碳纖維加固工藝在橋梁工程中的應用

朱慶飛

(科達集團股份有限公司,山東東營 257091)

碳纖維加固工藝在橋梁工程中的應用

朱慶飛

(科達集團股份有限公司,山東東營 257091)

本文通過分析碳纖維加固工藝應用實踐中產生的各種現象,找出在橋梁施工過程中存在的規律性,以便充分發揮這種工藝的優點,克服存在的缺點,使碳纖維加固技術在橋梁施工過程中不斷得到完善和發展。

橋梁加固 措施 分析 驗收 檢驗

1 加固原理概述

碳素纖維是在幾千高溫下制造出的一種高科技產品,碳素纖維加固技術是將碳纖維布(板)用高性能黏結材料粘貼于結構表面,通過其與結構共同工作,利用碳纖維良好的抗拉性能增強結構承載力,改善結構受力狀況,實現補強加固的施工工藝。國際上關于碳纖維應用于混凝土結構加固的研究開展得較為廣泛,進入九十年代中期,這些研究成果已開始大量用于實際工程中。碳纖維材料的特點是具有強度高,施工方便迅速,施工空間無限制,抗酸堿,耐腐蝕等。它具有比鋼材高出十多倍的抗拉強度和相當于鋼材的彈性模量的。受彎加固時,纖維方向應與加固的受力方向一致;受剪加固、抗震加固時,纖維方向宜與構件軸向垂直;受彎加固和受剪加固時,混凝土強度等級應不低于C15;采用封閉粘結碳纖維加固混凝土柱時,混凝土強度等級應不低于C10;碳纖維加固的效果主要取決于纖維的粘貼工藝。它是一種具有較高技術含量的、全新的建筑結構加固方法。加固后的結構具有抗拉強度高、剛度大,抗疲勞性和減振性好,可適應不同構件形狀,成型方便,自重輕、不增加荷載及斷面尺寸,有良好的耐化學腐蝕性,施工簡便等優點。

2 某橋梁洞口施工以及加固工藝分析

2.1 工程概況

某高速公路上面一座立交橋為雙喇叭式全互通立交橋,鋼筋混凝土簡支箱梁,下部結構有圓柱形橋墩,T型墩,設計荷載為汽—超20,掛—120,人群荷載為3.5KN/m3。碳纖維加固施工簡便迅速,基本不增加結構重量,能適應各種結構外形的補強,可以多層粘貼,能有效地封閉混凝土裂縫、不影響結構外觀,耐久性好等特點,所以本工程采用了碳纖維加固的方法。根據設計要求,需要對局部箱梁梁體進行開口設計,便于進入箱體內維修,針對于此種情況,制定了如下的施工工藝。

2.2 施工工藝及控制要點

(1)碳纖維布加固工藝流程：施工準備→放線定位→混凝土基底處理→刷底層膠→找平→粘貼碳纖維布→養護。

(2)施工需要注意的問題：1)洞口混凝土邊緣處理方法。

①將箱梁洞口周邊的雜物清理干凈。

②對經過剔鑿、清理和露筋的混凝土殘缺部分,進行修補、復原。

③裂縫修補：可以用環氧樹脂在裂縫周圍涂刷并進行密封;針對于那些大于0.2mm的裂縫可以用環氧樹脂涂縫處理。

④打磨：用混凝土角磨機、砂紙等機具,將基面的凹凸混凝土打磨平整,除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質,直至露出結構新面。門洞口轉角處進行導角處理,并打磨成圓弧狀,圓弧半徑不小于20mm。

⑤清潔打磨過的混凝土表面,將表面浮塵清除干凈,再用丙酮將需粘貼處清洗干凈,并使其充分干燥。

2)刷底層膠：將配好的底膠,用滾筒刷均勻涂于需加固混凝土的表面。

3)找平：用找平膠對洞口周邊混凝土表面殘缺部位進行修補。表面仍存在的凹凸糙紋,應再用砂紙打磨平整。修復后的混凝土表面盡量平順。

4)粘貼碳纖維布：本工程采用的是300g/m2碳纖維布。①保證洞口需要粘貼不完干爽。當溫度高于5℃,相對濕度RH小于85%時,禁止施工。②碳纖維材料應該保證運輸安全、穩定,不能有碰損現象發生。為防止材料在保管過程中損壞,材料的裁切數量應按當天的用量裁切為準。③粘貼樹脂的主劑和固化劑應按規定的比例稱量準確,裝入容器,用攪拌器攪拌均勻。用刮板將環氧樹脂均勻地涂刮在需要粘貼碳纖維布位置,隨即把按要求裁剪好的碳纖維布粘貼在需要加固的部位,然后用專用工具(皮輥)沿碳纖維布的受力方向來回滾壓,使樹脂滲浸進碳纖維中,并擠壓出在碳纖維和樹脂之間的空氣。碳纖維縱向接頭搭接長度100mm,橫向不需要搭接。

