粘貼碳纖維布法加固橋梁后病害分析

趙柏冬,張楊柳

(沈陽大學 建筑工程學院,遼寧 沈陽 110044)

粘貼碳纖維布法加固橋梁后病害分析

趙柏冬,張楊柳

(沈陽大學 建筑工程學院,遼寧 沈陽 110044)

提出了碳纖維布加固方法對橋梁加固的有效性,闡述了粘貼碳纖維布法加固橋梁后易出現(xiàn)的病害,并且提出了病害的防治措施,工程實例驗證了防治措施的可行性.

橋梁加固;原理分析;加固后病害;防治措施

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,交通流量的增長,對橋梁結構的承載性能提出越來越高的要求.過去建造的部分橋梁設計載荷標準偏低,并且運營年限過長,再加上超載、重載車輛不斷增加,以及施工技術水平的落后,大批橋梁技術狀況已經(jīng)不能滿足當前行車安全和日益增長的交通量需求.為保證橋梁的正常運營,急需對這些不能滿足車輛安全通行的橋梁進行維修加固或重建.

截止到2008年,我國公路橋梁達到了59.46萬座,2 524.70萬延米.其中特大橋梁1 457座,250.18萬延米;大橋3.94萬座,884.37萬延米;中小橋梁55.37萬座,1 390.15萬延米.以上數(shù)據(jù)表明,中小型橋梁占據(jù)著我國公路橋梁的絕大部分,但這些中小型橋梁建造時間大部分在20世紀80—90年代,長期在上部載荷的作用下運行,普遍老化,大多數(shù)橋梁都出現(xiàn)了不同程度上的 病害,嚴重影響了我國交通運輸行業(yè)的發(fā)展.

而國外方面,以美國為例.據(jù)相關資料表明:截止2002年美國公路橋梁約為58.5萬座,其中需要進行加固改造的橋梁就有17萬座,約占橋梁總數(shù)的1/3,并且至少有13萬座公路橋梁限制車輛的載重,5 000座橋梁未能達到使用標準,從而被封閉禁止使用.因此合理有效的橋梁加固方法不僅能改善舊橋的運行狀態(tài),而且能夠減少資金的投入[1].

采用粘貼碳纖維布法加固橋梁,能夠有效的提高危橋的承載能力及通行能力,增加橋梁的使用壽命,從而保證橋梁正常運營.但橋梁在長時間的運營狀態(tài)下,采用粘貼碳纖維布法加固后的橋梁也會出現(xiàn)一些不可避免的病害.

1 碳纖維布加固原理及優(yōu)點

粘貼碳纖維布法加固橋梁是一種用化學粘貼劑從結構外部粘貼補強材料的施工方法.常用的補強材料有:碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP).根據(jù)不同材料加固構件的力學性能,一般情況下選取碳纖維布法加固,從而最大限度的保證構件的抗彎剛度(如表1[2]).常用的化學粘結劑有:環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯酯樹脂.

表1 CFRP、GFRP和AFRP的力學性能Table 1 Mechanical properties of CFRP,GFRP and AFRP

纖維布材料具有高效高強、施工便捷操作簡單、耐腐蝕、抗疲勞性能好的優(yōu)點,高效高強:利用高強度或高彈性模量的特點,來提高混凝土構件的承載力,從而達到改善結構受力性能與加固補強的目的;施工便捷:由于FRP材料質量較輕,無需大型機械的安裝,使用小型輕便的工具便可以完成FRP材料的加固;耐腐蝕:可以在堿性環(huán)境以及潮濕環(huán)境下抵抗化學腐蝕;抗疲勞性能:橋梁經(jīng)常受到上部結構的移動載荷作用,研究表明,采取纖維材料加固混凝土構件后,能夠承受一定次數(shù)的循壞載荷,強度及延性并沒有明顯降低,纖維材料具有一定的 抗疲勞性能.并且碳纖維布具有良好的抗拉性能,使其加固在梁體的受拉區(qū)域,能夠與梁體共同承受拉力,從而提高橋梁的承載力;在梁體混凝土裂縫處,粘貼碳纖維布并設置錨固端,能夠有效的約束混凝土開裂,防止梁體混凝土裂縫的進一步擴大,從而提高梁體的抗彎剛度,改善梁體的受力性能.一般可用于抗彎、抗剪、受壓(大偏心受壓,對于小偏心受壓構件,由于縱向受拉鋼筋達不到屈服強度,采用粘貼纖維布會造成材料的浪費)及抗震等多種形式的加固.該方法適合混凝土梁、板橋的加固,提高抗彎承載力,對于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴重的舊橋,加固效果尤顯著.

2 碳纖維布加固后病害

經(jīng)調研發(fā)現(xiàn),當采用碳纖維布加固橋梁梁體時,一般碳纖維布不會發(fā)生破壞,只有在少許的情況下,才會發(fā)生碳纖維布斷裂的情況,如橋梁上部載荷超出其設計值,導致受力破壞;以及環(huán)境的因素導致碳纖維布的斷裂.更多的時候一般是由于環(huán)氧樹脂層老化以及施工原因等導致碳纖維布梁體的粘結處開裂.其一般的破壞表現(xiàn)為碳纖維布與混凝土粘結面空洞;碳纖維布與梁體表面開裂,以及碳纖維布的斷裂.除此之外,碳纖維布不能與梁體共同受力作用的原因還存在碳纖維布內部氣泡,粘貼不平,受潮腐蝕等原因.

