碳纖維板在大沽河樞紐交通橋加固中的應(yīng)用

摘要 隨著使用年限的增加，水利樞紐交通橋逐漸出現(xiàn)混凝土脫落、露筋腐蝕、碳化等問(wèn)題。碳纖維板加固技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)加固技術(shù)，具有高效率、高強(qiáng)度、輕量化和環(huán)保的特點(diǎn)，近年來(lái)在房屋、橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章結(jié)合水利樞紐交通橋加固工程實(shí)例，重點(diǎn)介紹了碳纖維板加固技術(shù)和施工工藝，包括裂縫維修、橋梁板碳纖維板加固和蓋梁加固等內(nèi)容。通過(guò)碳纖維板加固處理，有效提高了水利樞紐交通橋抗彎、抗剪能力性能，消除了安全隱患問(wèn)題，保障了調(diào)水工程安全運(yùn)行，可為同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞 碳纖維板；水利樞紐；維修加固；裂縫處理

中圖分類號(hào) U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）15-0138-03

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)加固方法有增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包型鋼加固法、黏貼鋼板加固法。碳纖維是一種輕質(zhì)、耐腐蝕、薄板的新型建筑材料，由于具有高的拉伸性能[1]，黏貼碳纖維復(fù)合材料加固法相比傳統(tǒng)加固方法，加固效果高強(qiáng)高效，施工更便捷[2]。因此，碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)近年來(lái)在房建、橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。而針對(duì)水利水電加固工程中的防水、防腐蝕及構(gòu)件不規(guī)則等特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料則更具有適用性[5]。該文結(jié)合引黃濟(jì)青大沽河樞紐交通橋維修加固工程，詳細(xì)介紹了碳纖維板加固水利樞紐交通橋的設(shè)計(jì)和施工工藝。

1 工程概況

該工程大沽河漫水橋?yàn)橐S濟(jì)青工程管理的交通橋。橋梁全長(zhǎng)200 m，全寬4.5 m，橋面橫向布置為0.25 m（鋼護(hù)欄）+4 m（行車道）+0.25 m（鋼護(hù)欄）。上部結(jié)構(gòu)型式為20×10 m 的裝配式鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板梁，橫向布設(shè)5 片梁；下部結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土雙柱接蓋梁，基礎(chǔ)為雙孔箱涵。橋面鋪裝為10 cm 鋼筋混凝土，無(wú)支座。該橋于1989 年建成，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-10 級(jí)。

2021 年5 月，引黃濟(jì)青大沽河樞紐工程安全鑒定時(shí)，對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，交通橋主體結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生過(guò)斷裂、位移、傾斜等現(xiàn)象，但部分橋板、蓋梁、橋柱混凝土脫落、露筋腐蝕、碳化嚴(yán)重，蓋梁普遍邊角破損剝落。根據(jù)《引黃濟(jì)青大沽河樞紐工程安全檢測(cè)報(bào)告》及現(xiàn)場(chǎng)查勘匯總交通橋主要病害分析如下：①上部結(jié)構(gòu)主要病害為板底局部銹脹露筋。②下部結(jié)構(gòu)主要病害為蓋梁局部破損、鋼筋銹蝕，橋墩局部破損、鋼筋銹蝕。③橋面系主要病害為橋面鋪裝無(wú)明顯病害。④橋柱、蓋梁、橋板混凝土保護(hù)層厚度滿足規(guī)范要求，但抗壓強(qiáng)度、碳化程度、鋼筋銹蝕程度和外觀質(zhì)量均不滿足規(guī)范要求。交通橋局部病害如圖1 所示。

由檢測(cè)結(jié)果可知，引黃濟(jì)青大沽河樞紐交通橋主要病害為鋼筋銹脹、混凝土破損。銹脹漏筋的產(chǎn)生很大程度上是因施工質(zhì)量差所引起，如灌筑時(shí)鋼筋保護(hù)層墊塊發(fā)生位移，鋼筋緊貼模板，保護(hù)層處振搗不實(shí)或漏振等，在潮濕環(huán)境中導(dǎo)致鋼筋銹脹、混凝土破損露筋。設(shè)計(jì)單位進(jìn)行安全復(fù)核時(shí)，橋板的正截面抗彎承載能力不滿足原規(guī)范設(shè)計(jì)荷載要求，斜截面抗剪承載能力滿足原規(guī)范設(shè)計(jì)荷載要求。為提升交通橋現(xiàn)狀整體承載能力，滿足原設(shè)計(jì)荷載作用下交通橋的通行要求，需對(duì)交通橋進(jìn)行維修加固。

