喷射玻璃纤维聚合物在砌体结构加固应用浅析

摘要：本文根据既有古旧砌体结构材料强度低的特点和喷射FRP加固技术独特的优点，提出采用喷射GFRP措施修复受损砌体墙体。既是一种有效的砌体结构加固方法，也能够弥补国内在这一领域研究的空白，具有重要的理论研究意义和应用价值。
　　关键词：加固方法，玻璃纤维，喷射工艺
　　前言
　　砌体结构房屋中，墙体是主要竖向承重和抗侧力构件，在地震作用下，当墙体的抗侧承载力不足时，往往首先遭到破坏从而导致整幢房屋的破坏和倒塌。从宏观震害和试验研究中发现，在水平地震作用下，与水平地震作用方向平行的墙体是主要承担地震作用的构件，这时墙体将因主拉应力强度不足而发生剪切破坏，出现45°对角线裂缝，在地震反复作用下造成x形交叉裂缝，这种裂缝表现在砌体房屋上是下部重，上部轻，房屋的层数越多，破坏越重。横墙越少，破坏越重。墙体砂浆强度等级越低，破坏越重。层高越高，破坏越重。墙段长短不均匀布置时，破坏也多。地震作用下墙体的开裂和倒塌，主要是由于墙体的抗剪强度和抵抗变形能力不足所致，特别是房屋底层的墙体，在地震中受到的剪力较大而更容易遭到剪切破坏。因此，对墙体的抗震加固研究具有非常实际的工程意义。
　　1喷射玻璃纤维聚合物的材料性能与喷射工艺
　　1关于纤维增强复合材料(FRP)
　　纤维增强复合材料是由高性能纤维采用基底材料(如聚酞胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等)胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型而组成的复合材料。纤维是由单丝构成的，单丝的方向是单一的，也可以是多方向的，它决定复合材料的结构特性。树脂则是作为粘结介质，传递分布纤维间的应力，保证其形成整体。
　　根据纤维种类的不同可分为碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)三大类。其中GFRP研究历史最长，应用领域最广，价格最低。
　　玻璃纤维分为无碱玻璃纤维(E一玻璃)、中碱玻璃纤维(C一玻璃)、高碱玻璃纤维(A一玻璃)、高强度玻璃纤维(S一玻璃)及高弹性模量玻璃纤维(M一纤维)等。E一玻璃纤维是一种铝硼硅酸盐玻璃，纤维纺成直径为0.05-0.3mm的单股玻璃丝，合股后可做成许多形式的增强材料。E一玻璃纤维的抗拉强度高、吸水性较好、电绝缘性能优异、性价比好，主要由于塑料和层压制品。S一玻璃纤维是一种特制的抗拉强度极高的硅酸铝一镁玻璃纤维，弹性模量比E一玻璃纤维高。由于制造成本相对较高，应用范围受到限制。在国际市场上，S级的价格最贵，C级的次之，E级的价格最便宜。
　　玻璃纤维增强复合材料是一种性能优异的无机非金属材料，是高新技术不可缺少的配套基础材料。与传统的材料相比，玻璃纤维复合材料具有更好的设计性和成型性、具有良好的力学性能、稳定的化学性能、防火与隔热性能、原材料来源广阔、绝缘性好、耐高温，因而其使用寿命更长而且比传统材料轻的多。
　　玻璃纤维具有优异的物理性能，主要表现在以下几个方面:
　　⑴力学性能:高强度、高模量是玻璃纤维最重要的特性之一，喷射玻璃纤维聚合物中用的玻璃纤维是由OwensCorning公司制造，商品名称为“AdvantexGlassFiber360RRGunRoving”，商品中的“360”表示一种高性能的硅烷基胶涂在纤维丝上以改进其操作性能并提高纤维树脂的粘结力，这种玻璃纤维的物理力学性能见表1。
