某新建小区91号楼, 因12层以下部分剪力墙混凝土实测强度不满足原设计要求而需要加固, 经过多种加固方案比较后采用预应力钢棒法对不满足要求的剪力墙进行了加固处理, 由于该技术是国内首次使用, 其施工方案经由江苏省住房和城乡建设厅及施工图审查机构组织的专家论证通过。

预应力钢棒法原理:在需要加固的剪力墙中人工开凿竖槽, 自然形成毛化面, 在该竖槽中安放钢棒, 为保证后加的钢棒能与剪力墙共同工作, 需对钢棒施加预应力, 最后用带粗骨料的无收缩水泥基灌浆料将剪力墙中竖槽浇实, 待竖槽中新浇筑的混凝土实测强度达到设计要求后拆除加压等装置。预应力钢棒法施工流程为:施工准备及放线→墙体局部凿除→布置钢棒及预应力施加装置→下垫梁浇筑→分级加载预应力→上垫梁浇筑→分级卸荷→拆除预应力装置→钢筋恢复→支模浇筑养护水泥基灌浆料→拆模及验收, 预应力钢棒法原理如图1所示。

根据设计要求, 为了保证新加预应力钢棒上下端与剪力墙锚固段可靠工作, 需在钢棒上下端剪力墙中各设置1根400mm长、截面尺寸为200mm×200mm的垫梁 (节点大样详见图2) , 其强度等级不低于C50, 设计拟采用水泥基灌浆料作为垫梁材料, 工程开工前选取了几个品牌满足国标的成品水泥基灌浆料进行试验, 其达到C50一般在7d以上, 考虑到施工时气温较低以及后续施工, 成品的水泥基灌浆料无法满足工程进度要求。为满足实际施工需求, 保质保量, 经设计认可, 提出采用环氧树脂混凝土作为垫梁材料。工程实践证明, 相比于水泥基灌浆料, 环氧树脂混凝土具有强度高、流动性好、强度增长快、易施工等特点, 完全满足施工要求。

环氧树脂混凝土是以环氧树脂为主要胶凝材料, 辅以固化剂、稀释增韧剂, 经拌合后与砂、碎石及水泥或粉煤灰的混合料拌制而成的一种特殊混凝土。环氧树脂是一种无定形黏稠液体, 没有明显的熔点, 受热变软, 逐渐熔化而发黏, 不溶于水。在树脂内加入适量的固化剂时, 能配制出在常温下正常固化的环氧树脂砂浆和环氧树脂混凝土, 固化后具有可使用的物理力学性能。环氧树脂混凝土具有强度高、流动性好、硬化快等特点, 被广泛用于建筑物的加固和补强及其他各种相关领域。

本工程设计要求垫梁材料强度应达C50以上, 根据施工进度安排, 其垫梁浇筑后应1d内达到设计强度要求。常规的环氧树脂混凝土黏度大、工作性差, 不满足施工要求, 需重新对配合比进行设计。配合比设计主要有2个方面要求: (1) 必须在规定的时间内满足强度要求, 以保证后续预应力钢棒能正常加荷而不影响工程进度; (2) 满足工作性能即流动性要求, 该项指标主要为保证上垫梁树脂混凝土与既有混凝土的有效黏结。另外, 从成本角度来看, 环氧树脂混凝土价格比水泥基灌浆料价格高很多, 尽可能优化配合比以节约成本。

环氧树脂采用工程中低黏度的E-51主剂;固化剂采用分析纯乙二胺;助剂为稀释剂和增韧剂, 稀释剂采用分析纯丙酮, 增韧剂为分析纯丁二酯;粉煤灰为常州国电I级灰;细骨料为中砂 (石英砂) , 已洗净烘干, 细度模数为2.4~2.6;粗骨料为碎石, 已洗净烘干, 严控针片状含量, 粒径为5~16mm。

本配合比设计拟在常用环氧树脂混凝土配合比基础上, 通过调整材料级配、树脂与填料的比例及固化剂含量来达到调整混凝土的工作性能、强度和强度增长时间的目的, 最后综合考虑并经试验确定施工用配合比。

