳纤维结合聚合物砂 浆喷涂加固法。 2 2 粘钢加固法 2 2 1 粘钢加固原理 粘钢加固是采用粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉区或薄弱部位，使之与结构物 形成整体，从而提高受弯构件承载力的一种加固方法。钢板通过粘结剂在混凝土表面形成一种三 中国农业大学硕士学位论文第二章现有水闸混凝土构件的病害及加固方法分析 相“混凝土、胶、钢”复合体系。钢板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土结构抗弯刚度，使 结构挠度减小，能有效限制裂缝的发展。由于高质量结构胶的发展和采用，简单而迅速的施工方 法，对整体结构尺寸的改变可以忽略，这种方法发展很快【玎j 。 2 2 2 构造要求 ( 1 ) 使用环氧树脂砂浆作为粘结剂 ( 2 ) 粘贴钢板厚3 6 m ； ( 3 ) 钢板外表面涂防锈漆； 2 2 3 施工要求 ( 1 ) 对混凝土粘合面进行打磨，并冲洗干净1 1 4 1 ； ( 2 ) 钢板焊接必须保证强度和外观顺直； ( 3 ) 钢板粘结面进行除锈处理，焊缝必须打磨； ( 4 ) 粘贴钢板时必须挂线，保证钢板粘贴顺直，位置准确； ( 5 ) 冬季施工必须对粘结剂进行加热，严格控制粘结强度； ( 6 ) 为加快粘结剂固化，粘贴后用喷灯对钢板和粘结剂加热。 2 2 4 施工工艺 ( 1 ) 混凝土表面用湿式磨光机打磨至微露粗骨料； ( 2 ) 用无油丝绵或脱脂绵蘸丙酮清洗混凝土表面两遍； ( 3 ) 钢板表面用砂轮打磨去除污锈，用丙酮清洗； ( 4 ) 配制环氧砂浆，拌和完成后3 0 分钟内应使用完毕( 若太稠可用丙酮稀释) ； ( 5 ) 涂敷粘结剂( 注意厚度要均匀) ； ( 6 ) 粘贴； ( 7 ) 固定加压； ( 8 ) 立柱顶撑； ( 9 ) 固化养护n 5 】； ( 1 0 ) 喷涂防锈漆。 2 2 5 粘钢加固优缺点 ( 1 ) 优点 坚固耐用：经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的强度和 刚度都能满足设计的要求。 施工快速：在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务，并能根据业务要求， 6 中国农业大学硕+ 学位论文第二章现有水闸混凝七构件的病害及加周方法分析 在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。 简洁轻巧：与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，干净利落，比较简便，现场无湿作业 完成加固后的结构外观不改变，比较轻巧，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他 构件的连锁加固。 灵活多样：粘钢加固法的适应性很强，能够解决生产上和生活上各种有关问题。粘贴钢板 的方案多种多样，灵活巧妙。还可粘贴型钢、加固钢结构及砖砌体结构等。 经济合理：由于施工快，可在工程正常运行的情况下进行，节约加固材料，与其它加固方 法比较，粘钢加固的费用大为节省，经济效益很高 ( 2 ) 缺点 这种加固方法适用于大体积混凝土构件，对闸门板纵横梁的加固施工较困难。 通过工程实践( 1 9 9 7 年东鱼河路菜园排架柱加固工程) ，粘钢加固对受弯构件加固效果较 好，而对受压构件加固效果一般。粘钢加固柱子，从受力的角度而言不合理，钢片抗拉能力强， 如果受压其力学性能得不到很好的发挥。 加固中对环氧砂浆配制及施工技术要求较高，否则经过长时间的运行，钢板与老混凝土结 构面容易出现开裂( 1 9 9 7 年东鱼河路菜园排架柱加固工程已部分开裂) ，使其强度降低。 