朱庆飞
(科达集团股份有限公司,山东东营 257091)
碳纤维加固工艺在桥梁工程中的应用
朱庆飞
(科达集团股份有限公司,山东东营 257091)
本文通过分析碳纤维加固工艺应用实践中产生的各种现象,找出在桥梁施工过程中存在的规律性,以便充分发挥这种工艺的优点,克服存在的缺点,使碳纤维加固技术在桥梁施工过程中不断得到完善和发展。
桥梁加固 措施 分析 验收 检验
1 加固原理概述
碳素纤维是在几千高温下制造出的一种高科技产品,碳素纤维加固技术是将碳纤维布(板)用高性能黏结材料粘贴于结构表面,通过其与结构共同工作,利用碳纤维良好的抗拉性能增强结构承载力,改善结构受力状况,实现补强加固的施工工艺。国际上关于碳纤维应用于混凝土结构加固的研究开展得较为广泛,进入九十年代中期,这些研究成果已开始大量用于实际工程中。碳纤维材料的特点是具有强度高,施工方便迅速,施工空间无限制,抗酸碱,耐腐蚀等。它具有比钢材高出十多倍的抗拉强度和相当于钢材的弹性模量的。受弯加固时,纤维方向应与加固的受力方向一致;受剪加固、抗震加固时,纤维方向宜与构件轴向垂直;受弯加固和受剪加固时,混凝土强度等级应不低于C15;采用封闭粘结碳纤维加固混凝土柱时,混凝土强度等级应不低于C10;碳纤维加固的效果主要取决于纤维的粘贴工艺。它是一种具有较高技术含量的、全新的建筑结构加固方法。加固后的结构具有抗拉强度高、刚度大,抗疲劳性和减振性好,可适应不同构件形状,成型方便,自重轻、不增加荷载及断面尺寸,有良好的耐化学腐蚀性,施工简便等优点。
2 某桥梁洞口施工以及加固工艺分析
2.1 工程概况
某高速公路上面一座立交桥为双喇叭式全互通立交桥,钢筋混凝土简支箱梁,下部结构有圆柱形桥墩,T型墩,设计荷载为汽—超20,挂—120,人群荷载为3.5KN/m3。碳纤维加固施工简便迅速,基本不增加结构重量,能适应各种结构外形的补强,可以多层粘贴,能有效地封闭混凝土裂缝、不影响结构外观,耐久性好等特点,所以本工程采用了碳纤维加固的方法。根据设计要求,需要对局部箱梁梁体进行开口设计,便于进入箱体内维修,针对于此种情况,制定了如下的施工工艺。
2.2 施工工艺及控制要点
(1)碳纤维布加固工艺流程：施工准备→放线定位→混凝土基底处理→刷底层胶→找平→粘贴碳纤维布→养护。
(2)施工需要注意的问题：1)洞口混凝土边缘处理方法。
①将箱梁洞口周边的杂物清理干净。
②对经过剔凿、清理和露筋的混凝土残缺部分,进行修补、复原。
③裂缝修补：可以用环氧树脂在裂缝周围涂刷并进行密封;针对于那些大于0.2mm的裂缝可以用环氧树脂涂缝处理。
④打磨：用混凝土角磨机、砂纸等机具,将基面的凹凸混凝土打磨平整,除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,直至露出结构新面。门洞口转角处进行导角处理,并打磨成圆弧状,圆弧半径不小于20mm。
⑤清洁打磨过的混凝土表面,将表面浮尘清除干净,再用丙酮将需粘贴处清洗干净,并使其充分干燥。
2)刷底层胶：将配好的底胶,用滚筒刷均匀涂于需加固混凝土的表面。
3)找平：用找平胶对洞口周边混凝土表面残缺部位进行修补。表面仍存在的凹凸糙纹,应再用砂纸打磨平整。修复后的混凝土表面尽量平顺。
4)粘贴碳纤维布：本工程采用的是300g/m2碳纤维布。①保证洞口需要粘贴不完干爽。当温度高于5℃,相对湿度RH小于85%时,禁止施工。②碳纤维材料应该保证运输安全、稳定,不能有碰损现象发生。为防止材料在保管过程中损坏,材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。③粘贴树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确,装入容器,用搅拌器搅拌均匀。用刮板将环氧树脂均匀地涂刮在需要粘贴碳纤维布位置,随即把按要求裁剪好的碳纤维布粘贴在需要加固的部位,然后用专用工具(皮辊)沿碳纤维布的受力方向来回滚压,使树脂渗浸进碳纤维中,并挤压出在碳纤维和树脂之间的空气。碳纤维纵向接头搭接长度100mm,横向不需要搭接。