试验在现场环境下进行, 温度为10~16℃。试验时先将粉煤灰、砂及碎石等填料称量好, 倒入机械式搅拌机内搅拌约1min;再将环氧树脂、稀释剂和固化剂用手电钻搅拌均匀;边搅拌粉料边倒入搅拌均匀的液料, 液料全部倒入搅拌机后再搅拌1min出料。出料后立即测试环氧混凝土的流动性及30min后流动性, 并在现场制作标准混凝土试件, 养护24h及48h测试强度。

在常用环氧树脂配合比基础上, 通过试验确定最佳施工配合比, 常用的配合比 (kg/m³) :环氧树脂∶助剂∶固化剂∶粉煤灰∶中砂∶碎石=200∶30∶14∶370∶740∶1 000, 初始坍落扩展度450mm, 30min坍落扩展度440mm;48h抗压强度57MPa, 28d抗压强度80MPa, 数据为 (20±2) ℃温度下测定。

上述常用配合比的环氧树脂混凝土黏度较大, 1d强度不足C50, 不适宜直接用于该工程施工。为满足设计和施工要求, 在常用配合比基础上, 通过调整固化剂、填料、助剂含量比例以及优化级配、降低成本等方面设计了若干试验, 通过试验确定施工用配合比, 试验在现场环境下进行, 温度为10~16℃, 如表1所示。试验结果如表2所示。

与普通混凝土相比, 环氧树脂混凝土具有强度高、强度增长快的特点。环氧树脂混凝土中树脂与固化剂的比例很大程度影响混凝土硬化后的性能, 固化剂过少, 会使得树脂混凝土的硬化时间延长;但是固化剂量过多, 硬化就会过快, 硬化不完全, 致使混凝土不密实、性能差。稀释和增韧剂有助于改善树脂混凝土的韧性和流动性。

上述试验中, 常用配合比的环氧树脂混凝土黏度大, 24h强度达不到施工要求的C50, 由表2所示试验结果可以看出, 增加固化剂和稀释增韧剂含量 (2号试验) 可以显著提高环氧树脂混凝土强度和流动性。在确定本工程最终的施工配合比时, 考虑到本工程施工时气温较低, 而强度、流动性要求均较高, 故在配合比设计时应该适当调高固化剂的用量。

环氧树脂混凝土由树脂和填料组成, 两者的比例对工作性能、强度影响较大, 而与此同时, 树脂过多增加材料成本。对本工程而言, 在保证环氧树脂混凝土强度的条件下, 一方面需考虑树脂混凝土的工作性能和强度, 另一方面也要考虑成本。

上述试验结果表明, 对比试验2号与3号, 砂率从42.5%提高到48.8%, 随着砂率提高, 环氧树脂混凝土流动性和强度有一定程度改善提高, 4号试验表明通过降低“粉料”含量, 实际是提高了环氧树脂体系的含量, 环氧树脂混凝土流动性和强度有了较大提高。至此4号已经能满足施工要求;5号试验结果表明, 继续提高“液料”的含量, 环氧树脂混凝土成本进一步增加, 但是强度和流动性增长不明显, 经济性差。

根据上述试验结果, 并重新拌合经现场试验确认, 最终确定的混凝土配合比 (kg/m³) :E-51环氧树脂∶稀释增韧剂∶乙二胺固化剂∶粉煤灰∶石英砂∶级配碎石=200∶20∶25∶250∶850∶800。

从表3可以看出, 环氧树脂混凝土在现场同条件养护24h和48h抗压强度分别达到60.6MPa及71.8MPa, 坍落扩展度达到700mm, 30min后680mm, 完全满足设计和施工要求;而同龄期的水泥基灌浆料尽管进行了加温保湿养护, 但仍然不能满足施工进度的强度要求。另外, 由于本工程工期紧, 上述环氧树脂混凝土配合比直接作为施工配合比, 实际上该配合比还可继续优化, 以降低成本。

环氧树脂混凝土是预应力钢棒法上下端与剪力墙锚固段能否可靠工作的关键环节, 施工中必须加强环氧树脂混凝土施工过程及施工质量控制, 其主要包含环氧树脂混凝土各原材料进场检验验收、环氧树脂混凝土搅拌和浇筑施工等环节。

预应力钢棒法下垫梁环氧树脂混凝土施工流程可进一步细化为:修整原剪力墙垫梁处混凝土→修补钢筋→支模板→配制环氧树脂混凝土→浇筑→固化养护;上垫梁与下垫梁环氧混凝土浇筑施工不同之处在于, 上垫梁环氧树脂混凝土浇筑应在分级加载预应力之后进行, 同时支模板时上垫梁应设置灌浆口, 以保证环氧树脂混凝土与既有混凝土的黏结性。