钢板暴露在外面，防护不好易氧化生锈，失去作用。 2 3 环氧树脂补强加固 以往的工程加固( 东鱼河张庄闸，徐寨闸) 中主要采用环氧树脂涂料来修补、保护结构物表 面，同时利用环氧树脂注射浆来加固修补结构物裂缝。 2 3 i 环氧树脂涂料 环氧树脂涂料为双组份低粘度含溶剂环氧树脂涂料，专用于密封一般新或旧混凝土结构物表 面，渗透力及粘附力强，以达防沙尘、易清洁等效果，能阻止机油，液等渗入结构物表面【“。 施工方法： ( 1 ) 结构物表面用抛光机清理干净 ( 2 ) 涂刷底油。 ( 3 ) 涂刷二层面油。 ( 4 ) 完成厚度约0 4 m m 。 2 3 2 环氧树脂注射浆( 瑞士西卡) 环氧树脂注射浆是一种无溶剂，双组份、低黏度环氧树脂浆，它作注射粘结用于混凝土、石 头、砂浆、钢、木材；裂缝的刚性连接，用于桥梁、工业建筑、支柱、梁柱、预制装配件；作 灌注、压力注射、用于静止裂缝、薄的连接缝、小的洞穴；作开裂混凝土中的钢筋防锈保护。 7 ( 1 ) 物理指标： 粘接强度混凝土3 0 。c 约3 0 n m 2 ( 混凝土破坏) ；钢3 0 。c 约9 0 n m m 2 抗压和抗折强度抗压强度3 0 。c 约6 4 0 n m m 2 抗折强度3 0 。c 约4 0 0 n u 2 抗拉强度3 0 。c 约2 7 0 n m 保质期：储存于5 。c 一3 0 。c ，原装容器中可保存至少一年。 ( 2 ) 施工工艺 ( 1 ) 混凝土表面须干净密实，裂缝可以处于于，潮或湿的状态； ( 2 ) 去除灰尘、白霜、油脂、养护剂、浸渍物、外部杂物和任何分解物； ( 3 ) 分别搅拌a 、b 组份，称量i 份b ，2 份a 放入干净容器中； ( 4 ) 用带有叶片的低速电动搅拌器搅拌3 分钟，直到混合均匀，搅拌量以在适用期( 3 0 。c 时，为3 5 分钟) 内用完为适； ( 5 ) 灌缝：s i k a d u r7 5 2 可以通过重力作用或压力注射到水平面的缝中，通过压力注射到垂 直面或高架缝中； ( i 0 ) 压力灌注：在有裂缝的表面钻孔，孔内干净无杂物，塞入一单向聚乙烯阀或木塞和金 属孔管； ( i i ) 用s i k a d u f7 3 1 密封周围区域； ( 1 2 ) 用标准的填缝枪，双组份灌注单元或其他方法注射s i k a d u r7 5 2 。保持慢的注射速度， 维持稳定的压力； ( 1 3 ) 密封平板：用平的橡皮滚子或滚筒将s i k a d u r7 5 2 铺在平板上，任其浸透，趁液态时 吸掉多余的料# 注意：穿戴保护性服装，护目镜，手套护肤霜，接触到皮肤上时立即用大量清水冲洗。若 不慎溅入眼睛时，立即用水清洗并寻求诊治。 2 3 3 优缺点 ( 1 ) 优点 不燃。 可用于潮湿的混凝土基面。 对水泥邻接面具有很高的渗透力。 硬化时无收缩。 高的机械强度、硬而不脆。 易于搅拌、拌和比例易于掌握。 ( 2 ) 缺点 8 中国农业大学硕士学位论文第二章现有水闸混凝土构件的病害及加同方法分析 可容许的最低基层2 0 。c ，可容许的最高基层温度4 0 。c 。 修补最大裂缝宽度为5 毫米。 环氧树脂注射浆只用于堵复混凝土结构裂缝，不能加固大体积混凝土构件。 环氧涂料只用于修补结构混凝土表面，对结构的承载力没有任何提高。 由于环氧涂料( 砂浆) 的耐久性较差，其弹性模量与混凝土弹性模量不同，在工程运行 过程中易脱落，失去保护作用。( 2 0 0 0 年加固的徐寨闸1 0 孔闸门大部分已脱落) 不利于环保。 2 4 补混凝土加固 在水闸的运行过程中，常由于外力碰撞造成排架柱混凝土脱落，或者闸门由于人为原因、管 理不善等造成混凝土闸门背水面粱混凝土块状脱落，为了及时消除安全隐患，保证水利工程的正 常运行，需用补混凝土的方法对受损部位进行修补 2 4 1 混凝土的配制 加固修补用的混凝土标号要求较高，通常c 3 0 以上，水泥采用高标号早强水泥，同时加入一 定量的建筑结构胶。 