玄武岩纤维修复加固综合法修补混凝土结构裂缝的研究

闫志刚

（张家口市第一建筑工程有限公司，河北 张家口075000）

0 引 言

由于混凝土中各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力，造成骨料与水泥石粘结面或水泥石本身之间出现肉眼看不见的细微裂缝.当裂缝宽度小于0.05mm时，对使用尚无多大害处，但由于荷载作用、温差作用、不均匀沉降或施工操作不规范等原因，裂缝将进一步扩展并逐渐贯通，裂缝的进一步扩大就会带来质量问题或导致事故的发生，从而引起经济损失甚至人员伤亡.因此，对混凝土裂缝的适时修复将有效改善和提高建筑物或构筑物的耐久性和安全性.近些年来，国内外许多学者及工程技术人员已经开始尝试混凝土裂缝修复的各种办法，并取得一定成果.这些方法包括附加钢筋法、灌浆法等等，而本研究采用的玄武岩纤维水泥砂浆修补兼以梁底粘贴玄武岩纤维布修复加固混凝土结构，相比常用裂缝修复方法具有以下突出优点.

（1）耐久性及耐高温性能好：由于所采用砂浆为无机材料，所以没有附加钢筋法等方法无法克服的有机类粘接剂的易老化及耐高温性能差等问题，玄武岩纤维本身具有较好的耐腐蚀性，比附加钢筋法具有明显优势.适于环境恶劣场合采用.

（2）玄武岩纤维布强度很高，其标准强度约为普通钢材的5～6倍，而附加修复层厚度很小，使结构自重增加幅度很小.

1 试件设计

试验梁为矩形截面简支梁，截面尺寸均为b×h＝100mm×200mm，跨度l＝1800mm，净跨l0＝1600mm.纵筋为2Ф10，架立筋为2Ф6，均为HPB235级钢筋，剪跨区及纯弯段内箍筋分别为Ф6＠100和Ф6＠200.混凝土设计强度等级C20.钢筋、混凝土的实测性能指标见表1.试验梁的编号见表3.玄武岩纤维布抗拉强度2322Mpa，弹性模量129Gpa，密度2.8g／cm3.

表1 钢筋与混凝土的实测力学指标

2 修补试验方案

将试验梁均加载至20KN以后卸载，此时受拉钢筋还未屈服；其中一个试件未作裂缝修补做对比梁，对其余梁二次加载前将干缩裂缝及受力裂缝用低压低速灌浆法进行灌浆处理.由于老混凝土表面的粗糙度对新老混凝土界面粘结强度有很显著的影响，为了使修补界面获得较好的粘结性能，将老混凝土表面凿毛，露出石子，表面粗糙度约为2～3mm，再用清水冲净.然后在界面涂一层水泥净浆作为界面剂，厚度在1mm左右，再在上面补上一层25mm厚的玄武岩纤维水泥砂浆层，玄武岩纤维水泥砂浆配比见表2.构件粘贴不同层数的玄武岩纤维布；然后将试验梁重新二次加载至梁破坏，采集梁的裂缝、开裂荷载、挠度等试验数据以作分析.

表2 玄武岩纤维水泥砂浆配比

玄武岩纤维布的粘贴：由于玄武岩纤维布与混凝土的粘接质量直接影响到构件的修复效果，故混凝土表面必须打磨平整、清理干净；以保证玄武岩纤维布与混凝土良好粘接.玄武岩纤维布现场裁剪，分段粘贴时搭接长度不小于100mm，粘贴时用辊子滚压，挤出气泡，如局部出现空鼓可用针筒注胶修补.

3 加荷方案及量测内容

加载方式采用两点加载，加载点为距离支座100mm处，由分配钢梁来实现两点加载，加载方案采取分级加荷的方式，在纵筋应变接近屈服应变时，根据试验情况适当增加荷载级别以确定屈服荷载.根据本研究目的，试验过程中重点量测以下内容：

（1）观察受弯裂缝出现及展开的过程和结果，并量测在使用荷载作用下的裂缝宽度及间距.

