纤维复合材料在高温的生料均化库库壁维修施工的应用.doc

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TYFO SEH 51玻璃芳纶纤维复合材料在高温的生料均化库库壁维修施工的应用
(一)工程概况
    本项目的加固对象是拉萨某水泥厂的生料均化库。这库高度为44米，外径为15.6米宽，库壁为300毫米厚。由于设计和的施工质量有问题，加上高原地区昼夜温差大和冻融循环作用，因此该库的裂缝特别严重。这些裂痕不仅使生料均化库不能正常操作，同时也威胁到结构的稳定性和可靠度。由于每天的停产损失很高，因此本项目的工期比较紧张。
    业主方与某水泥设计院联系之前己花了大约一百万人民币进行库内积灰清理和粘贴钢板、加角钢等传统加固措施。可是由于各种因素使得这些加固措施都显得无效。由于该库的主要功能是对水泥生产烧结前的混合料进行充分地混合，以便保证水泥的生产质量，所以生料均化库的灰尘比较多，生产温度也比较高。
    业主为了保证正常生产的产品质量和该库的安全性和可靠性，后来委托某水泥设计院和本公司设计和使用TYFO®SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO®S进口结构胶进行加固。在加固之前进行了裂缝修补，对于小裂缝采取裂缝修补胶进行涂抹，对于大裂缝来取修补胶灌注后用芳玻纤维再加固和封闭。上述处理完毕后再对库外壁作了防水处理。项目竣工验收后业主投入生产使用，几个月后进库检查，用喷灯加热钢板接近已固化的复合材料，最高温度达到130度，时间持续约一小时，结果未发现TYFO®SEH 51玻璃芳纶纤维复合材料有软化、脱落或结构胶滴落现象。其他未加热区域粘贴同样非常牢固。至今该库的使用状况良好。
(二)加固方式所面对的问题
    业主之前曾聘请其他的加固公司和设计院进行该库的维修设计。可是每次设计都面对同样的一些问题，那就是库内工作温度比较高、库内积灰多、生料混合的较大摩擦力和充气压力以及高原地区温差应力造成裂缝的形成和发展。用传统的加固方式，如粘贴钢板、角钢、碳纤维布等加固材料难以克服上述问题，容易造成加固材料的脱落。经过深入的商讨和了解后，我们发现问题的关键是加固方式的选择和工程材料的应用，特别是钢材的自重、钢材和混凝土的热膨胀差异和粘结剂的耐温不够以及摩擦力和充气压力的综合作用是造成脱落的主要原因。由于库内的温度较高,一般的国产环氧树脂或粘贴剂无法承受而软化。
1)高温度
    由于该库内正常工作温度在80摄氏度左右,最高可达120,一般国产的粘接剂不能承受此温度,最终导致所粘贴的碳纤维、钢板和角钢等加固材料脱落。这是因为一般的环氧树脂温度达到60摄氏度的时候,都会开始软化。即使使用了化学锚栓,它的化学胶也会开始软化。在加固施工过程的时候,由于没有处于上述温度范围,因此一般都没有什么大问题,可是到了正式投入使用的时候，经过一段时间,所用的加固材料就会脱落，堵塞该库的出料口，影响操作和生产,甚至不得不停产。而该业主一天的产值在一百万元左右,若发生停产所造成的经济损失将是十分巨大的。因此，所使用的环氧树脂必须是优等的产品，最好是进口的具有比较高的耐温能力的产品。
2)库内堆积的料和灰尘