2.1碳纖維布與混凝土粘貼面空洞

橋梁在長期承受恒載、汽車的活載荷,導致梁體混凝土開裂,部分區(qū)域混凝土塊脫落.而在使用碳纖維粘貼法加固橋梁梁體時,施工過程中,未對梁體混凝土表面進行有效的清理、打磨、填充,使碳纖維布與混凝土表面連接處出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,導致橋梁無法達到預期加固效果,影響橋梁的正常使用.

圖1粘貼面空洞
Fig.1 Empty of the paste surface

防治措施:施工過程中,嚴格按照施工工序進行處理.清除梁底混凝土表面不符合施工要求的劣質混凝土,如剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等,使混凝土結構層暴露,并用修補膠將表面修復平整,并保證混凝土保護層厚度不小于15 mm.被粘貼混凝土表面應打磨平整,除去表層浮漿、油污等雜質,直至完全露出集料新面[3].對于出現(xiàn)混凝土脫落導致混凝土空洞,要進行有效的修補,以達到粘貼纖維布加固的技術要求.并滿足碳纖維復合材料施工質量檢驗驗收標準(如表2[4]),以確保工程的質量.

表2 施工質量檢驗及驗收標準Table 2 Construction quality inspection and acceptance standard

2.2碳纖維布與梁體接縫處開裂

碳纖維布與梁體之間粘結處開裂形式分為以下3種:

(1) 化學粘結劑與碳纖維布之間的開裂;化學粘結劑與混凝土表面之間的粘結處開裂.以上開裂形式在工程加固中出現(xiàn)的較少.其原因是施工過程中,未能夠有效的處理好粘結面的問題,即混凝土、碳纖維布表面有污染物,施工時未能有效的清除,導致粘結不緊密,梁體受到上部載荷的作用時,粘結面開裂.除此之外,在施工過程中,化學粘結劑未能有效均勻的涂抹到梁體表面及碳纖維布表面,達不到施工要求,從而導致粘結面的開裂.如圖2.

圖2粘結面開裂
Fig.2 Cracking of the bonding surface

防治措施:在施工工程中,按照施工流程進行有效合理的施工:混凝土表面處理—裂縫修補—涂刷底膠—配制浸漬膠—粘貼碳纖維布—表面防護.避免粘貼時有其他污染物在混凝土、碳纖維布的表面;另外涂抹樹脂膠的過程中,避免涂抹不均勻這一現(xiàn)象的發(fā)生,嚴格按照施工要求進行.

(2) 粘結劑的老化開裂,導致碳纖維布與梁體表面的開裂.施工工程中,對于不同粘結劑的選取問題,由于原材料質量、工藝操作不同,不同廠家生產(chǎn)出來的結構膠的質量也不相同,若質量較差,粘貼碳纖維布加固受力時,易導致碳纖維布撕脫破壞.故現(xiàn)場使用的結構膠應及時檢驗,其強度指標應不低于混凝土強度.若不滿足粘結劑的基本性能選取要求(表3[4]),則會導致碳纖維布與梁體之間的開裂.此種開裂形式在一定程度上可以有效的避免.

表3 粘貼碳纖維粘結劑的基本性能要求Table 3 The basic performance requirement of pasted carbon fiber binder

防治措施:根據(jù)規(guī)范及設計要求,合理選擇粘結劑,以保證碳纖維布受力時,不發(fā)生粘結劑的損壞.另外,要考慮加固對象所處的環(huán)境因素,一般選用碳纖維法加固橋梁,其所處的環(huán)境是干燥,適溫的條件下,避免漏水、凍融環(huán)境對纖維布樹脂層的腐蝕,以及外部高溫對粘結劑的軟化作用.

(3) 混凝土表層到鋼筋保護層之間,混凝土發(fā)生剝離破壞.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是碳纖維布與粘結劑的粘結強度以及粘結劑與混凝土粘結強度高于混凝土的抗拉強度,剝離破壞是碳纖維布粘結處的混凝土局部應力達到混凝土的抗拉強度,混凝土被拉裂后被碳纖維布粘結下來.影響剝離破壞的因素有[5]:①混凝土強度;對于強度較低的混凝土,其發(fā)生剝離破壞現(xiàn)象越容易;而對于長期受到上部載荷導致混凝土表面開裂、內部鋼筋銹蝕等現(xiàn)象的梁體,混凝土表層出現(xiàn)橫向和縱向裂縫,也容易發(fā)生剝離破壞.②錨固長度以及錨固方式:錨固長度越短,混凝土構件的局部粘結應力越大越容易產(chǎn)生剝離破壞,但當錨固超過一定長度時,粘結應力將不再增加;另外,橫向用U形箍錨固防止縱向碳纖維布剝離的效果較為明顯.③加固材料的性質以及加固量:樹脂粘結劑的剛性較大,碳纖維布的柔性好,可以有效地降低剝離應力從而降低了剝離破壞的可能性;加固量越大,碳纖維布的厚度、剛度較大,將導致剝離應力增大,易于剝離.

