葉雄
【摘要】本文首先對(duì)碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)作一些簡(jiǎn)介,然后結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用談一些看法。
【關(guān)鍵詞】碳纖維材料 橋梁 加固 應(yīng)用
碳纖維質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化,有著優(yōu)異的力學(xué)性能。用其加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單便捷,在橋梁維修加固中得到廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用談一些看法。
一、碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介
1、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)。
2、碳纖維材料加固的原理
用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍;但是,碳纖維材料織成碳纖維布后,其中的各碳纖維絲很難完全共同工作,在承受較低的荷載時(shí),一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài),以此類推,各碳纖維絲逐漸斷裂,直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后,各碳纖維絲能很好地共同工作,大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度,故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作,因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用,它既要確保各碳纖維絲共同工作,同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作,從而達(dá)到加固的目的。
3、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性
(1)優(yōu)異的力學(xué)性能,可有效用于多種形式的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風(fēng),控制裂縫及撓度的擴(kuò)展。
(2)優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。碳纖維布具有極強(qiáng)的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應(yīng)氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此,可大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。
(3)材料本身質(zhì)輕高強(qiáng)??梢圆辉黾咏Y(jié)構(gòu)體積和不改變結(jié)構(gòu)外型。增加的結(jié)構(gòu)重量可以忽略,便于用所需要的色彩涂裝,而不留補(bǔ)強(qiáng)痕跡。
二、在橋梁加固工程的應(yīng)用
1、工程概況
某公路橋梁為一座東西走向的三跨普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板梁橋,跨徑組合10m+10m+10m,為正交橋梁。該橋梁于上世紀(jì)90年代拓寬改建,中幅為老橋,南、北兩幅為拓寬新橋。由車流量較大,且通過(guò)該橋的超載車輛較多,導(dǎo)致橋梁的主要病害為橋面鋪裝縱、橫向裂縫,混凝土破損、露筋嚴(yán)重,局部修補(bǔ)后又出現(xiàn)破損、露筋。已有單梁受力傾向,威脅橋梁運(yùn)營(yíng)安全,因此對(duì)本橋梁采用碳纖維加固技術(shù)對(duì)橋梁的板梁進(jìn)行加固。
2、施工技術(shù)要點(diǎn)
(1)加固材料性能。加固材料的選擇需滿足規(guī)范對(duì)材料強(qiáng)度的基本要求,并且應(yīng)有較好的強(qiáng)度儲(chǔ)備,并能滿足耐久性等要求。具體主要包括以下要求:
①材料強(qiáng)度高:抗拉強(qiáng)度≥3400N/mm2,安全儲(chǔ)備充足。
②材料延伸率高:高于1.5%,材料韌性好。
③耐久性好:配套樹(shù)脂應(yīng)經(jīng)過(guò)《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗(yàn)方法》GB/T14522-93規(guī)定環(huán)境條件的2000h加速老化試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)中要求。
(2)基層表面處理及修復(fù)。
①根據(jù)不同情況對(duì)缺陷處進(jìn)行修復(fù)和處理:裂縫寬度>0.2mm時(shí),應(yīng)采用壓力灌注、封閉處理;對(duì)松動(dòng)的混凝土表面則將浮層鑿去;裸露鋼筋進(jìn)行除銹處理,再用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。
②要求清除表面的浮漿、油污、木屑等所有雜質(zhì),除去表面2-3mm厚的砂漿層,直至露出堅(jiān)實(shí)的骨料。表面層打磨后應(yīng)用強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)或吸塵器將表面灰塵徹底清除。