    之前的生产过程难免会留下许多灰尘等残留物。这些残留物由于堆积在均化库内，难以完全清除，所以在施工的时候，难免会污染到加固施工用的粘结剂或环氧树脂。这将影响粘结剂或环氧树脂的粘结强度等特性。加上以上的温度问题，如果粘结剂或环氧树脂原有的性能比较差，将会导致质量问题。因此，在粘贴施工中必须严格作好待粘贴基面的处理特别是要满足清洁度要求。
3)摩擦力和充气压力
    库内的生料混合会对库壁产生比较大的摩擦力和充气压力。如果施工的时候，用的粘贴剂或环氧树脂和加固材料性能比较差，由于温度对粘结剂的软化作用、钢材的自身重量比较大，加上摩擦力和充气压力的共同作用，很容易造成加固材料的脱落，从而影响生产进度和产品质量。
4)紫外线、降水和冻融循环作用
    由于该项目地处青藏高原，紫外线强烈，昼夜温差很大，最低温度可以达到零下十几度，还有就是降水量虽然不是很大，但是下雨比较频繁，因此容易形成冻融循环和温差应力，造成混凝土开裂和裂缝扩展，再有就是建造时的混凝土设计和施工中可能存在的问题也是裂缝产生的原因。不管是什么原因，裂缝的存在与发展都严重影响到结构的安全性和稳定性。因此必须对裂缝进行处理，加防水材料也是为了降低雨水对该库的侵蚀。
    该项目以前的处理仅仅是用混凝土简单地填补表面裂缝，外观看起来还不错，但是实际上对于深层的裂缝并不能防止其扩展，其效果显然不如用环氧树脂或环氧树脂砂浆或其他高强聚合物沙浆能够渗透到深层裂缝并且有效地粘接和约束裂缝。
（三）加固设计
    此项拉萨的某水泥厂的生料均化库的项目病害情况比较多。这些病害都是因为设计，施工过程和周围环境所产生的。在这里我们将深入的讨论这些问题和我们为了解决问题所提供的设计方案。同时也会介绍所该项目所采用的进口的美国TYFO®玻璃芳纶纤维材料。
1)混凝土结构强度不足
    这项目采用了美国生产的TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维布和TYFO®S多功能环氧树脂加固弥补该库的混凝土强度不足和环向的钢筋欠缺。该库44米高分为9节，头8节的区高各分为4米，最后一节为12米。压力分布为该库的底部最高，顶部最少。该库由于内壁、外壁都有竖向裂痕，所以在该库的内外混凝土表面都进行了加固。由于当时还没有一个比较权威的玻璃芳纶纤维加固规范，所以计算使用了TYFO®的设计计算方式。设计方式也是根据钢筋混凝土结构设计的原理。TYFO®至1988年已开始使用该计算程序，到今己有19年的历史。我门将会讨论几个主要的简单计算公式。从原有的结构配筋和所需要的应力的差别，可确定该库在每一个部位所需要加固的应力。利用所计算出来所缺少的应力，用相应的TYFO® SEH 51玻璃纺纶纤维布和TYFO®S多功能环氧树脂的加固方式来补上其中的不足。计算方式的数据与国内一些规范有些差别，数据是采用复合后的强度以及厚度。使用这种数据的根据是，在实际的应用，纤维布其实不能独自产生有意义的强度。所以实际的强度是靠环氧树脂把每根纤维丝团结成高强的复合材料。因此所应用的复合强度是大约纤维布强度的三分之一(由于较低强度的环氧树脂所限制). TYFO®计算式采取2.75的材料性能安全系数。这系数是根据2万小时快书老化试验所定制的安全系数。公式(1)是先从定制的设计应变计算。这个数据将应用如公式(2)。