（2）记录加载过程中纵筋及箍筋的受力变化情况，混凝土浇筑之前，在纵筋和箍筋的不同部位分别按一定间距粘贴应变片，通过静态电阻应变仪记录各级荷载作用下钢筋的应变数值.

（3）在纯弯段内的梁顶面及梁底面处分别贴两片应变片，梁两侧分别粘贴三片应变片，通过静态电阻应变仪记录各级荷载作用下混凝土及玄武岩纤维材料的应变值.

（4）在梁支座及跨中处设置百分表以量测跨中挠度，由X-Y函数记录仪绘出梁挠度曲线.

4 试验结果及分析

4.1 裂缝开展情况

在试验过程中所有试验梁均在纯弯段内出现明显的受弯垂直裂缝.经综合修复处理梁的裂缝相对于未修复梁BI-1出现较晚且发展相对缓慢.试验中对正常使用阶段时各梁裂缝开展情况做了观测，经修复的试验梁，裂缝数量多且分布较密，宽度小，其间距远小于未修复的梁.裂缝宽度和裂缝间距情况见表3.

4.2 截面沿梁高的平均应变

图1为截面应变沿梁高的分布.在试验过程中发现，玄武岩纤维布与梁底混凝土均未出现粘接不足现象，玄武岩纤维的实测应变与梁底截面的平均应变基本相同.玄武岩纤维修复梁在其标距范围内的平均应变可以认为仍然符合平截面假定.

表3 试验梁的修复情况与主要试验结果

图1 截面沿梁高的应变分布

4.3 挠度

跨中挠度变化情况见图2所示.由该图试验数据可以发现：在加载初期，各试验梁的挠度相差不大；受拉区混凝土开裂后，尤其当纵筋屈服以后，未修复梁的挠度开始急剧增加，而经裂缝修补后的试验梁挠度增长相对缓慢.在相同荷载作用下，被修复梁的挠度均小于未修复梁的挠度，且这种差异随荷载的增加而增大.破坏时，梁BI-1的挠度达44mm，而修复梁的挠度一般在30mm左右.由此可得出结论，玄武岩纤维水泥砂浆及玄武岩纤维布的使用可以提高构件的抗弯刚度.

4.4 受弯承载力及截面延性

图3为试验梁受弯承载力比较图.由表2和图3可以看出，玄武岩纤维布修复的梁，其屈服荷载、极限荷载均有所增长，其中极限荷载的增长更为显著.可见，采取补强修复措施后，梁受弯承载力的增长幅度是随玄武岩纤维布粘贴面积的增加而增大，但这种增幅并不是没有限度的，在试验中发现，粘贴4层玄武岩纤维布的梁BI-4已开始出现带有脆性特征的破坏.工程设计时，不能无限制的提高玄武岩纤维布粘贴层数的办法来提高构件的承载力.BI-2、BI-3、BI-4三根玄武岩纤维修复梁破坏均始于受拉钢筋的屈服，以上四根梁最终都是受压区混凝土达到极限压应变，混凝土被压碎而告破坏，因此均为适筋梁破坏.

图2 试验梁挠度对比图

图3 试验梁受弯承载力比较图

5 结 论

（1）玄武岩纤维布补强修复钢筋混凝土梁时，截面的平均应变仍然符合平截面假定.

（2）玄武岩纤维布修复梁屈服荷载、极限荷载均有提高，玄武岩纤维布既能对结构补强，又对细密裂缝和灌浆后裂缝进行封缝.修复加固综合技术的采用，使得修复梁破坏时抗裂度得到了有效提高.

（3）采用玄武岩纤维水泥砂浆并粘贴玄武岩纤维布综合处理后的试验梁的挠度小于未修复的梁，说明该修复加固综合技术使构件的抗弯刚度增加.

（4）使用玄武岩纤维来提高受弯构件承载力的补强修复方法是有效的.粘贴玄武岩纤维后，梁的受弯承载力提高较为显著.

（5）玄武岩纤维布和玄武岩纤维水泥砂浆结合使用不仅有效提高构件的抗裂性与耐久性，而且还可以提高受弯构件的抗弯承载力，同时对原混凝土结构起到保护作用，达到综合修复的效果；施工成本也可以大大降低.