橋梁碳纖維加固技術(shù)若干理論分析
2015-06-30
自上世紀(jì)七十年代末初期，歐洲進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用研究以來(lái)，具有極好的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程，形成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)的粘貼碳纖維板技術(shù)在加固中具有不中斷交通，且工期短，人工少的優(yōu)點(diǎn)。所以擴(kuò)展該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展了配有大偏心CFRP體外束預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋體系應(yīng)用研究，是本世紀(jì)新型橋梁建設(shè)方向之一。
一、碳纖維材料的基本特性
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹(shù)脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹(shù)脂或浸漬樹(shù)脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹(shù)脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。
1、碳纖維片材。
片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長(zhǎng)率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說(shuō)明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
2、配套樹(shù)脂類粘結(jié)材料。
混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹(shù)脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過(guò)混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹(shù)脂或粘結(jié)樹(shù)脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹(shù)脂或粘貼樹(shù)脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹(shù)脂同混凝土的粘貼強(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。
就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹(shù)脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因?yàn)檫@涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時(shí)間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹(shù)脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時(shí)，粘貼環(huán)氧樹(shù)脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上，但粘貼后就可以使用的時(shí)間為45分鐘以上，專配的環(huán)氧樹(shù)脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
二、碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝
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。
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、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。
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。
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。
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。
三、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.
?。?）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。
（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。
?。?）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹(shù)脂。
四、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。可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)部位重疊粘貼。
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?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)。
