CFS在大堡橋維修加固中的應用

朱曲平

（重慶交大道路橋梁技術研究有限公司，重慶 401122）

0 前言

采用外貼纖維增強聚合物(FRP)對混凝土結構進行補強加固，是20世紀80年代在發(fā)達國家首先發(fā)展起來的一種高效的結構加固修復技術。目前常用的材料主要有三種：碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer）、玻璃纖維增強聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer）、芳綸纖維增強聚合物（Aramid Fiber Reinforced Polymer）。

其中，碳纖維布 (Carbon Fiber Sheet，簡稱CFS)由于具有高強輕質、抗腐蝕、耐老化、物理性能穩(wěn)定等極其優(yōu)越的品質，采用高性能粘結劑將其粘貼在混凝土結構表面，與原混凝土結構形成整體共同受力，進而提高混凝土結構的承載能力，從而達到對混凝土結構加固補強的目的。同時，粘貼CFS加固法無需大型施工機具、操作方便、施工工期短、工效高（比粘鋼加固工效提高5～6倍），尤其對于異形結構、受惡劣環(huán)境影響的結構及抗震能力要求較高的結構，在常規(guī)加固技術不能適用的情況下，采用該加固技術更顯出其不可取代的優(yōu)勢。

本文在分析了粘貼CFS加固法在大堡橋維修加固工程中的應用成果，總結了粘貼CFS加固法的一般方法和注意事項。

1 工程概況

大堡橋為2×16 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心板簡支梁橋，橋梁全長55.6 m，1999年建成通車。整個橋面呈梯形，橋面寬度布置為：0.50 m（防撞護欄）+32.80 m（行車道）+0.50 m（防撞護欄），內外半幅為分離式橋，橋面縱坡0%、橫坡2%。該橋上部承重結構采用C40混凝土現(xiàn)澆，為16 m的預應力空心板梁，板厚0.85 m；下部結構為C30混凝土圓柱式橋墩和M7.5漿砌塊石重力式U型橋臺。設計荷載為汽-超20，掛-120。

為進一步降低粉塵和噪音，提高行車舒適度和安全性，擬對該橋加鋪5 cm瀝青混凝土橋面鋪裝（下封層+2 mm潔凈碎石+粘結劑+5 mm橡膠瀝青膠粉+4cm改性瀝青AC-13C）。由于增加5cm瀝青混凝土鋪裝后，增加了橋梁恒載；再加上該橋原建設施工控制較差，以及交通流量大、重車通行等多種不利因素的影響，該橋在使用6 a后，本身存在較多病害。其中最為突出的是梁板底部出現(xiàn)很多縱橫交錯的裂縫，最大裂縫寬度在0.05 mm～0.30 mm之間，最大裂縫長度貫穿橋跨及板厚，且大部分存在滲水、甚至蓄水現(xiàn)象，危及橋梁安全。

2 加固方案

經(jīng)結構驗算，該橋加鋪5 cm瀝青混凝土鋪裝后，在設計荷載等級汽-超20，掛-120作用下，橋跨結構的正截面抗彎承載力不足，故決定采用粘貼CFS加固法進行加固；即先對梁底混凝土界面進行處理后，在梁底部跨中橫向B/11～10B/11范圍內粘貼1層CFS、縱向L/5～4L/5范圍內粘貼2層CFS進行補強；其中橫向CFS寬度為20cm，縱向CFS寬度為30 cm，兩個方向的CFS間距均為10 cm。加固工程中所用的主要材料選擇及其各項性能參數(shù)如表1、表2所列。

表1 加固中所用CFS(日本UT70-30)的性能參數(shù)一覽表

表2 加固中所用配套粘結樹脂的性能參數(shù)一覽表

3 維修加固施工

3.1 工藝流程

3.1.1 界面處理

（1）首先將梁底面存在的疏松、脆裂及損傷的缺陷混凝土全部鑿除，露出新鮮堅實混凝土；如果缺陷部位混凝土鋼筋存在銹蝕，則利用人工除銹的方法對鋼筋進行除銹處理。

（2）用砂輪機對備粘貼CFS部位混凝土表面全面打磨，以將原混凝土表面的風化劣化層、浮漿、灰塵、油污等清除干凈，并用壓縮空氣吹凈，確保備粘貼CFS部位堅固、密實。

（3）對梁底部寬度小于0.15mm的裂縫，用525#水泥拌制的環(huán)氧水泥封閉；寬度大于等于0.15 mm的裂縫用“壁可法”低速低壓連續(xù)自動壓注環(huán)氧樹脂修復。

（4）將實施了裂縫封閉及灌漿處治的混凝土表面凸起處打磨平整；同時，對混凝土凹陷部位，當破損面積較小時用環(huán)氧砂漿修補，當破損面積很大時用環(huán)氧混凝土修補。

（5）將找平過的混凝土表面清理干凈，并確保干燥。

3.1.2 粘貼CFS

（1）按照產(chǎn)品使用說明的規(guī)定用量，并結合實際需用量，按比例及產(chǎn)品配置工藝要求調配好配套樹脂，并確保隨配隨用。

（2）用滾筒刷將底層樹脂均勻地涂抹在處理好的混凝土表面。待樹脂表面指觸干燥后即進行碳纖維浸漬樹脂的涂刷。

（3）均勻涂刷浸漬樹脂于碳纖維表面后，用特制的滾筒沿纖維方向多次滾壓，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布。注意滾壓時不得損傷碳纖維布。

（4）在所配置樹脂的固化允許時間內，將CFS置于處治平整的混凝土表面。用專用滾筒將其壓到樹脂膠液中，順纖維方向連續(xù)滾壓，直到膠液由CFS周邊被擠出，確保粘貼密實無空洞。

