橋梁工程加固中應用碳纖維的初探
2016-02-29
1.引言
隨著橋梁使用年限的增加及負荷的日趨增大，加上一些橋梁因設計不周、施工缺陷等原因而導致混凝土結構損壞，已不能正常運行，急需進行維修、加固。近幾年，碳纖維加固技術得到了迅速的發(fā)展，這種方法不但有效，而且施工簡便，具有很大的研究和應用價值，因而得到了工程界的日益重視。
2.碳纖維材料特點
碳纖維又稱增強復合材料 （簡稱CFRP），20世紀中晚期的時候，由西方發(fā)達國家聯(lián)合研制成功。當時主要應用于航天行業(yè)中，后來隨著技術的推行，在80年代，利用于土木工程建筑中，經(jīng)過10年的發(fā)展已在90年代的時候成為建筑行業(yè)中的重要建筑材料之一。碳纖維加固最近的國標是《結構加固修復用碳纖維片材》GB/T 20490-2008，08年10月1日起執(zhí)行。碳素纖維作為劃時代的補強材料，而備受青睞和關注。特點：（1）抗拉強度高，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、施工質量易于保證。（5）適用范圍廣，混凝土構件、鋼結構、木結構均可進行加固?？纱蠓忍岣邩嫾某休d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。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結構加固技術。
3.碳纖維加固的工藝過程與具體步驟
3.1工藝過程
工藝原理：將抗拉強度極高的碳纖維用環(huán)氧樹脂預浸成為復合增強材料（單向連續(xù)纖維）；用環(huán)氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，形成一個新的復合體，使增強粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。
工藝流程可以歸納為： 施工準備、砼表面處理、涂刷底膠、構件表面殘缺面修補、粘貼碳纖維、表面養(yǎng)護、找平材料配置、底層或樹脂配制、浸漬樹脂配制。
3.2具體步驟
為了保證其對工程主體的加固和修補作用，主要需要利用相應的技術手段，來實現(xiàn)對碳纖維的加固施工進程的規(guī)范化。下面幾個具體步驟在實際施工進程中應當給予重點關注。
?。?）施工準備工作：熟習施工圖；根據(jù)不同的施工現(xiàn)場和施工要求的分析，對整體施工的用料選擇具有非常重要的現(xiàn)實意義，一樣，使用碳纖維作為工程的加固手段，一樣需要進行相應的前期工作準備。（2）混凝土構件表面處理：利用這類方式對工程主要構件進行加工的時候，應當對施工構件的表面進行一定程度的清潔，對殘留部份和松脫部份，應當保證完全剔除。保證粘貼表面的堅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。需要做相應的防銹處理，只有這樣處理以后，對裂縫進行相應的修補和加固才能夠起到預期的效果；混凝土表面的漿楞、模板縫均須打磨平整；對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，才能夠到達工程的預計強度加固的目標；對加工環(huán)境的溫度和適度的控制一樣非常重要，環(huán)境的特點是對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）配制并涂刷樹脂結構膠：粘貼碳纖維作為加固工具的時候，需要有相應的環(huán)氧樹脂膠作為粘貼材料。環(huán)氧樹脂膠的使用對施工中粘貼碳纖維在建筑構件表面的作用是顯而易見的，現(xiàn)階段主要利用的粘結劑是環(huán)氧樹脂，因此，對該粘接劑的使用技術成為碳纖維技術的實際利用進程中，需要我們給予重點關注的重要方向。實際利用中，通經(jīng)常使用環(huán)氧樹脂作為底層粘接劑，固化劑100：18進行配置。為了保證相應的粘接強度，需要底層粘接劑完全滲透到表面構建的混凝土中。實際操作中表明，粘度上應當重點考核在不構成垂流也保證完全深入的條件下進行調配。（4）粘貼碳纖維布：構件表面經(jīng)過相應的清潔處理以后，再使用調配好的樹脂結構膠，將根據(jù)要求裁剪好的碳纖維布料進行粘接。手工粘貼進程中，應當用手輕輕粘貼于構件表面上，利用專用滾筒來實現(xiàn)氣泡的排除。這1進程應當屢次重復，從而保證樹脂結構膠能夠完全的和碳纖維布料充分的結合。同時，在實際操作中應當注意不要傷及布料表面，多層粘貼以后，屢次重復上述步驟，終究實現(xiàn)對工程構建的粘貼和加固，保證工程整體穩(wěn)定程度。（5）表面防護及碳纖維布表面處理：一般養(yǎng)護時間為1-2周，固然，可以根據(jù)施工環(huán)境的特點適當延長或縮短。根據(jù)當時溫度的不同，來進行操作和檢查，固化樹脂結構以后，應該根據(jù)實際需求在碳纖維表面刷一層防曬漆或防火漆，來保證工程的整體安全性。
4.橋梁工程加固中應用碳纖維的技術要點
4.1碳纖維（片材）加固處理要點
在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按科學的施工工序進行加固施工。主要是：（1）破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。（2）按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.（3）涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。（4）找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。（5）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹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，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。（6）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。（7）必要時進行表面防護及外觀處理。
4.2注意事項
?。?）碳纖維片材選擇注意事項：碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。（2）碳纖維（片材）粘貼注意事項：①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。②按設計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且不應小于100mm.③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.⑤將涂有粘結樹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，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm.⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應對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)境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。⑧施工時應考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4%。⑨樹脂配制時應按產(chǎn)品使用說明規(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。攪拌用容器內不得有油污及雜質。宜根據(jù)現(xiàn)場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。⑩為了保證粘貼的質量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。
5.結語
總之，橋梁維修加固是一項社會工程，對提高橋梁承載能力、行車性能及延長使用壽命，促進公路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。實踐證明，碳纖維是一種加固效果明顯、施工簡便、造價低的橋梁加固技術，能很快恢復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用前景。隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。