当碳纤维材料干燥后,可以第二道纤维布进行粘贴,方法同上。另外,在洞口需要粘贴三层碳纤维布,洞口端部要用横向布进行加固。等材料干燥后,需要刮涂一层胶,滚压密实,使树脂与布充分接触。待面层环氧树脂触干燥后,表面做一层保护层(防火涂料)
5)空鼓检查：用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面进行检查,对于直径≥30mm的空鼓进行补修。空鼓处理方法：①通过注射器向碳纤维布料总注入碳纤维材料,需要在布料上面开两个孔洞。②用割刀切入碳纤维布2-3刀,用橡胶刮板沾上适量树脂,填进割开的缝内。③补丁修补法。当贴布完全固化后,且无法用割刀切开或注入树脂时,或出现褶皱、松弛时,采用此法割去不良部分,重新粘贴碳纤维布。
(3)质量控制：工程管理人员应该严格检验碳纤维布和胶结材料的质量,检查是否有出产合格检验证明和质量报告,材质要保证具有加固补强的技术能力。碳纤维布无受损,并且按规定裁切。
1)工程计算人员要严把每一道程序的质量关,在工序进行完成后,要检查合格,才能批准进行下一道工序。
2)洞口的底层涂料要涂刷均匀,不能出现没有涂刷现象,涂刷时要保证气温在规范要求范围内;为保证质量,添加了稀释剂的涂料应该在规定时间内用完。
3)混凝土表面残缺修补,确保基底混凝土表面平整。
4)粘贴碳纤维布控制要点：①碳纤维布规格,粘贴位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合规定,特别要注意不能把纤维布横向使用。②气温、空气湿度、构件表面等符合要求。③底层胶达到指触干燥。④黏结胶的类型与施工时的气温适合,主剂和固化剂应按规定的比例称量准确,搅拌均匀,一次调和量应在规定时间内用完。⑤检查空鼓部位,并妥善处理。
2.3 工程验收
(1)碳纤维布和配套用胶检验合格;(2)每道工序检验合格,施工记录完整;(3)有效粘结面积不低于总面积的95%;(4)正拉粘结强度检测合格。
3 材料特点：碳纤维加固所用材料为碳纤维布和胶粘合剂
碳纤维布是用高强度或高弹性模量的连续碳纤维,单向排列成束编织而成的,质量轻且薄,粘贴后每平方米重量不到1.0kg,粘贴一层的厚度仅1.0mm左右,加固修补后基本不增加原结构自重及原构件尺寸。由于碳纤维材料是柔性的,基本可以达到100%的有效粘贴率。施工质量容易保证。
碳纤维材料一般抗拉强度要高于普通钢材,所以要严格控制其质量。但是碳纤维布纤维丝较难共同受力,需要涂加粘结剂。因此粘结剂对碳纤维布加固工艺起着关键的作用,所以在施工前必须选择合适的粘结剂,既要保证碳纤维丝共同工作,又要确保碳纤维布与结构共同工作,才能达到加固的目的。
碳纤维材料不宜直接日晒和雨淋,在运输、储存、裁切和粘贴过程中应防止碳纤维受损,胶结材料应阴凉密闭储存。
碳素纤维不适于软质基层的加固施工、基础凹凸不平表面的施工;不适于加固素混凝土和强度低于C15的钢筋混凝土结构。其加固效果取决于胶和碳纤维布的质量、胶黏剂质量及粘贴方法。
通过对以上碳纤维混凝土加固工程实例的分析,可以看出碳纤维结构加固技术具有适应性强、场地需求小、机器成本低、操作方便及养护时间短等优点;但它不适于强度等级低于C15的钢筋混凝土结构加固施工。因此,在未来混凝土结构加固工程实践中,我们要考虑综合加固方法,充分发挥碳纤维加固的优点,克服存在的缺点,加强过程控制,使加固技术在施工过程中不断得到完善和发展。
[1]《碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构新技术》工业建筑,1998,28(11)：15.
[2]《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003.
[3]《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010.
[4]《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006.