2 4 2 修补施工 ( 1 ) 将要修补的部位用清洗工具彻底清洗干净，如有钢筋外露或锈蚀，须用铁刷或抛光机打 ( 2 ) 在要修补的部位涂抹一层建筑结构胶； ( 3 ) 将拌制好的混凝土熟料填入摸板中，用铁棒捣实。如面积较大，须用振捣棒振实 ( 4 ) 控制温度在0 。c 一3 0 。c 之间为宜。 2 4 3 补混凝土加固优缺点 ( 1 ) 优点： 施工简单、灵活、易于掌握，不需要复杂的施工工具。 不需要较高的施工技术。 ( 2 ) 缺点 只用于小面积的混凝土修补，不能加固大体积构件。 对混凝土结构的强度提高不明显。 9 2 5 碳纤维结合聚合物砂浆加固方法的提出 综上所述，各种加固方法各有优缺点，而在实际工程中往往存在着闸门混凝土脱落、露筋、 钢筋锈蚀，纵横粱出现裂缝，排架柱上端裂缝，工作桥横向裂缝等危及工程安全的问题。如目前 东鱼河上的1 4 座大中型节制闸，有1 0 座建于上世纪六七十年代，经过专家鉴定这l o 座闸都属 于三、四类病险水闸都存在着上述问题。若在加固中同时采用几种不同的方法，那么势必增加 加固工程费用，施工人员增多，同时各种施工方案容易交叉，施工安全得不到保障。这就需要我 们寻求一种新的加固技术，既能对排架柱、工作桥加固处理，又能对闸门混凝土脱落、露筋、钢 筋锈蚀、纵横梁裂缝进行补强加固。 根据多年的工作实践经验，通过查阅大量的文献资料，结合工程事例，提出碳纤维结合聚合 物砂浆在水闸加固中的应用与研究课题 1 0 中国农业大学硕士学位论文第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加固方法 第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加固方法 3 1 碳纤维及聚合物砂浆 3 1 1 碳纤维复合材料 碳纤维复合材料瓣( c a r l 啪f j b e r r e i n f o r a 亭d p l a s t i c 泡括纤维中含碳量在9 5 左右的碳纤维 和含碳量在9 9 左右的石墨纤维，生产原料主要是人造丝、聚丙烯晴、沥青，其中以聚丙烯晴为 主，如图3 - 1 。它是一种高科技材料，最早应用于航空及航天工业，具有抗拉强度高、高弹性模 量，密度小、耐腐蚀性和耐久性好等优点。其抗拉强度和弹性模量均高于钢材，甚至达钢材的数 倍。将其应用于混凝凝构件的抗震、抗剪加固，加固机理是将碳纤维布采用高性能的环氧类粘结 剂粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及钢度的目 的。采用粘贴碳纤维布加固补强混凝土结构技术作为一种新兴的，技术含量高的建筑物补强加固 方法，具有很高的研究推广价值。其具体特点如下【1 7 1 ： 图3 - 1 碳纤维复合材料 可有效提高混凝土结构抗拉强度【1 8 1 ；施工方便，无需任何夹具、模板，能适应各种 结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，可多层粘贴，并能有效地封闭混凝土的裂缝； 耐腐蚀及耐久性能好；不增加结构自重。施工工期短【1 9 1 。 本工程采用碳纤维在材和配套粘贴树脂复合使用，固化后形成高性能的碳纤维复合材料 体系。 3 1 2 聚合物砂浆 中国农业大学硕+ 学位论文第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加固方法 聚合物砂浆是一种新型的混凝土表面修补材料，是以少量水溶性聚合物改性剂，再掺入 一定量的活性成分、膨胀成分而配制成的聚合物防渗、防碳化、防腐砂浆。由于聚合物及活 性成分的掺入，改善了聚合物水泥砂浆的物理、力学及耐久性能1 。主要体现在： ( 1 ) 活性作用。