根据设计要求, 剪力墙墙体开槽后, 钢棒上下端剪力墙中各设置1根400mm长、截面尺寸为200mm×200mm的垫梁, 后经设计认可, 施工中垫梁尺寸可酌情减小以降低环氧树脂混凝土用量。施工中垫梁处混凝土修整应在预应力钢棒槽完成后单独进行, 修整混凝土施工宜使用电锤, 尽量不损害原墙体内钢筋, 施工中不得破坏其他主体结构, 垃圾要及时清运, 保持施工场地干净卫生。

混凝土剔除修整完成后, 应及时对原结构的钢筋进行修补恢复, 对剔除混凝土施工中切断的钢筋应按要求焊接接长, 焊接搭接长度应满足设计要求, 钢筋交叉处用铁丝绑扎, 钢筋绑扎前应清除钢筋及铁丝上残留的混凝土和杂物, 绑扎时应避免钢筋偏位, 必要时应按规范要求设置保护层垫块, 受力钢筋保护层应满足设计要求, 恢复过程应按照施工图纸和相关规范进行。

模板支设应按设计和施工要求进行, 下垫梁模板支设高度应高于钢棒底端, 以便浇筑时将整个钢棒底端及钢垫板浇成整体以提高稳固性, 上垫梁模板支设应在预应力分级加载后进行, 并预留环氧树脂混凝土灌浆口, 模板支设缝隙应贴严, 模板应涂刷脱模剂, 在浇筑环氧树脂混凝土前, 模板内的垃圾、木片、刨花、锯屑、泥土和钢筋上的油污、铁皮等杂物应清除干净。

环氧树脂混凝土配制应严格控制各原材料的质量, 需进场验收合格方可使用。环氧混凝土配合比应严格按上述配合比的规定, 各原材料应称量准确, 配制时可先于搅拌机中将粉料干拌均匀后加入混合好的液料, 环氧树脂混凝土宜现配现用, 一次配制量不宜过多。

在浇筑环氧树脂混凝土之前, 应提前检查垫梁的模板及支撑、内部钢筋的设置, 环氧树脂混凝土宜现配现用, 已配制的环氧树脂混凝土需在40min内用完, 未在规定时间内用完的应废弃处理。浇筑时, 上垫梁的灌料口应高出垫梁上表面以保证环氧混凝土能浇筑密实。

对已浇筑完毕的环氧混凝土垫梁, 应视气温情况在浇筑结束6h内加温养护。

1) 环氧树脂材料每次配制数量, 应根据施工能力来确定, 一般不要过多, 并尽可能做到随配随用。

2) 本工程施工时气温较高, 较低温度下环氧树脂黏度较大, 使用时可适当加温至流动状态, 加热温度最高不得超过60℃。

3) 环氧树脂混凝土配制所使用的粗、细骨料必须洗净烘干。

4) 环氧树脂混凝土配制量较少时, 可先配制环氧基液, 后将水泥、砂放入环氧基液中配制环氧砂浆, 最后加入石子经机械搅拌配制成环氧树脂混凝土。

1) 预应力钢棒垫梁施工前应支模板, 上垫梁支模板要保证模板和支撑牢固, 防止浇筑时塌模。

2) 环氧树脂混凝土浇筑前, 应清除模板内及与混凝土接触面灰尘、浮渣及松散层等, 露出混凝土本体, 并保证混凝土、模板的表面干燥, 不得湿润。

3) 环氧材料大都易于挥发, 在施工时要避免有害气体对人体的不良影响, 同时要严格注意防火。

4) 环氧树脂混凝土一般养护温度以 (20±3) ℃为宜, 本工程施工工期紧, 气温较低, 可酌情加温养护。

与传统的水泥基灌浆料相比, 环氧树脂混凝土作为一种新型结构加固用材料, 其具有强度高、强度增长快、易施工等特点。本工程通过环氧树脂混凝土的使用, 圆满地解决了工程材料使用难点问题, 为下一步预应力钢棒分级加荷及浇筑混凝土争取了时间, 缩短了工期, 具有较大的经济效益。