(3)材料準(zhǔn)備。
①現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)圖紙下料,對(duì)加固碳纖維布的規(guī)格、長(zhǎng)度、寬度、厚度進(jìn)行核查。應(yīng)注意布的兩端是否寬度一致。
②施工前應(yīng)檢查所用粘結(jié)劑是否與提供的材料產(chǎn)品說(shuō)明書相符,使用材料是否過(guò)期。
③粘結(jié)劑的攪拌應(yīng)按產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的配比,A組分:B組分=3:1,采用天平稱量并置于容器中,用攪拌器攪拌至色澤均勻。
④粘結(jié)劑攪拌時(shí),應(yīng)嚴(yán)格防止異物落入粘結(jié)劑內(nèi),應(yīng)遠(yuǎn)離正在進(jìn)行混凝土基層打磨現(xiàn)場(chǎng)或采取嚴(yán)密防塵措施避免灰塵落入,粘結(jié)劑內(nèi)不得添加其它溶劑。
(4)找平處理。
①應(yīng)對(duì)混凝土表面凹陷部分用找平材料填補(bǔ)平整,避免棱角。
②宜在找平材料表面指觸干燥后,盡快進(jìn)行下一工序施工。
(5)粘貼碳纖維片材。
①攪拌充分的粘結(jié)劑應(yīng)均勻涂刷到混凝土基層表面。
②粘貼前,再次按設(shè)計(jì)圖要求對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行定位確認(rèn),注意碳纖維的搭接要求,必要時(shí)放線。
③將碳纖維布用手輕壓于需粘貼的位置,采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓,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。粘貼碳纖維布涂刷浸漬樹(shù)脂擠出氣泡。
④多層粘貼時(shí),應(yīng)在下層粘結(jié)劑達(dá)到指觸干燥時(shí)及時(shí)進(jìn)行上一層的粘貼。如間隔超過(guò)60分鐘,則需等待12小時(shí)后,才可粘貼下一層。
⑤粘結(jié)劑的固化,一般在常溫下即可。對(duì)于粘貼好的碳纖維布在24小時(shí)內(nèi),嚴(yán)禁擾動(dòng)。
(6)檢查驗(yàn)收。施工結(jié)束后驗(yàn)收時(shí),以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘接質(zhì)量為主,用小錘等工具輕敲擊碳纖維布表面,以回聲來(lái)判斷粘接效果,若出現(xiàn)空鼓等粘帖不實(shí)現(xiàn)象,用針管注膠進(jìn)行補(bǔ)救。
3、施工應(yīng)注意的問(wèn)題
(1)施工中周圍溫度必須高于結(jié)露點(diǎn)3℃以上,否則需要用紅外線等加熱施工面。
(2)在粘貼碳纖維布之前,必須對(duì)混凝土表面的劣化層予以清除,并用吹風(fēng)機(jī)吹凈,露出干凈、堅(jiān)實(shí)的基面;對(duì)出現(xiàn)急劇凹陷或構(gòu)件缺損的部位,應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿等材料填補(bǔ)修復(fù)平整或圓滑順暢過(guò)渡。
(3)對(duì)混凝土表面尖銳凸起部位,應(yīng)用混凝土磨片角磨機(jī)磨平,并進(jìn)行倒角處理,打磨至圓滑(R≥30mm)。
(4)底層樹(shù)脂用量必須根據(jù)碳布面積計(jì)算,應(yīng)保證用膠量>1.2kg/m2,確保在適用期內(nèi)一次用完,不允許使用時(shí)間拌和較長(zhǎng)的材料。
(5)攪拌需采用低速電鉆(最大500rpm轉(zhuǎn)/分),攪拌時(shí)間需達(dá)到3分鐘,直至所有顏色條帶消失,隨后將這個(gè)混合物倒入一干凈容器中,再次低速攪拌約1分鐘。
(6)在打磨底層樹(shù)脂時(shí),注意不能把底層樹(shù)脂層打磨穿,如有此種情況發(fā)生,必須重新進(jìn)行清理、涂底層樹(shù)脂。
(7)嚴(yán)格控制粘結(jié)膠涂布面應(yīng)不小于所粘貼的碳纖維布大小。
(8)按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布,注意不要在幅寬方向進(jìn)行裁剪。
(9)在粘貼時(shí),用膠輥在碳纖維布上沿碳纖維布方向施加壓力并反復(fù)碾壓,使樹(shù)脂膠液充分浸漬粘貼碳纖維布,消除氣泡和除去多余樹(shù)脂,使碳纖維布和底層充分粘接。
(10)粘貼施工結(jié)束后,等待粘結(jié)膠固化,應(yīng)再次對(duì)所貼碳纖維布仔細(xì)檢查,如果貼層有空鼓或氣泡,可以用刀片將碳纖維布劃開(kāi)(注意不要?jiǎng)潝嗵L(zhǎng)),然后采用注射器針管將調(diào)制好的粘結(jié)膠注入空鼓或氣泡內(nèi)填充至密實(shí);如果發(fā)生大面積此種情況,必須按照施工工藝重新從頭施工。
三、結(jié)束語(yǔ)
總之,碳纖維質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化,有著優(yōu)異的力學(xué)性能。用其加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單便捷,在橋梁維修加固中得到廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
1、陸慶榮,淺談碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用,《技術(shù)與市場(chǎng)》2010年第10期