淺談碳纖維材料在箱梁裂縫修復中的應用

侯 圓，羅 貴，唐 誠，李 培

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

渝蓉高速公路是連接成都市和重慶市的第三條高速公路，是成都高速骨架網的重要組成部分，比成渝高速公路近90 km，比遂渝-滬蓉高速近40 km，是兩地距離最短、車速最快的高速公路，亦為中國首條低碳高速公路。洛帶互通立交位于成都市龍泉驛區同安鎮，設計為單喇叭互通立交，采用B型喇叭與成環路平交。立交共分為A～E五條匝道，匝道最小平曲線半徑為55 m。上部結構采用現澆預應力混凝土等高連續箱梁，梁高1.6 m；下部結構為矩形柱式墩和板式花瓶形薄壁橋墩；基礎為鉆孔灌注樁，橋臺采用肋板式橋臺。

在該高速公路洛帶互通匝道橋梁檢測時發現D匝道箱梁出現較多裂縫，其中在第一聯邊跨區域出現了超限裂縫。橋梁檢測單位使用裂縫綜合檢測儀對所有裂縫進行了位置、長度、寬度和深度專項檢測，并對出現超限裂縫的D匝道第一聯進行了靜載試驗檢測。

2 缺陷原因分析

2.1 裂縫檢測

經檢測后得到的D匝道第一聯第一跨裂縫見表1。

表1 D匝道第一聯第一跨箱梁裂縫病害情況表

2.2 裂縫分類及產生原因

2.2.1 斜裂縫

箱梁翼緣板產生的斜裂縫一般為腹剪裂縫，主要出現在支座至L/4(L為梁長)范圍內，與頂板大致呈20°～60°角，由頂板與腹板交界處開始向下延伸至1/3～1/2梁高處，方向基本與主拉應力垂直，直接影響到結構的安全和耐久性。

2.2.2 橫向裂縫

橫向裂縫出現在腹板中上部，寬度均小于0.15 mm。產生的原因有以下幾點：(1)與拆模過早有關，混凝土強度不足導致裂縫的產生；(2)混凝土局部振搗不密實，混凝土收縮產生裂縫，多發生在混凝土外觀質量不好的位置；(3)分層澆筑間隔時間過長，分層混凝土連接質量差，導致橫向裂縫的產生。

2.2.3 豎向裂縫

豎向裂縫根據其發展位置不同分為以下幾種：(1)從腹板底部開始發展，向上延伸；(2)從腹板頂部開始發展，向下延伸；(3)裂縫從通氣孔向上下兩側延伸；(4)腹部裂縫與底板裂縫聯通，通過對橋梁施工情況、裂縫的走向和數量、裂縫展開的時間、裂縫的分布位置等進行分析得知：在支架穩定性、冬夏交替中溫度變化、結構恒載和混凝土構件自身幾何形狀等綜合因素作用下使混凝土內部拉應力增加，當拉應力增大到受拉區表面混凝土極限抗拉強度后便出現裂縫，該裂縫屬于非結構性裂縫。

2.2.4 網狀裂縫

網狀裂縫為干縮裂縫。該裂縫多出現在箱梁養護后一段時間或澆筑后一周左右。澆筑完成后的混凝土表面受外界條件影響，水分損失較快，變形較大；而其內部水分損失較慢，溫度變化較小，表面積較大的干縮變形受到混凝土內部約束而產生較大的拉應力導致裂縫的形成，因此，混凝土內相對濕度越低，則水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越容易產生。干縮裂縫多為表面平行狀或網狀，屬于非構造性裂縫。但干縮裂縫的產生會影響混凝土的抗滲性能，導致鋼筋銹蝕，進而影響橋梁的耐久性。

2.3 靜載試驗

選取D匝道橋第一聯進行靜載試驗，試驗結果表明：洛帶互通D匝道橋測試橋跨結構承載能力滿足公路—Ⅰ級的正常使用要求，同時靜載試驗撓度和應力測試結果表明測試跨撓度校驗系數和應力校驗系數較大，接近規范規定的上限值，結構承載能力的安全儲備較小。

3 處置方案

根據橋梁靜載試驗分析可知：雖然橋梁的承載力要求滿足設計規范要求，但由于裂縫的存在，降低了橋梁的耐久性和橋梁的安全儲備。遂對縫寬≥0.15 mm的裂縫進行了灌縫處理，對于縫寬0.15 mm的裂縫采用涂刷樹脂封閉膠封閉，在箱梁腹板和底板設置碳纖維布，粘貼碳纖維布前對超限裂縫粘貼玻璃片，運營期間通過傳感器進行裂縫監測；在D匝道第一跨梁底增加了兩道預應力碳纖維板用以提高橋梁的極限承載能力，抑制裂縫的發展，增加橋梁的安全儲備。碳纖維布和預應力碳纖維板布置情況見圖1和圖2。