聚合物乳液中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散 作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少水泥的毛细孔等有害孔，提高砂浆的密实性 和抗渗透能力。 ( 2 ) 桥键作用。聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的c82 + ，a l3 + 、f e2 + 等离子进行交换，形成特殊的桥键，在水泥颗料周围发生物理、化学吸附，成连续相， 具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态， 使得承受变形能力增加，产生微隙的可能性大大减少。即使产生微裂隙，由于聚合物的桥键 作用，也可限制裂缝的发展。 ( 3 ) 充填作用。聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间， 与水泥水化产物形成连续相填充空隙，隔断了与外界联系的通道 聚合物的活性作用、桥键作用、充填作用改善了硬化水泥浆体的物理结构及内应力，降低了 整体的弹性模量、减少用水量、改善了硬化水泥浆体内部毛细孔等有害孔，从而大大提高了 砂浆的粘结、抗裂、抗渗及抗腐蚀等性能。与普通砂浆相比，聚合物砂浆具有抗拉强度高、 拉压弹性模量低、干缩变形小、抗冻、抗渗、抗冲耐磨，与混凝土粘结强度高，具有一定的 弹性，抗裂性能高。与环氧砂浆相比，还具有施工工艺简单、操作方便、无毒、成本低( 是 环氧砂浆的l 3 1 5 ) 等优点。适用于水工、港工、公路、交通及地下工程的混凝土 建筑物因碳化、空蚀、冻融破坏及化学侵蚀而引起的混凝土表层开裂、剥蚀等混凝土表面薄 层修补，可直接用于防渗、防腐、防碳化工程，也可用于建筑瓷砖粘贴和卫生间防渗“1 。 3 2 加固方法 碳纤维布结聚合物砂浆加固混凝土结构技术是利用树脂类材料把碳纤维布粘贴于结构 或构件表面，其上再通过树脂胶喷涂聚合物砂浆保护层从而形成碳纤维复合材料体，即。混 凝土构件、底层树脂、碳纤维布、树脂胶、聚合物砂浆”五层体系。将碳纤维布贴于受弯构 件的受拉区，可补充钢筋的不足；贴于梁的两侧，可提高梁的抗剪能力；缠绕于混凝土柱外 侧约束了混凝土的侧向变形，可以提高柱的承载能力和柱的轴压比；缠绕于绗架的节点可使 节点得到整体加固。通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力 性能的目的，它的主要特点如下： ( 1 ) 强度高。碳纤维加固材料强度普遍较钢材为高，可达钢材的l o 倍以上瞄l 。 ( 2 ) 好的环境防护效果。用环氧树脂胶粘于混凝土结构表面，有良好的防风砂、防碳 化及防水性能网。 ( 3 ) 重量轻。其比重较轻! 在几乎不增加自重的情况下达到高强度的加固效果。 ( 4 ) 施工简便。一般只需手工操作，不受施工空间的限制，施工进度快。 ( 5 ) 不受形状限制。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形状，加固后均可保持物 中国农业大学硕士学位论文 第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加嗣方法 体原状，不影响表面装饰。 碳纤维加固修补技术是一种非常简单且优良的加固补强方法，与传统的粘钢加固不同， 碳纤维加固在不增加结构荷重的前提下达到高效加固的1 3 的网 碳纤维加固技术的主要优势体现在：高强高效，可设计性强；基本不改变原结构外观， 不会对原结构造成危害；运输、储存、施工更方便、快捷，容易保证施工质量而且后期维护 费用低；其化学结构稳定，在耐候性、耐腐蚀性以及抗疲劳性能等方面更加突出瞄】。 