　　⑵耐热性能:玻璃纤维是一种无机纤维，导热性非常小，其耐热性较高，这在纺织纤维中的是很独特的。玻璃纤维在较低的温度下受热，其性能虽变化不大，但会引起收缩现象，因此在制造玻璃纤维增强材料时，如果纤维与树脂粘结不良，就会由于加热和冷却的反复作用而发生剥离现象，导致制品强度降低。
　　⑶化学稳定性能:玻璃纤维的化学稳定性，取决于其化学组成、介质性质、温度和压力等条件。玻璃纤维对腐蚀性化学品如酸和碱，有好的阻抗，它几乎不受有机溶剂的影响，并对大多数无机化合物是稳定的。
　　⑷电性能:玻璃纤维具有高的比电阻和低的电介质常数，玻璃纤维的电性能主要取决于玻璃的化学成分，特别是碱氧化物的含量。
　　表1OwensCorning公司GFRP物理力学性能
　　类型    Advantex玻璃纤维
　　特性    数值    单位
　　纤维密度    2624    Kg/m3
　　纤维直径    11    µm
　　抗拉强度    3400    MPa
　　弹性模量    81    GPa
　　断裂延伸率    4.6    %
　　
　　由于它具有上述优异的物理力学性能，所以玻璃纤维材料非常适用于结构加固领域。用于建筑结构补强加固的玻璃纤维材料具有较高的拉伸强度，在相同重量时，其断裂强度比钢丝高2-4倍，弹性模量较一般材料也略有提高，是一种优良的结构加固用材。玻璃纤维材料的几种主要形式:
　　⑴片材:包括布状和板状，一般是通过环氧树脂类粘接剂粘贴于混凝土表面，是用于结构补强与修复加固最多的一种材料形式。其中布状材料的使用量最大，但由于板状材料的强度利用效率较高，近几年使用量增长很快。
　　⑵棒材:通常作为代替传统钢筋(主筋或箍筋)的材料，既可用于已建结构的补强加固，也可用于新建结构中。对棒材进行张拉后，可对混凝土结构进行体内或体外预应力增强式加固，但由于FRP棒材是一种晶体材料，径向与横向强度比(约为20:1)较大，因此，传统的预应力锚具将不适用，否则将会由于横向强度过低导致锚固区的过早失效。所以FRP棒材如果想要在预应力结构工程中得到推广应用，锚具的研制将是一个关键问题。
　　⑶型材:包括多种形状，但有应用实例的仅有格状材一种，且用量较少;主要是通过1-2cm厚的聚合物灰浆将其粘结在己有结构上，或只通过适当的锚固方法将其固定在结构上进行加固。
　　⑷短纤维:相对于上述三种长纤维形式，通过与混凝土共同搅拌形成纤维混凝土用于新建结构，主要是利用它的压电性能。
　　2粘结材料性能
　　喷射玻璃纤维聚合物加固砌体结构的复合材料除玻璃纤维之外，主要包括树脂、催化剂和粘结剂，其材料特点如下:
　　⑴树脂:以AshlandSpecialtyChemicals制造的AROPOL7241T15聚酷树脂为例，
　　⑵催化剂:主要是用来固化树脂，由AshlandSpecialtyChemicals制造的MethylEthylKetonePeroxide被掺入体积率为3%的聚醋树脂，使其在20℃提供了一个约15分钟的凝胶时间。在较高的温度下，使用的MethylEthylKetonePeroxide数量较少，而在低温下使用的较多。一般情况下，根据条件被使用的催化剂大约是在2%至4%，最终的凝胶时间是15分钟。