2 碳纖維板加固設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)裂縫維修

在加固前處理破碎和開(kāi)裂的混凝土。梁板及墩臺(tái)大于0.1 mm 的裂縫采用丙乳砂漿壓力灌漿。其他小于等于0.1 mm 的裂縫采用水泥基滲透性結(jié)晶防水涂料密封。采用丙乳砂漿對(duì)損傷和外露鋼筋進(jìn)行修復(fù)。

2.2 梁板加固

為了加固橋梁，采用梁底部黏貼碳纖維板的方式。先黏貼縱向碳纖維板，再黏貼橫向碳纖維板。每跨梁底縱向均布黏貼25 條長(zhǎng)度為9 m、寬度為100 mm、厚度為2 mm 的碳纖維板，每跨梁底橫向均布黏貼28 條長(zhǎng)度為5 m、寬度為100 mm、厚度為2 mm 的碳纖維板。整座橋黏貼縱向碳纖維板500 條、橫向碳纖維板560 條。碳纖維板黏貼前，需對(duì)混凝土破損、裂縫、鋼筋銹蝕等病害進(jìn)行處理。

2.3 碳纖維板加固前后承載力驗(yàn)算

加固前后承載力驗(yàn)算結(jié)果如表1 所示。經(jīng)校核計(jì)算，當(dāng)前梁、板的抗彎承載力不符合橋梁原設(shè)計(jì)要求，橋梁加固后，梁、板的抗彎、抗剪承載力均滿足要求，梁、板的抗彎承載力比加固前提高50% 以上。結(jié)果表明，加固后梁、板的抗彎承載力有較大提高。

2.4 碳纖維板

碳纖維板性能指標(biāo)如表2 所示。碳纖維材料應(yīng)選用不超過(guò)12 K（1 K=1 000）的小股聚丙烯腈（PAN 基纖維），不得選用大股纖維。碳纖維浸漬黏貼用黏合劑的安全性能指標(biāo)應(yīng)滿足表3 的要求。

3 碳纖維板加固施工工藝

3.1 裂縫維修

3.1.1 壓力注漿灌縫

（1）灌注前，對(duì)混凝土的松散結(jié)構(gòu)進(jìn)行刷除，將裂縫鑿出V 形槽，用鋼絲刷和壓縮空氣清除槽內(nèi)的浮塵，然后用丙酮將表面擦干。

（2）騎縫設(shè)置灌漿噴嘴。布置在大裂縫與裂縫相交處，間距為20～40 cm；兩側(cè)灌漿時(shí)，灌漿嘴應(yīng)錯(cuò)縫分布。灌漿嘴可用環(huán)氧樹(shù)脂膠或502 膠黏接，灌漿口附近用丙基砂漿密封。

（3）用丙基乳液砂漿填滿v 型槽，在其上黏上一層玻璃布，在布上蓋上一層環(huán)氧樹(shù)脂膠罩。接縫密封工作要注意防止漏漿。

（4）密封接縫干燥牢固后，在周圍刷肥皂水，然后用壓縮空氣充入裂縫，檢查是否有漏氣。氣體試驗(yàn)壓力比注漿壓力大0.1～0.2 MPa，對(duì)漏氣部分進(jìn)行填充密封。

（5）自上而下，由一端向另一端連續(xù)灌注，注漿壓力一般控制在0.5～0.6 MPa。

3.1.2 水泥基滲透潔凈型防水涂料封閉裂縫

（1）用鋼絲刷沿裂縫清潔寬度在5 cm 左右范圍內(nèi)的混凝土表面，并仔細(xì)清除水泥浮渣、苔蘚、灰塵。混凝土表面質(zhì)量較差、裂縫兩側(cè)有較細(xì)微的裂縫的部位，清潔范圍增加至寬8～10 cm 左右。

（2）用錘子和鋼纖去除裂縫兩側(cè)松動(dòng)的混凝土塊和沙粒，露出堅(jiān)實(shí)的混凝土表面。

（3）清理混凝土表面的油污和灰塵。

（4）根據(jù)密封膠的配合比配置密封膠。

（5）用毛刷在一側(cè)涂?jī)纱蚊芊饽z。在保證質(zhì)量的前提下，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整膠水的配合比，或在修補(bǔ)膠中加入少量白水泥（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況），使外表面基本與混凝土顏色一致，達(dá)到美觀效果。

3.2 碳纖維板黏貼

3.2.1 混凝土表面處理

（1）黏貼現(xiàn)場(chǎng)按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行精確放樣定位，碳纖維板中心線應(yīng)與橋梁板中心線平行。