3 3 加固材料 3 3 1 配套树脂粘结材料 配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成，分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用 型。主剂和固化剂分别包装，在现场使用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以 形成所需要的底层树脂、找平树脂、粘结树脂吲。 底层树脂。底层树脂作用是增强表面混凝土与找平材料或粘结树脂界面粘结强度。 找平树脂。找平树脂是使表面平整度符合规定要求，并与底层树脂及粘浸树脂具有可 靠的粘结强度。 粘结树脂。粘结树脂是粘贴碳纤维布的主要粘结材料，其作用是使碳纤维布与混凝土 得到充分的粘结，使其共同承受结构的作用。 配套树脂粘结材料的主要力学性能见表3 - - l 。 囊3 - 1配套树唐牯结材料的主要力学性能指标 3 3 2 碳纤维布的主要性能指标 目前常用的有日本生产的f f 系列单向碳纤维布c r l 3 0 型，其力学性能优异，经同济大 学材料检测中心检测，主要性能指标如表3 2 。 衰3 2碳纤维布的主要性畿指标( 日本) 中国农业大学硕七学位论文第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加同方法 国内也有多家公司生产，如龙口博德复合材料有限公司、北京昆仑建筑工程有限公司深圳 斯健森建筑技术有限公司等，主要性能指标见表3 - - 3 。 裹3 3 碳纤维布的主要性能指标( 国内) 依据 3 0 0 0 m p a 的要求。 3 3 3 丙乳聚合物砂浆特性 丙乳是丙烯酸脂共聚乳液的简称，是一种高分子聚合物的水分散体，是一种水泥改性剂，是 由南京水利科学研究院科研成果直接转化而成的产品，1 9 8 8 年已通过水利部鉴定，1 9 8 8 年获国 家科技进步三等奖。已列入工业建筑防腐设计规范( 6 8 5 0 0 4 6 - 9 5 ) 作为化工耐腐蚀材料。加 入水泥砂浆后为聚合物水泥砂浆，属于高分子聚合物乳液改性水泥砂浆，适用于水利、公路、工 业及民用建筑等钢筋混凝土结构的防渗、防腐护面和修补工程。 丙乳砂浆中聚合物膜弹性模量较小，它使水泥浆体内部的应力状态得到改善，可以承受变形 而使水泥石应力减少，产生裂缝的可能性也减少，同时聚合物纤维越过微裂缝，起到桥架作用， 缝间都有聚合物纤维相连，所形成的均质聚合物框架，作为填充物跨过己硬化的微裂缝，限制微 裂缝的扩展，微裂缝常在聚合物膜较多处消失，显示聚合物的抗裂作用；另外，聚合物有减水作 用，使砂浆的水灰比减小，聚合物膜填充了水泥浆体的孔隙，切断了孔隙与外界的通道，起到密 封的作用。 丙乳砂浆与普通砂浆相比，具有极限拉伸率提高1 3 倍。抗拉强度提高1 3 5 1 5 倍，抗 拉弹模降低，收缩小，抗裂性显著提高，与混凝土面，老砂浆及钢板粘结强度提高4 倍以上2 天吸水率降低1 0 倍，抗渗性提高1 5 倍，抗氯离子渗透能力提高8 倍以上等优异性能，使用寿 命基本相同，且具有基本无毒、旅工方便、成本低，以及密封作用，能够达到防止老混凝土进一 步碳化，延缓钢筋锈蚀速度，抵抗剥蚀破坏的目的。南京水利科学研究院测定具体性能指标见表 3 - 4 。 1 4 中国农业大学硕士学位论文 第三章碳纤维布结合聚合物砂浆加固方法 囊3 - - 4丙乳砂浆与警通砂蘩性毹指标比较表 3 4 适用条件 碳纤维结合聚合物砂浆加固在水闸工程中适用于闸门混凝土脱落、露筋、钢筋锈蚀、纵横梁 出现裂缝，排架柱上端裂缝，工作桥横向裂缝等分项工程或者整体工程的加固。适宜温度5 4 0 。 适用范围广泛，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，可多层粘贴，并能有效地封 闭混凝土的裂缝。 