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5084 高性能加固料
High-performance strengthening material

1 前言
  
根据西方发达国家的建筑业发展规律,随着城市的发展,建筑业大致经历以下三个阶段:大规模新建阶段,新建与维修改造并重阶段,旧建筑改造和维修加固阶段。在国内,建筑工程加固改造业的发展也越来越快,已经成为建筑业的重要组成部分,我们应重视对已有建筑的维修、加固、改造等相关技术的研究。加固材料的性能好坏将直接决定着加固工程的质量及其再次维修周期的长短。由于加固工程的特殊型,往往要求加固工程具有效果好、工期快和易于施工等特点,体现在对加固材料上的要求,可归纳为其与旧材料的可靠粘结性、流动度、膨胀率、早期和最终强度以及凝结时间等指标。

2 加固料的性能要求
2.1 与旧材料的可靠粘结
   新旧材料共同受力是通过结合面传递的,而新旧材料界面粘结好坏对其共同受力起着决定性的作用,结合面的好坏直接影响加固的效果和结构的安全性、耐久性。处于恶劣自然环境下,由于新旧材料粘结力过低而导致维修加固失败的例子很多,原因之一,就是新材料与基层材料之间的粘结力不足以抵抗结合面处因外力作用产生的附加应力所导致的。
   影响新旧材料粘结的因素很多,归纳起来有:被加固混凝土界面的处理方法,如旧混凝土凿除技术、凿除深度、界面微裂缝情况及粗糙程度;加固料的收缩、水泥品种、水泥用量、水灰比、砂石粒径、骨料级配及含泥量、针片状含量、龄期;预先湿润、混凝土施工质量、养护方法及气候状况如湿度、温度情况等等。各种因素之间互相影响,从而使问题变得错综复杂。大量的工程实践和理论分析结果表明:界面处理情况、加固料的特性是影响新旧混凝土粘结的主要因 素。
   除了以上的因素外,从加固材料本身的性能来考虑,可以通过添加适量的聚合物材料来增强与旧材料表面的粘结性能和抗裂缝性能。

2.2 流动度与骨料的沉降
   由于加固料中配置了较大粒径骨料 ( 根据浇注的空间决定最大骨料粒径的大小 ) ,而其大流动度则容易导致较大粒径骨料的沉降,使得浇注成型后,底部的骨料偏多,上部的骨料偏少,在加固重新受力后上部承载力偏低而出现加固失效。因此,在保证流动度的同时,应注意大粒径骨料的沉降问题,而不是流动度越大越好。
   目前表示材料流动性的方法有流动度法、漏斗法和坍落度法三种。流动度法的限界值≥ 240mm ;漏斗法流出时间范围是 (8 ± 2)s :坍落度法的限界值≥ 25cm 。如果没有必要的流动性,较小的模板空间很难浇注,加上施工过程难以振捣,为了满足加固施工自行流动的要求,加固料的流动度必须大于 24 0 ㎜ 。
   加固料的流动度随加水量的增大而增大。但是,加水量过大会出现泌水、骨料沉降和抗压强度降低的现象。加固料的流动度随停放时间的增加而减小,所以在进行灌注施工时,对注入的拌合物要不断搅拌,以维护其流动性。

2.3 膨胀率
   水泥基材料的一个特点就是硬化收缩,由于加固料硬化成型后要求与被加固结构的在竖向长度上必须一致,因此加固料必须具有一定的微膨胀以补偿收缩,从而避免影响新旧材料的共同受力。
   加固料中加入适量的膨胀剂可以解决膨胀性能的问题,膨胀剂与水泥为等量取代。通过实验,要求加固料的自由线膨胀率≥ 0.02 %。

2.4 抗压强度
   在房屋结构加固工程中,由于被加固结构抗压强度的限值,一般要求加固料的设计抗压强度比被加固结构高一个等级即可,而不是抗压强度越高越好,同时希望有较高的早期强度,以便尽早投入使用。根据实际工程使用的情况,一般加固料的 1 d 抗压强度最低应大于 10MPa 。目前,国内常用加固料的抗压强度指标一般为 R 1 ≥ 10MPa , R 3 ≥ 30MPa , R 28 ≥ 45MPa 。对于加固材料设计强度值较高的,可以选用高标号水泥,设计强度低的选用标号低的水泥。其他性能要求可以根据设计要求做相应的调整。
   加固料与光面钢筋的粘结强度一般应大于或等于 4MPa ,与螺纹钢筋的粘结强度—般应大于或等于 13MPa 。

2.5 凝结时间
   凝结时间是影响施工进度的重要指标。对于结构加固工程,往往希望早期强度能够很快提高,即终凝时间尽可能的短。但是初凝时间不易过短,过短时易造成拌合物流动性降低而影响施工操作和灌注质量。加固料的初凝时间一般应为 4h 左右,终凝时间一般应为 5h 左右。