當碳纖維材料干燥后,可以第二道纖維布進行粘貼,方法同上。另外,在洞口需要粘貼三層碳纖維布,洞口端部要用橫向布進行加固。等材料干燥后,需要刮涂一層膠,滾壓密實,使樹脂與布充分接觸。待面層環氧樹脂觸干燥后,表面做一層保護層(防火涂料)

5)空鼓檢查：用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面進行檢查,對于直徑≥30mm的空鼓進行補修。空鼓處理方法：①通過注射器向碳纖維布料總注入碳纖維材料,需要在布料上面開兩個孔洞。②用割刀切入碳纖維布2-3刀,用橡膠刮板沾上適量樹脂,填進割開的縫內。③補丁修補法。當貼布完全固化后,且無法用割刀切開或注入樹脂時,或出現褶皺、松弛時,采用此法割去不良部分,重新粘貼碳纖維布。

(3)質量控制：工程管理人員應該嚴格檢驗碳纖維布和膠結材料的質量,檢查是否有出產合格檢驗證明和質量報告,材質要保證具有加固補強的技術能力。碳纖維布無受損,并且按規定裁切。

1)工程計算人員要嚴把每一道程序的質量關,在工序進行完成后,要檢查合格,才能批準進行下一道工序。

2)洞口的底層涂料要涂刷均勻,不能出現沒有涂刷現象,涂刷時要保證氣溫在規范要求范圍內;為保證質量,添加了稀釋劑的涂料應該在規定時間內用完。

3)混凝土表面殘缺修補,確保基底混凝土表面平整。

4)粘貼碳纖維布控制要點：①碳纖維布規格,粘貼位置、長度、寬度、纖維方向、層數符合規定,特別要注意不能把纖維布橫向使用。②氣溫、空氣濕度、構件表面等符合要求。③底層膠達到指觸干燥。④黏結膠的類型與施工時的氣溫適合,主劑和固化劑應按規定的比例稱量準確,攪拌均勻,一次調和量應在規定時間內用完。⑤檢查空鼓部位,并妥善處理。

2.3 工程驗收

(1)碳纖維布和配套用膠檢驗合格;(2)每道工序檢驗合格,施工記錄完整;(3)有效粘結面積不低于總面積的95%;(4)正拉粘結強度檢測合格。

3 材料特點：碳纖維加固所用材料為碳纖維布和膠粘合劑

碳纖維布是用高強度或高彈性模量的連續碳纖維,單向排列成束編織而成的,質量輕且薄,粘貼后每平方米重量不到1.0kg,粘貼一層的厚度僅1.0mm左右,加固修補后基本不增加原結構自重及原構件尺寸。由于碳纖維材料是柔性的,基本可以達到100%的有效粘貼率。施工質量容易保證。

碳纖維材料一般抗拉強度要高于普通鋼材,所以要嚴格控制其質量。但是碳纖維布纖維絲較難共同受力,需要涂加粘結劑。因此粘結劑對碳纖維布加固工藝起著關鍵的作用,所以在施工前必須選擇合適的粘結劑,既要保證碳纖維絲共同工作,又要確保碳纖維布與結構共同工作,才能達到加固的目的。

碳纖維材料不宜直接日曬和雨淋,在運輸、儲存、裁切和粘貼過程中應防止碳纖維受損,膠結材料應陰涼密閉儲存。

碳素纖維不適于軟質基層的加固施工、基礎凹凸不平表面的施工;不適于加固素混凝土和強度低于C15的鋼筋混凝土結構。其加固效果取決于膠和碳纖維布的質量、膠黏劑質量及粘貼方法。

通過對以上碳纖維混凝土加固工程實例的分析,可以看出碳纖維結構加固技術具有適應性強、場地需求小、機器成本低、操作方便及養護時間短等優點;但它不適于強度等級低于C15的鋼筋混凝土結構加固施工。因此,在未來混凝土結構加固工程實踐中,我們要考慮綜合加固方法,充分發揮碳纖維加固的優點,克服存在的缺點,加強過程控制,使加固技術在施工過程中不斷得到完善和發展。

[1]《碳纖維材料(CFRP)加固修補混凝土結構新技術》工業建筑,1998,28(11)：15.

[2]《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146：2003.

[3]《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》GB50550-2010.

[4]《混凝土結構加固設計規范》GB50367-2006.