1 5 第四章碳纤维布结合聚合物砂浆加固施工工艺 4 1 施工设备与材料 碳纤维布结合聚合物砂浆加固所需施工设备较简单，不需要大型的较复杂的设备。较常用的 有磨光机、清洗设备( 水泵、胶管、水枪) 、毛刷、低速电动搅拌机、压板、橡皮磙子、喷雾器、 喷浆机等。 目前碳纤维材料主要有日本生产的f f 系列单向碳纤维布c r l 3 0 型；美国赫氏( 眦x ) 碳纤 维布；国内也有多家公司生产碳纤维布，如龙口博德复合材料有限公司、北京昆仑建筑工程有限公 司深圳斯健森建筑技术有限公司等，在工程实际中可以从材料的价格、力学性能，包装质量、适 应性等多方面加以选择。 粘贴用的树脂胶基本上都采用国内生产，一般与之配套，选择的余地也比较大。 关于水工混凝土裂缝和表面剥蚀、水质侵蚀、冲磨、空蚀、钢筋锈蚀等修补加固可采用水泥 基和树脂基修补材料。树脂基修补材料常用的主要是环氧树脂砂浆，虽具有强度高且强度增长快， 能抵抗多种化学物质的侵蚀，但是材料的力学性能与基底混凝土不相一致，如其膨胀系数大于基 底混凝土而开裂脱落、不适合潮湿面粘结、不耐大气老化等缺点，施工环境要求高，成本大，用 来修复水工混凝土建筑物不太理想；水泥基修补材料有普通水泥砂浆和聚合物水泥砂浆，普通水 泥砂浆在与老混凝土表面粘结、本身抗裂和密封等性能不如聚合物( 丙乳) 水泥砂浆，丙乳砂浆 与传统环氧树脂砂浆相比，不仅成本低，而且施工与普通水泥砂浆相似，可人工涂抹，施工工艺 简单，易操作和控制施工质量，并适合潮湿面粘结，与基础混凝土温度适应性好，使用寿命同普 通水泥砂浆，克服了环氧树脂砂浆常因其膨胀系数大于基底混凝土而开裂，鼓包与脱落等缺点。 聚合物砂浆一般采用由南京水利科学研究院科研成果直接转化而成的丙乳聚合物砂浆 4 2 施工工艺 碳纤维( c ! f r p ) 结合聚合物砂浆加固钢筋锈蚀的水闸混凝土构件的施工工艺流程为：钢筋除 锈及裂缝灌浆处理一混凝土表面处理一涂刷底层树脂一找平处理一粘贴碳纤维布一固化一表面 防护一喷涂聚合物砂浆。 4 2 1 钢筋除锈及裂缝灌浆处理 在有可靠临时支撑的情况下，先凿除腐蚀疏松的混凝土，对钢筋除锈，然后将表面清洗干狰后灌 不低于原结构混凝土强度等级的聚合物胶凝砂浆。 ( 1 ) 灌缝处理 用灌缝材料对宽度大于o 1 5 r a m 的水闸排架柱、闸门板纵横梁等裂缝进行灌缝，将灌缝材料 1 6 中国农业大学硕士学位论文第四章碳纤维布结合聚合物砂浆加同施工工艺 注入结构物内部裂缝中去，以达到封闭裂缝，恢复并提高结构强度、耐久性和抗渗性的目的，使 混凝土构件恢复整体性。 灌浆时可由低端向高端进行。从一端开始压浆后，另一端的灌浆嘴在排出裂缝内的气体后喷 出浆液与压入的浆液浓度相同时，可停止压浆，然后将灌浆嘴封堵。 贯通缝需在外表面裂缝处进行封缝处理，从另一表面进行灌缝。对于未贯通腹板蜂必须见到 邻近灌浆嘴出浆。 ( 2 ) 封缝处理 对小于0 1 5 m m 的裂缝进行封缝处理，封缝前应先在裂缝上开v 型槽，然后用封缝材料进行 表面封闭。封缝材料固化后必须能有效地将裂缝封闭，防止水气侵入，锈蚀钢筋。对于实施碳纤 维粘贴的部位不需要进行封缝处理。 4 2 2 混凝土表面处理 清除被加固范围内混凝土表面的剥落，疏松，蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土新鲜层 ( 需灌浆的构件用聚合物砂浆把灌缝后的构件修复平整) 。被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去 表面浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构表面处理完后，用空气枪或鼓风机将混凝土粉尘 完全吹净。转角粘贴处要进行导角并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于2 0 r a m 。 