如何運(yùn)用碳纖維進(jìn)行橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)
2010-11-18
1.前言
中國(guó)橋梁工程的發(fā)展已具有相當(dāng)規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車(chē)密度及車(chē)輛載重越來(lái)越大，公路橋梁負(fù)荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國(guó)2O世紀(jì)8O年代以前修建的，因其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問(wèn)題。而2O世紀(jì)8O年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)出現(xiàn)耐久性能?chē)?yán)重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)募庸毯透脑旒夹g(shù)措施，恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，以適應(yīng)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)男枰兊檬制惹小?br />
2.碳纖維材料特性
碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過(guò)一定的制作工藝與特定的樹(shù)脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時(shí)，將大量的碳纖維長(zhǎng)絲沿一個(gè)主方向均勻平鋪，用極少的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000Mpa，彈性模量大于2.1×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想最大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢(shì)，適宜將C（RP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應(yīng)力，約束裂縫的開(kāi)展。
3.碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝
3.1根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理
a）將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；
b）裂縫修補(bǔ)?？p寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌縫；
c）將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
d）清洗打磨過(guò)的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。
3.2底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）
a）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)；
b）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
C）底層涂料固化后，表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光；
d）注意在氣溫小于5C，相對(duì)濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結(jié)露可能而無(wú)可靠保證措施時(shí)，均不得施工。
3.3環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)
a）構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇剑迯?fù)至表面平整；
b）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)使之平順。
3.4貼碳纖維片
a）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過(guò)程中，嚴(yán)禁受彎折。貼片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷纖維片，每段長(zhǎng)度一般不超過(guò)6rn；。
b）碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；
c）按規(guī)定比例摻配樹(shù)脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹(shù)脂，稱為下涂；
d）貼片時(shí)，在碳纖維片和樹(shù)脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對(duì)此滾壓，使樹(shù)脂滲入碳纖維中。
3.5養(yǎng)護(hù)
粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。
3.6涂裝
根據(jù)需要可在樹(shù)脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
4.碳纖維（片材）加固處理要點(diǎn)
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對(duì)梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。
?。?）破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。
?。?）按設(shè)計(jì)要求對(duì)破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無(wú)粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時(shí)，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.
（3）涂刷底層樹(shù)脂：用專用滾筒刷將底層樹(shù)脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹(shù)脂表面指觸干燥時(shí)即進(jìn)行下一道工序施工。
?。?）找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。
?。?）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹(shù)脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹(shù)脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過(guò)60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。
?。?）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹(shù)脂。
?。?）必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。
5.注意事項(xiàng)
?。?）碳纖維片材選擇注意事項(xiàng)
碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來(lái)。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。
（2）碳纖維（片材）粘貼注意事項(xiàng)
?、僭诒砻嫣幚砗驼迟N碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。
?、诎丛O(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.
?、蹖⑻祭w維片材表面擦拭干凈至無(wú)粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。
?、懿潦酶蓛舻奶祭w維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹(shù)脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.
?、輰⑼坑姓辰Y(jié)樹(shù)脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹(shù)脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無(wú)空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時(shí)，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.
?、扌枵迟N兩層碳纖維片材時(shí)，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開(kāi)始前應(yīng)對(duì)底層碳纖維片材重新做好清潔工作。
?、呤┕ひ嗽?℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹(shù)脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹(shù)脂或采用升溫處理措施。
⑧施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹(shù)脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。
?、針?shù)脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度決定樹(shù)脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。
⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號(hào)的粘貼樹(shù)脂，這樣才能對(duì)樹(shù)脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制。
6.對(duì)碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望
碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點(diǎn)：
a）施工簡(jiǎn)便迅速，無(wú)需模板、夾具、支撐等；
b）不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設(shè)計(jì)厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹(shù)脂的重量也很輕，對(duì)結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計(jì)；
c）能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；d）可以多層粘貼?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)部位重疊粘貼。
7.結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車(chē)?yán)锍桃苍诓粩嘣鲩L(zhǎng)，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強(qiáng)度降低或需要提高抗震能力和修補(bǔ)橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。