　　⑶粘结剂:主要是用以改善玻璃纤维和砌体结构之间的粘结。由ReichholdCompany制造的ATPRIME2粘结剂是以双组分聚氨酷为基础的引物系统，可用刷或辊涂抹于待粘结物的表面，形成化学键。ATPRIME2中的双组分聚氨酷必须在使用前混合。ATPRIME2A和ATPRIME2B的用量按1:4的比例进行混合。在270℃相对湿度为50%的环境下，混合物ATPRIME2的周期大约是12个小时。ATPRIME2A和ATPRIME2B的密度分别是1.23与1.01，一公斤的混合物ATPRIME2的面积大约是10-20M2在常温下，粘结剂硬化最少要2个小时，待干燥后进行聚合物喷射于其表面。但如果是在粘结剂的表面硬化后24小时以上，必须重新操作以达到粘结面间的强度。
　　3喷射工艺
　　喷射玻璃纤维增强聚合物技术是借助一定喷射机械，将短玻璃纤维与高J胜能粘结剂混合浆体，以压缩空气作为动力，通过管道，输送并以高速喷射到承喷面上，形成具有一定强度的结构增强、增韧材料，
　　在喷射玻璃纤维以前，结构表面先涂一层称为界面粘结剂(如掺有过氧化甲乙酮催化剂)的人造橡胶改性的乙烯醚底漆系统，待这层粘结层足够干燥后，即进行喷射。喷射的复合材料的三种基本成分:树脂、催化剂和玻璃纤维，其中树脂和催化剂分别喂入喷射枪，并在其中混合，然后作为单一的化合物喷射出来。玻璃纤维是以粗纱的形式供应，两根粗纱绞线喂入装在喷枪顶部的切断器，通过一对滚轮的中间，其中一个滚轮沿其圆周装有等间距的刀刃，刀刃间距是可以调整的。刀刃将纤维切成短段，其长度可以在8一48mm之间调整。喷枪从其下口喷射树脂和催化剂的混合物，同时从顶部的切断器喷射纤维。这两股喷射流合并在一起，连续地喷射到结构表面，其结果是形成一层随机分布的、被充分催化了的树脂包裹的纤维。这种方法可以形成所要求的任意厚度的玻璃纤维增强复合材料。喷射以后，用带肋的铝滚筒将内部的空气泡挤出，并将材料整平到一致的厚度。
　　所产生的喷射玻璃纤维聚合物是平面各向同性的复合材料，在喷涂平面的不同方向上，力学性质没有变化。
　　4喷射玻璃纤维聚合物加固法的优点
　　喷射玻璃纤维增强聚合物(GFRP)技术是借助一定喷射机械，将短玻璃纤维与高性能粘结剂混合浆体，以压缩空气作为动力，通过管道，输送并以高速喷射到承喷面上，形成具有一定强度的结构增强、增韧材料。喷射GFI沙由于是在高速喷射的反复连续冲击作用下被挤压密实，因而具有较高的力学强度与自撑能力。除具有FRP加固方法的一般优点外，与粘贴、包裹CFRP和GFRP片材加固方式相比，由于高速高压作用，喷射GFRP浆体能够射入宽度Zmm以上的裂缝，并与被加固的结构紧密结合，形成整体，共同工作，同时在结构表面形成一定厚度的加固结构层，因此用于建筑物及构筑物的补强加固，不仅速度快，而且效果好。另外，对于CFRP和GFRP片材加固方法，一般只有一个方向的纤维受力，需按结构的受力情况和破坏形态布置CFRP和GFRP片材的粘帖方向，不同的粘帖方式和锚固形式直接影响加固效果，而玻璃短纤维在聚合物浆体中为乱向分布，加固层硬化后，玻璃短纤维可对结构各受力方向进行加固，对于复合受力构件，该加固技术更具优势。由于玻璃纤维聚合物的自重较轻，也不会额外增加构件本身的自重，对抗震加固也是非常有利的。
　　结束语
　　喷射GFRP技术可用于常见缺陷如孔洞、裂缝等的加固，而且特别适用于强度低、易开裂的结构，以及不宜采用粘贴碳纤维布加固的一些不规则形状结构、结构的凹角位置(如门窗洞口、梁板交界部位)和其它特殊部位的加固。对于因受地震灾害、复杂振动和地基变形影响的低强度砌体结构建筑物，最常见的破坏是墙体出现剪切裂缝或向各个方向延伸的龟裂裂缝，对裂缝密集、受损严重的墙体可双面整墙喷涂GFRP进行抗震、抗剪加固，应是一种有效的砌体结构加固方法。
　　参考文献
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