橋梁工程加固中應(yīng)用碳纖維的初探
2016-02-29
1.引言
隨著橋梁使用年限的增加及負(fù)荷的日趨增大，加上一些橋梁因設(shè)計(jì)不周、施工缺陷等原因而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)損壞，已不能正常運(yùn)行，急需進(jìn)行維修、加固。近幾年，碳纖維加固技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，這種方法不但有效，而且施工簡(jiǎn)便，具有很大的研究和應(yīng)用價(jià)值，因而得到了工程界的日益重視。
2.碳纖維材料特點(diǎn)
碳纖維又稱(chēng)增強(qiáng)復(fù)合材料 （簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP），20世紀(jì)中晚期的時(shí)候，由西方發(fā)達(dá)國(guó)家聯(lián)合研制成功。當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于航天行業(yè)中，后來(lái)隨著技術(shù)的推行，在80年代，利用于土木工程建筑中，經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展已在90年代的時(shí)候成為建筑行業(yè)中的重要建筑材料之一。碳纖維加固最近的國(guó)標(biāo)是《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》GB/T 20490-2008，08年10月1日起執(zhí)行。碳素纖維作為劃時(shí)代的補(bǔ)強(qiáng)材料，而備受青睞和關(guān)注。特點(diǎn)：（1）抗拉強(qiáng)度高，是同等截面鋼材的7-10倍。（2）重量輕，密度只有普通鋼材的1/4。（3）耐久性好，可阻抗化學(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境、氣候變化的破壞。（4）施工方便快捷、省力節(jié)時(shí)、施工質(zhì)量易于保證。（5）適用范圍廣，混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)均可進(jìn)行加固?？纱蠓忍岣邩?gòu)件的承載能力、抗震性能和耐久性能。
碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種，目前常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。
3.碳纖維加固的工藝過(guò)程與具體步驟
3.1工藝過(guò)程
工藝原理：將抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維用環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸成為復(fù)合增強(qiáng)材料（單向連續(xù)纖維）；用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上，形成一個(gè)新的復(fù)合體，使增強(qiáng)粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結(jié)構(gòu)的抗裂或抗剪能力，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性和延伸性。
工藝流程可以歸納為： 施工準(zhǔn)備、砼表面處理、涂刷底膠、構(gòu)件表面殘缺面修補(bǔ)、粘貼碳纖維、表面養(yǎng)護(hù)、找平材料配置、底層或樹(shù)脂配制、浸漬樹(shù)脂配制。
3.2具體步驟
為了保證其對(duì)工程主體的加固和修補(bǔ)作用，主要需要利用相應(yīng)的技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維的加固施工進(jìn)程的規(guī)范化。下面幾個(gè)具體步驟在實(shí)際施工進(jìn)程中應(yīng)當(dāng)給予重點(diǎn)關(guān)注。
（1）施工準(zhǔn)備工作：熟習(xí)施工圖；根據(jù)不同的施工現(xiàn)場(chǎng)和施工要求的分析，對(duì)整體施工的用料選擇具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，一樣，使用碳纖維作為工程的加固手段，一樣需要進(jìn)行相應(yīng)的前期工作準(zhǔn)備。（2）混凝土構(gòu)件表面處理：利用這類(lèi)方式對(duì)工程主要構(gòu)件進(jìn)行加工的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)施工構(gòu)件的表面進(jìn)行一定程度的清潔，對(duì)殘留部份和松脫部份，應(yīng)當(dāng)保證完全剔除。保證粘貼表面的堅(jiān)固性是粘貼碳纖維的主要要求；露筋的銹塊等雜物的清算一樣重要。需要做相應(yīng)的防銹處理，只有這樣處理以后，對(duì)裂縫進(jìn)行相應(yīng)的修補(bǔ)和加固才能夠起到預(yù)期的效果；混凝土表面的漿楞、模板縫均須打磨平整；對(duì)混凝土的表面水份控制一樣具有非常重要的作用，只有表面含水量保持在百分之6以下的時(shí)，才能夠到達(dá)工程的預(yù)計(jì)強(qiáng)度加固的目標(biāo)；對(duì)加工環(huán)境的溫度和適度的控制一樣非常重要，環(huán)境的特點(diǎn)是對(duì)粘貼碳纖維工程施工以后的保養(yǎng)工作的主要工作要求。（3）配制并涂刷樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠：粘貼碳纖維作為加固工具的時(shí)候，需要有相應(yīng)的環(huán)氧樹(shù)脂膠作為粘貼材料。