（5）在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行該層碳纖維布端部壓條的粘貼，其施工工藝與粘貼主受力CFS相同。

（6）該項加固共需粘貼3層CFS，重復以上步驟進行下一層CFS的粘貼。

（7）用木錘輕輕敲打，進行粘貼CFS的空鼓檢驗。若發(fā)現(xiàn)存在氣泡，則用針管注射膠液修補，確保CFS與混凝土之間的總有效粘結面積不小于95%。

3.1.3 表面防護

在CFS粘貼完成并指觸凝膠后，再在CFS表面均勻體刷一層浸漬樹脂，作為加固部位粘貼CFS的表面防護。也可以采用涂刷環(huán)氧砂漿或聚氨酯防護油漆進行防護。

3.2 施工技術要點

3.2.1 界面處理

（1）對混凝土破損凹陷部位的修補，當破損面積較小時用環(huán)氧砂漿修補，為避免修補過程中砂漿流淌或脫落，涂抹時宜分層進行，每層厚度3～5mm為宜。當破損面積很大時應采用環(huán)氧混凝土進行修補，其施工工藝與普通混凝土基本相同。

（2）對存在較大破損的混凝土缺陷修復時，為使新增部分的混凝土（或砂漿）能與老混凝土良好地結合，在修補之前應首先在待修補混凝土缺陷表面涂刷一層環(huán)氧基液，其涂刷厚度以不超過1 mm為宜，且應涂刷均勻。涂刷可采用人工涂刷或噴槍噴射，為求涂刷薄而均勻，可在基液中加入少量丙酮(一般為3%～5%)。對于鋼筋和凹凸難于涂刷的部位，應反復多刷幾次。

（3）基液涂刷完成后，隔一定時間，使基液樹脂將原混凝土表面充分浸潤，同時確?；褐械臍馀菀严螅娇赏磕ōh(huán)氧砂漿或澆筑環(huán)氧混凝土，時間間隔一般為30～60 min。

（4）環(huán)氧砂漿的養(yǎng)護最重要的是控制溫度。一般，養(yǎng)護溫度控制在20±5℃，養(yǎng)護溫差不超過5℃為宜。養(yǎng)護時間一般為夏季2 d即可，冬季7 d以上。

3.2.2 膠液配置

（1）所用環(huán)氧樹脂的選擇及膠液的配置應符合規(guī)范及設計的要求。根據(jù)施工能力，固化劑用量、一次配膠量不宜過大，一般不宜超過1～2kg，并盡可能隨用隨配，以免因涂刷不及時，反應熱不能及時釋放、施工環(huán)境溫度高等引起膠液過快固化，來不及施工。

（2）按比例正確配置主劑、固化劑時，用低速電動攪拌器攪拌，并盡可能少的帶入空氣，待攪拌至色澤均勻時即開始使用；一般，混合量越大，使用時間越短，為在較高溫度下得到更長的使用時間，可將混合的膠粘劑分成幾個部分，或是在混合之前降低組分的溫度。

3.2.3 粘貼CFS

（1）粘貼CFS應在5℃以上環(huán)境溫度條件下進行，并且應符合配套樹脂的施工使用環(huán)境。當環(huán)境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采取升溫的措施處理。

（2）對按設計要求裁剪好的CFS浸漬時，應使膠液充分滲透到纖維單絲間的空隙中，以提高單絲共同工作的能力。

（3）將CFS置于加固設計的放線定位處時，可由一人拉緊CFS一端，另一人將浸透的CFS用手輕壓到放線部位，用專用滾筒沿梁底粘貼方向由一端向另一端連續(xù)滾壓。過程中應確保CFS被平直拉緊，無褶皺、無氣泡。

（4）整個橋面呈梯形，CFS的最大粘貼長度達到33.80 m，需進行順纖維方向的搭接。鑒于粘貼CFS的粘結應力主要集中于端部100 mm范圍內，且其粘結破壞呈脆性，加上粘結應力一般不會擴展，故搭接長度不得小于100 mm，且搭接端部應平整、無翹曲。

（5）該項加固為多層粘貼CFS，各層CFS的搭接接口應錯開布置，錯開凈距200 mm以上為宜。

3.2.4 其他

（1）環(huán)氧樹脂材料易揮發(fā)、毒性大，因此施工現(xiàn)場必須通風，避免有害氣體對人體的不良影響，同時要嚴格注意防火和勞動保護，操作人員必須戴口罩和橡皮手套。

（2）考慮到汽車行駛荷載引起的振動對粘貼強度的影響，施工時，為使CFS與環(huán)氧樹脂緊密結合，如條件允許，最好在施工及養(yǎng)生過程中加強交通管制，剛施工的部位禁止車輛通行。

（3）施工過程及施工完畢后，不容許將用過的器具，以及殘液等隨便拋棄或投入河中，以防止水質污染和發(fā)生中毒事故。

4 結語

該橋維修加固于2007年4月進行，由于交通制約，加固時沒有中斷交通；加固施工完成后全數(shù)檢查CFS，粘貼質量達到設計及規(guī)范要求。行車至今復查，發(fā)現(xiàn)CFS與梁底表面粘結良好，有效封閉梁底裂縫、成功防水，加固效果明顯。

[1]CECS 146：2003，碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程[S].

[2]付麗琴.碳纖維技術在橋梁加固中的應用[J].河北建筑工程學院學報，2006，（6）.

[3]王雷，曾德榮，等.碳纖維加固鋼筋混凝土梁撓度的一種計算方法[J].現(xiàn)代交通技術，2005，（5）.

[4]盧玉華，劉娟.CFRP加固鋼筋混凝土簡支梁橋的設計計算 [J].山東科技大學學報，2006，（6）.