4 2 3 底层树脂配备并涂刷 ( 1 ) 配制树脂 树脂配制应按产品使用说明中规定的配比称量置于容器中，用搅拌器搅拌均匀。使用低转速 的手提电动搅拌器( 500 转分钟) 按同一方向搅拌，特别应注意搅到容器的边侧和底部， 时间为2 3 分钟，以色泽均匀为准。搅拌用容器及搅拌器上不得有油污杂质。应根据现场 环境温度决定树脂的每次拌合量，按使用要求严格控制使用时间，确保粘接质量i 簋1 ( 2 ) 涂刷底层树脂 基底经严格打磨、清洗、干燥处理后，涂刷底层树脂。涂刷前应测定混凝土构件表面含水率 和环境温度，将构件表面含水率控制在4 以下、环境温度控制在5 c 4 0 c 范围内。 涂刷底层树脂时，使用滚筒或刷子将底胶均匀地涂抹在基底上，注意横直均匀，自然风干1 2 9 1 并不得漏刷或有流淌、气泡。冬季施工，胶的粘度较大，不能涂得太厚，不得超过1 r a m 底胶 硬化后，表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光。待底胶指触干燥后( 常温下3 5 小时) ， 立即进入下道工序。 底层树脂的作用是渗透进混凝土强化其表面，同时增加混凝土表面与粘脂、粘接树脂之间的 粘接力。 4 2 4 找平处理 1 7 中国农业大学硕士学位论文第四章碳纤维布结合聚合物砂浆加周施t 工艺 混凝土表面的凹凸不平、台阶高差等因素往往造成纤维布粘接不良。若发现粘贴面上有凹陷 部位时，应用找平胶进行填补平整，且不应有楞角。找平胶应按产品供应商提供的工艺规定进 行配制。转角处用找平胶修复为光滑圆弧，半径应不小于2o m m 。找平胶面干后，进行下道 工序p 哪。 4 2 5 粘贴碳纤维布 ( 1 ) 材料准备 施工前检查碳纤维材料的下料量。根据图纸对碳纤维布的规格、长度、宽度和厚度进行核 查p ”。 ( 2 ) 粘贴碳纤维布 粘贴碳纤维布时，先将配置的浸渍树脂均匀涂抹于混凝土表面需粘贴的部位，厚度为1 2 r a m ，然后贴上碳纤维布，并用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透纤 维布。滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，应在先贴的纤维表面浸渍树脂指触 干燥后立即进行新一层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。 用碳纤维布加固混凝土构件宜采用薄布多层的粘贴方法，使其与粘结材料充分浸润，确保粘 结效率p 习 受弯构件宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤维布进行加固补强，并在主纤维方向的断面端部进 行附加锚固处理。 碳纤维布的搭接与截断：一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和受弯构 件受拉区的加固。碳纤维布确需搭接时，其搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应 小于100m i 1 1 。且搭接端部位应平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置应错开，接口间的净 距宜大于200 m m j 3 。 4 2 6 粘结剂的固化 粘结剂在常温下固化，24 小时内严禁扰动已粘贴处，并应避免雨淋，风沙和灰尘的污 染。48 小时后结构可受力使用。 4 2 7 表面防护 最后在碳纤维布上覆塑料薄膜进行保护，至少8 小时后去除塑料薄膜，在碳纤维布表 面涂抹一层基底树脂。待基底树脂指触干燥后，喷涂聚合物砂浆做面层。 4 2 8 聚合物砂浆的配制和喷涂 (