環(huán)氧樹(shù)脂膠的使用對(duì)施工中粘貼碳纖維在建筑構(gòu)件表面的作用是顯而易見(jiàn)的，現(xiàn)階段主要利用的粘結(jié)劑是環(huán)氧樹(shù)脂，因此，對(duì)該粘接劑的使用技術(shù)成為碳纖維技術(shù)的實(shí)際利用進(jìn)程中，需要我們給予重點(diǎn)關(guān)注的重要方向。實(shí)際利用中，通經(jīng)常使用環(huán)氧樹(shù)脂作為底層粘接劑，固化劑100：18進(jìn)行配置。為了保證相應(yīng)的粘接強(qiáng)度，需要底層粘接劑完全滲透到表面構(gòu)建的混凝土中。實(shí)際操作中表明，粘度上應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考核在不構(gòu)成垂流也保證完全深入的條件下進(jìn)行調(diào)配。（4）粘貼碳纖維布：構(gòu)件表面經(jīng)過(guò)相應(yīng)的清潔處理以后，再使用調(diào)配好的樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠，將根據(jù)要求裁剪好的碳纖維布料進(jìn)行粘接。手工粘貼進(jìn)程中，應(yīng)當(dāng)用手輕輕粘貼于構(gòu)件表面上，利用專(zhuān)用滾筒來(lái)實(shí)現(xiàn)氣泡的排除。這1進(jìn)程應(yīng)當(dāng)屢次重復(fù)，從而保證樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠能夠完全的和碳纖維布料充分的結(jié)合。同時(shí)，在實(shí)際操作中應(yīng)當(dāng)注意不要傷及布料表面，多層粘貼以后，屢次重復(fù)上述步驟，終究實(shí)現(xiàn)對(duì)工程構(gòu)建的粘貼和加固，保證工程整體穩(wěn)定程度。（5）表面防護(hù)及碳纖維布表面處理：一般養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1-2周，固然，可以根據(jù)施工環(huán)境的特點(diǎn)適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短。根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度的不同，來(lái)進(jìn)行操作和檢查，固化樹(shù)脂結(jié)構(gòu)以后，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求在碳纖維表面刷一層防曬漆或防火漆，來(lái)保證工程的整體安全性。
4.橋梁工程加固中應(yīng)用碳纖維的技術(shù)要點(diǎn)
4.1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，然后按科學(xué)的施工工序進(jìn)行加固施工。主要是：（1）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。（2）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(zhuān)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。（4）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。（5）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。（6）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹(shù)脂。（7）必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。
4.2注意事項(xiàng)
（1）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)：①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線(xiàn)定位。②按設(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.③將碳纖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。④擦拭干凈的碳纖維片材應(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.⑤將涂有粘結(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.⑥需粘貼兩層碳纖維片材時(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。⑦施工宜在5℃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%。⑨樹(shù)脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明規(guī)定的配比稱(chēng)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。
5.結(jié)語(yǔ)
總之，橋梁維修加固是一項(xiàng)社會(huì)工程，對(duì)提高橋梁承載能力、行車(chē)性能及延長(zhǎng)使用壽命，促進(jìn)公路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。實(shí)踐證明，碳纖維是一種加固效果明顯、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低的橋梁加固技術(shù)，能很快恢復(fù)和提高橋梁承載能力，改善其使用性能，在舊橋加固中具有廣泛的應(yīng)用前景。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)。