圖1 碳纖維布和預應力碳纖維板布置橫斷面圖

圖2 碳纖維布布置縱斷面圖

4 施工過程

4.1 裂縫封閉和灌漿

對于縫寬0.15 mm的裂縫由人工將裂縫區的混凝土刷毛，用水沖洗干凈、待表面干燥后用環氧修補砂漿騎縫涂刷三遍。

對于縫寬≧0.15 mm的裂縫由人工打磨混凝土底面，清洗表面的浮塵，混凝土表面干燥后安裝進漿孔和排氣孔，進漿孔和排氣孔底座固化后用環氧漿液封閉其余裂縫。封閉膠固化后檢查其密封性，密封合格后使用恒壓灌注器灌注裂縫修補膠，當進膠率小于0.1 L/min時灌注5 min后停止壓膠。

4.2 碳纖維布施工

清除梁體表面的劣化混凝土，用修復材料修復平整；然后對裂縫進行灌漿和封閉處理；將混凝土表面打磨平整，除去浮漿、油污等雜質。轉角粘貼處進行倒角處理并將其打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20 mm。配置底膠層涂刷在混凝土表面并找平，待底膠層表面干燥后打磨光順，配置浸漬膠在混凝土表面涂抹均勻后粘貼碳纖維布，碳纖維布表層噴涂水泥膠砂，養護7 d后施工預應力碳纖維板。

4.3 預應力碳纖維板施工

4.3.1 放線定位及種植螺栓

對碳纖維板和錨具位置進行精確定位和放線，按布置要求在相應位置鉆孔，鉆孔位置應避開梁底預應力束、鋼筋及裂縫，鉆孔深度為12.5 cm，種植8.8級化學錨栓。人工鑿除楔形塊位置混凝土并打磨平整，安裝張拉端限位框和固定端支座在蝸桿機構上，將錨塊放于張拉端限位框內，保持兩端中心線一致，確保錨塊能在張拉端限位框內自由滑動。

4.3.2 表面處理

在碳纖維板粘貼處用角磨機打磨混凝土表面，粘貼面要求平整且無粉塵。

4.3.3 張拉碳纖維板

張拉前用丙酮將碳纖維板接觸混凝土構件的表面擦洗干凈，在碳纖維板上涂抹2～3 mm厚粘接膠，在張拉端安裝碳纖維板，然后在固定端安裝碳纖維板和轉向板，固定端安裝時剎緊夾片，碳纖維板中心最大垂度不得大于20 cm。張拉機具使用成套的專用碳纖維板張拉設備，在張拉端安裝φ20高強螺桿、螺母、千斤頂，確保千斤頂受力中心與兩高強螺桿受力后的合力中心線一致，并與碳纖維板中心重合，行程為300 mm。

張拉時，先給碳纖維板施加10%σcon的應力，使碳纖維板繃直，然后再將力歸零。記錄張拉端夾具的位置并再次檢查各部件的位置，再以25%σcon、50%σcon和75%σcon應力給碳纖維板施加預應力，每一級張拉結束后用扳手擰緊螺帽，每一級之間持荷5 min，記錄張拉端夾具的位置，比較實測值與計算值之間的偏差，將預應力施加到100%σcon時計算最終碳纖維板張拉伸長值，并持荷5 min。

張拉結束后，用錨具固定住張拉高強螺桿，逐級緩慢地卸除千斤頂。

4.3.4 粘貼預應力碳纖維板

當張拉至設計預應力時，箱梁底的粘貼表面和碳纖維的粘貼表面緊密結合在一起，用特制的輥子沿纖維方向滾壓除去碳纖維板下面的氣泡，對樹脂未充滿的空隙用注射器注入環氧樹脂。

4.3.5 養 護

壓漿填補錨具四周的縫隙，并在碳纖維板表面涂抹紫外線防護膠粘劑，防護膠粘劑的顏色與混凝土表面顏色接近。

5 結 語

現澆箱梁裂縫的發生與支架的穩定性、混凝土的原材質量、施工過程、自然環境和后期養護有著密切的關聯。一般裂縫通過封閉處理可使鋼筋與外部環境隔絕，避免銹蝕。超限裂縫通過注膠和碳纖維布封閉處理，在梁底設置預應力碳纖維板，通過施加體外預應力進行加固補強能夠抑制裂縫的發展，提高橋梁的耐久性和極限承載能力，增加橋梁的安全儲備。