3 加固料的配比设计
  
加固料是一种具有高流动性、早强、微膨胀和抗开裂性能的特殊混合材料,它是由特殊胶凝材料、膨胀材料、外加剂和高强骨料组成的。灌注施工后,加固料的浆体能够自行流淌,密实填充结构空隙,且加固料中的粗骨料能够均匀分布在填充的空隙,硬化后的加固料体积略有膨胀,从而保证了新旧材料的可靠粘结。
   加固料由水泥、骨料 ( 根据填充的空间大小决定骨料的最大粒径,一般≤ 1 0 ㎜ ) 、外加剂及化学助剂等组成,配比如下。
   水泥: 35.0 %:骨料: 52.5 %;膨胀剂: 10.0 %:矿物外加剂: 1.0 %:减水剂: 0.3 %;聚合物外加剂: 1.0 %;增稠剂: 0.2 %。
   根据加固工程的要求的不同,可以选用不同标号的水泥和不同级配的骨料。本配比选用 42.5R 普通硅酸盐水泥、级配骨料最大粒径为 8 mm ,按上述配比标准养护后,得到加固料的抗压强度值: R 1 ≥ 29MPa, R 3 ≥ 56.9MPa , R 28 ≥ 72.0MPa ,其他的性能均能满足上述性能要求。

4 加固料的施工工艺
  
加固料的施工工艺直接影响加固工程的质量,常规施工工艺如下:
   (1) 首先将与加固料接触的旧混凝土表面凿毛,按设计要求凿除到一定的深度,清出松动的混凝土碎块及油污、浮灰等,并用清水冲洗干净;
   (2) 按设计要求配筋及支设模板,配筋及模板安装应当坚固、稳定,模板安装不得漏浆;
   (3) 模板连续支设超过一定高度时,应分层浇注,一般每 2 ~ 3m 为宜;
   (4) 浇注前对混凝土和模板洒水润湿;
   (5) 将拌好的加固料从模板上最下面一组预留孔进行浇注,当灌注接近预留孔时,用事先准备好的模板将浇注孔堵严,再从上一组预留孔继续灌注,依此类推,直至灌注完成。

5 加固料在工程应用中需注意的几个问题
5.1 在房屋结构加固工程中,应合理支设模板,合理布置浇注孔和排气孔
   某工程地下层混凝土柱由于漏振等原因,造成部分混凝土柱出现大量孔洞缺陷。由于混凝土柱存在大量的孔洞,监理及设计单位担心混凝土柱的承载力是否符合设计要求,并且这些孔洞缺陷可能会称为应力集中点,安全系数不够。通过专家讨论,建议进行注浆加固。由于孔洞大小不一,因而浇注成功的关键在于合理支设模板,合理布置注浆孔与排气孔。浇注孔与排气孔应位于模板的最高处,比缺陷的最高位置高 5cm 左右。加固料从浇注孔注入,气体被挤压从排气孔排出,加固料与混凝土柱密切结合,避免孔洞中残留气体,造成新的孔洞缺陷。这次加固过程中,对每一处孔洞缺陷的模板支设,浇注孔和排气孔的留置都进行了仔细地分析。
   加固之后,经过对加固界面处取芯拉拔强度实验,新旧混凝土粘结性能非常好,没有出现新的孔洞缺陷。检验结果证明该加固工程非常成功。

5.2 在加固工程中,需要对加固工程的特点进行分析,认真讨论加固施工方案,确保加固工程的质量
   某工程建设中发现有五根混凝土柱由于振捣不好,通过检查发现强度未达到设计要求。在与设计、监理等有关单位讨论和协商后,我们提出用高性能加固料进行外包加固的施工方案,方案中明确要求加固后不改变柱宽等几何尺寸。由于加固料中骨料的最大粒径为 8 ㎜ ,为了保证浇注的质量,要求每根混凝土柱凿去表层 2.5 ~ 3cm 的深度,并且混凝土表面均匀凿毛,以增加加固料与混凝土柱的粘结力。考虑到上述原因,每根混凝土柱分二段进行灌注,每段高度为 2 ~ 3m ,这样可以避免一次浇注时加固料对模板的侧压力过大而造成跑模,同时也便于施工。经过加固,五根混凝土柱的承载力均达到了设计要求,并且通过钻心拉拔试验,破坏面不在粘结面,加固料与混凝土柱的粘结力可靠。

5.3 在加固工程中,环境温度过低会降低加固料抗压强度增长速度和降低膨胀率,需要对现场的环境温度条件采取相应的措施
  上海某工程采用加固料进行加固补强,由于当时最低气温在 0 ℃ 以下,通过分析工程的状况和讨论可行性措施后,我们通过以下的几点措施保证了加固料的膨胀率和强度发展所需的温度条件:①首先采用温水搅拌,水温最高不超过 30 ℃ ,加上水泥水化热的热量,拌合好的加固料不至于温度过低而反应缓慢或温度过高而流动性降低或发生假凝现象;②采用棉被包裹浇注好的模板,尽量减少热量的散失;⑧通过搭暖棚,使用红外线灯照射,保证环境温度在 18 ℃ 左右,满足加固料强度增长所需的温度条件。加固工程结束后结果检测,加固料 3d 抗压强度达到 42.0MPa , 28d 抗压强度达到 75.0MPa ,加固效果很理想。

6 结语
  
经过实验室研究和多项工程实践证实,用高性能加固料进行房屋结构加固,具有易于施工、工期快和加固效果好等特点。在施工过程中,应根据具体的加固工程特点和要求,对加固料的组成成分和配比做相应的调整,以便适应加固工程设计的要求。同时在施工过程中应严格要求施工工序,确保浇注方案的可行性、支设模板的严密性、注浆孔与排气孔合理性,并保证加固料膨胀率及强度增长所需的温度条件等。
   随着经济的发展,房屋结构加固在未来的建筑业中占有越来越重要的位置,因此具有早强、高强、微膨胀和自流等性能特点的高性能加固料,将在房屋结构加固技术中得到愈来愈多的应用。



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