（2）用角磨機(jī)清除所有污垢，清理產(chǎn)生的雜物，確保混凝土和碳纖維板黏貼表面光滑、清潔。橋梁板下的打磨找平如圖2 所示。

（3）修復(fù)缺陷的混凝土表面損傷和鋼鐵銹蝕，表面鑿出混凝土新鮮的界面，裸露的鋼筋除銹后，刷鋼筋保護(hù)劑，然后用丙乳砂漿修復(fù)和抹平；鋼筋嚴(yán)重生銹的區(qū)域，將原本松散和破碎的混凝土鑿除至堅(jiān)硬致密界面，對(duì)嚴(yán)重生銹的鋼筋進(jìn)行除銹，之后涂上鋼筋防銹劑。

（4）處理后用丙酮去除附著在混凝土表面的浮渣、灰塵等雜物，保持基面清潔干燥，便于后續(xù)碳纖維板黏貼操作。

（5）用2 m 直邊尺檢測(cè)處理面水平方向差異，保證表面平整。

3.2.2 黏貼碳纖維板

（1）黏合劑采用碳纖維浸漬和黏合劑進(jìn)行黏貼。

（2）按相關(guān)要求配置黏合劑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定用量，嚴(yán)格控制使用時(shí)間，配置好的黏合劑應(yīng)滿足表3要求的性能指標(biāo)。

（3）用刮板在處理后的混凝土表面涂上兩層薄薄的黏合劑，保持各處涂刷均勻，并保證涂刷范圍不小于所黏貼碳纖維板的尺寸。

（4）去除碳纖維板黏接表面的保護(hù)膜，將板表面擦拭干凈；在板材上涂1～2 mm 厚的黏合劑（板材中心區(qū)域?yàn)? mm），呈突起狀，平均厚度不小于2 mm。

（5）底部碳纖維板按先縱向、后橫向的先后順序黏貼。將板材置于混凝土表面，用滾筒均勻施加足夠的壓力，使膠黏劑從兩側(cè)溢出，保證黏貼面無(wú)空隙。施工操作時(shí)，板材與混凝土表面之間的黏貼厚度必須大于等于2 mm。

（6）多條碳纖維板平行黏貼時(shí)，兩板之間的縫隙大于等于5 mm。

（7）最后除去多余的黏合劑，清潔邊緣。碳纖維板黏貼如圖3 所示。

4 優(yōu)化措施

4.1 碳纖維板的表面防護(hù)和整飾

用環(huán)氧基防火材料或防火漆等涂刷碳纖維板表面，可以對(duì)碳纖維版起到保護(hù)作用[6-7]。碳纖維板黏貼完成且通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)后，可對(duì)其進(jìn)行涂裝保護(hù)。一方面有效防護(hù)碳纖維板，另一方面起到裝飾作用，提升表觀質(zhì)量。碳纖維板加固后的保護(hù)層可采用以下幾種方式：①涂覆式保護(hù)層。在碳纖維板表面涂覆一層涂層，增強(qiáng)碳纖維板的耐磨性和耐腐蝕性，如環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等。②膜式保護(hù)層。在碳纖維板表面附著的透明聚酯膜或聚氨酯膜，保護(hù)碳纖維板不受外界環(huán)境的侵蝕。③涂刷式保護(hù)層。在碳纖維板表面涂上保護(hù)涂層，形成保護(hù)膜，保護(hù)碳纖維板不受外界環(huán)境的侵蝕。④熔融式保護(hù)層。將聚丙烯等熔融材料加熱至熔融后涂覆在碳纖維板表面，形成保護(hù)膜，保護(hù)碳纖維板不受外界環(huán)境的侵蝕。

4.2 碳纖維布加固橋梁板

碳纖維土布是一種各向異性的非彈塑性材料，具有良好的耐拉伸性，用于交通橋結(jié)構(gòu)加固中能夠較好地與各構(gòu)件形成整體[8]。交通橋側(cè)面呈半圓弧形狀，考慮到碳纖維材質(zhì)特殊，加工成碳纖維板后不耐彎折、易斷裂的原因，在橋梁板側(cè)面采用碳纖維布結(jié)合碳纖維板的方法進(jìn)行加固。經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核，采用黏貼兩層碳纖維布代替碳纖維板，可以保證加固后橋梁板強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；在碳纖維布與碳纖維板搭接處，搭接黏貼長(zhǎng)度不小于50 cm，可以保證碳纖維布與碳纖維板連接處強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

引黃濟(jì)青大沽河樞紐交通橋碳纖維板加固后，梁板抗彎承載力大幅提升，消除了梁體破損、裂縫等病害，消除了安全隱患，滿足了原設(shè)計(jì)荷載作用下交通橋的通行要求。目前引黃濟(jì)青大沽河樞紐交通橋已恢復(fù)交通通行，整體運(yùn)行效果良好。該文介紹的碳纖維板加固方法，可為同類施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

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