式中：εf,req-TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO®S多功能环氧树脂复合后的设计应变。
      ε f -TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO® S多功能环氧树脂复合的应变。定为2.2%。
取出一个可用的应变后，应用复合后的弹性模量，计算出TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO®S多功能环氧树脂复合后的设计应力强度。这个应力强度将插入公式(3)

式中：F f -TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO®S多功能环氧树脂复合后的设计应力强度。单位为Mpa.
      E f-TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO®S多功能环氧树脂复合后的弹性模量值。 定为26100Mpa.
算出了设计应力强度,我们可以在公式(3)计算出所需要的纤维宽度。

式中：wf-所需要粘贴的TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维宽度。单位为mm。
      Treq-该库所缺少的应力。单位为KN/mmTf-TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维和TYFO® S多功能环氧树脂复合后的厚度。定为1.3mm。
(四)TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维材料介绍
1.  材料技术参数

2.  材料优势
a)  ICC 5282国际建筑学会认证并通过了美国ASTM标准测试和中国权威检测部门的测试。
b)  TYFO® SEH 51与混凝土的膨胀系数相同，所以不会产生温差应变。
c)  与钢板和碳纤维不同，玻璃纤维不导电。
d)  该材料的延伸性好，能够与混凝土协同工作，可以同时使用于抗震加固。
e)  具有良好的防腐作用，这与用玻璃钢作防腐处理的原理类似，但加固用的玻璃纤维强度更高．
f)  价格优势．在满足设计要求和强度可靠的的情况下，用芳玻纤维加固的材料价格比碳纤维有较大的价格优势.特别是在目前加固市场竞争激烈价格比较低的情况下必须在满足需求的情况下控制成本．
(五) TYFO® S多功能环氧树脂介绍
    TYFO® S多功能环氧树脂是由两种组分混合成的、几乎无味、可溶解的、低粘性的通用环氧树脂。这环氧树脂时特别研发来浸湿TYFO®纤维布的配套胶。由TYFO®S环氧树脂和TYFO®纤维布组成的复合系统具有很高的延性和良好的力学性能。TYFO®S可以用配有自动计量设备的浸透机或人工用刷子涂刷在TYFO®纤维布上。
详细说明：
组份：A组份-有轻微粘性的液体 B组份-液体
颜色：组分A介于无色淡浅黄色间组分B无色
混合后的树脂:为水状液体,适合浸泡纤维编织布,可用浸透机、刷子或滚刷均匀涂抹在纤维布上
操作温度：不要在4℃以下施工。当施工环境温度高于33℃时要小心谨慎,避免过早发生硬化。在温度较高难度环境下，注意不要过量配制树脂，以免反应过快。
操作时间：在正常温度下(15~27℃)，树脂混合后可以使用2个小时。材料硬化时不能够继续使用。当现场环境温度较低的时候其工作时间会相应延长，反之当温度较高时会相应缩短。
混合液粘性：600~700 cps
混合比：体积比—100份的A组份：42份的B组份
重量比—100份的A组份：34.5份的B组份
(六)施工工艺。
1)表面预处理
    脆弱部份敲除，裂缝以注射修补剂处理，混凝如有顺坏情形必须以环氧砂浆或不收缩性修补砂浆填补找平。凹凸不平的表面必须磨平。把直角磨成,半径达20mm。确保混凝表面施工时不可有水分。
2) 环氧树脂的预备
    混合TYFO® 多功能环氧树脂A与B组份。重量比利是100份A对34.5份 B。搅拌2分，确保混合均匀。如果A组分太稠，可以用灯光照射的方法加温，达到理想的稠度。
3)在混凝表面涂上环氧树脂底胶
    表面预处理后，在混凝土上均匀涂上一层TYFO®S多功能环氧树脂。气温24oC度的环境下,涂上后等1小时,确保树脂有了黏性才可以贴上TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维布(与温度的高低调整等候时间)。可以用手指碰摸表面的树脂测试黏性。
4) 贴上TYFO® SEH 51布
    从收到的标准包装的TYFO®SEH 51玻璃芳纶纤维布上按需求裁料。使用滚筒刷或TYFO®浸透机器使TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维布含浸TYFO®S多功能环氧树脂。包括底胶和含浸纤维布，每平方米只需要800克的树脂，多则浪费。卷起浸润的纤维布并把它转移到施工地点。注意不要弄脏卷起的材料。用手推或滚筒压挤所贴上的布面，并把气泡完全挤出。主纤维方向需要重150毫米。横向不必重叠。复合材料间允许15毫米间隔。
5) 贴上第二层TYFO® SEH 51布
    用手指试探第一层复合材料表面是否己有黏性。第二层用以上同样的顺序贴上。如果第一层过夜并己经完全固化，可以用机器稍微磨平凹凸的表面以便第二层施工。
6) 固化时间
    树脂的固化时间与温度有密切的关系。温度低的话就需更长时间。一般施工现场TYFO®S多功能环氧树脂在24oC温度的情况下需48小时完全固化。
(七) 结论
    经过传统的加固方式失效后，在拉萨的某水泥厂的生料均化库的业主聘请了某水泥设计院使用TYFO® 玻璃芳纶纤维复合材料给该库维修加固。此项目用的TYFO® S多功能环氧树脂，可解决业主以前使用的加固方式的最大问题。此问题就是，环氧树脂等粘接剂能够在该库的工作温度达到80-120摄氏度的时候，还能够确保加固所使用的TYFO® SEH 51玻璃芳纶纤维，在较大摩擦力和较大充气压力的操作情况下不脱落。新的加固方案综合考虑了该库存在的各种结构问题及原因，用轻质高强材料替代了传统加固材料并用高强沙浆对裂缝进行了处治，对库外壁进行了防水处理，最大限度地遏制引起病害的各种原因和保证使用的强度要求，按照该业主的产能和其他因素分析，所产生的技术和经济效果都是十分显著的，新方案加固后的实际使用效果令人满意。
    现在加固行业比较通用的加固材料还是碳纤维布。碳纤维布的需求量将增加，可供的原材料的资源却有限，价格波动也比较大．随着加固的技术越来越成熟，玻璃纤维加固技术已经纳入为加固而编制的新规范《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006，在不久的将来，玻璃纤维的应用将越来越普遍。
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