防治措施:在一定的范圍增加錨固長度,使混凝土局部粘結應力分散,避免集中應力對混凝土的破壞.嚴格選取材料和控制施工質量,避免使用質量較差的材料對加固的影響,并控制好粘貼碳纖維布的層數(shù),防止碳纖維布層數(shù)過多導致的剝離應力過大.

2.3碳纖維布斷裂

據(jù)調研發(fā)現(xiàn),橋梁經(jīng)過碳纖維布法加固后,一般纖維布斷裂分為自然因素、外部載荷因素導致的斷裂.

自然因素:在雨季來臨的時候,橋梁凈空較低,河水上漲,從而導致梁底浸泡在水中,水上的雜物(如樹枝)對碳纖維布的碰撞作用,從而導致纖維布斷裂(圖3所示).

圖3碳纖維布受水浸泡后斷裂
Fig.3 Broken CFRP after being soaked in water

載荷因素:碳纖維布粘貼在梁底混凝土表面,受到外部重載荷的作用,混凝土表面會產(chǎn)生裂縫,碳纖維布緩慢參與受力,長時間的載荷,裂縫趨勢增大,混凝土內部鋼筋屈服;隨著載荷的不斷增加,碳纖維布拉斷,混凝土壓碎,碳纖維布加固失效[6].

防治措施:對于自然因素所產(chǎn)生的碳纖維布斷裂,盡量避免河水淹沒橋梁梁底加固部分,保證水面雜物不影響到碳纖維布的正常使用,以及避免河水對粘結劑的影響.對于上部載荷因素導致碳纖維布斷裂,可以采取對橋梁進行有效的限重,避免超載、重載汽車對橋梁的破壞,允許在承受載荷設計值內的車輛通行.

2.4工程實例

現(xiàn)對某工程橋梁進行施工加固,該橋建成于1993年.全橋共8孔,單孔跨徑20 m,橋梁全長163.5 m.橋面凈寬為18.8 m,兩側各設1.5 m人行道.上部結構:17片裝配式帶翼緣鋼筋混凝土空心板,無中橫隔梁,有兩個端橫隔梁.瀝青混凝土橋面.支座采用橡膠支座.下部結構:五柱式墩,肋板式橋臺,鉆孔灌注樁基礎.設計載荷為汽-20,掛-100.據(jù)當?shù)亟煌ú块T調查資料顯示,2006年上半年年平均日交通量為14 000臺.

(1) 本橋維修設計為先簡支,后結構連續(xù)的體系,即施工時,一期恒載和部分二期恒載時結構為簡支體系,部分二期恒載與活載作用時為連續(xù)體系;全橋共8孔,4孔1聯(lián),共2聯(lián).

(2) 全橋空心板采用粘貼纖維布的方法進行斜截面抗剪維修.

(3) 為了提高結構的橫向剛度,減小空心板的橫向分配系數(shù),使空心板受力更加均勻,橫向連接變鉸接為剛性連接.

(4) 對墩蓋梁、墩柱、臺蓋梁表面混凝土蜂窩、剝皮、麻面部位,采用水泥砂漿進行修補.

(5) 新建防撞墻:為保證防撞墻具有一定的抗沖擊作用,防撞墻部分鋼筋植入空心板中,同時部分鋼筋應與橋面鋪裝鋼筋進行綁扎連接.

根據(jù)規(guī)范要求,以及施工過程的嚴格把關,對橋梁進行有效的加固.

(1) 碳纖維布及其配套樹脂類粘結材料性能要求:

① 碳纖維布主要力學性能指標:抗拉強度標準值不小于3 000 MPa;彈性模量不小于2.1×105MPa;伸長率不小于1.5%;且單層碳纖維布單位面積碳纖維布質量為300 g/m2.

② 底層樹脂的性能指標:正拉粘結強度不小于2.5 MPa.

③ 找平層材料的性能指標:正拉粘結強度不小于2.5 MPa.

(2) 粘貼碳纖維布施工工藝及注意事項[7]:

① 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.

② 在表面處理和粘貼碳纖維布前,應按維修設計部位放線定位.

③ 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.

④ 粘貼前板底首先要打磨平整,除去表層浮漿、油污等雜質,直至完全露出結構新面,混凝土表面應清理干凈并保持干燥;鋼筋露出部位須做防銹處理,如損壞程度嚴重,須采取其他措施,以確保安全;若腹板底為直角,則在轉角粘貼處要進行倒角處理打磨成圓弧狀,圓弧半徑不應小于20 mm.

⑤ 按比例準確配制好底膠并攪拌均勻,注意一次調和量在可使用時間內用完,超過時間的絕對不能使用,以確保粘接質量;底膠硬化后,在表面有凸起部分時,要用磨光機或砂紙打光.

⑥ 粘貼碳纖維布時要從中間向兩側進行粘貼,可避免施工時產(chǎn)生氣泡影響粘貼效果.

⑦ 碳纖維布配套樹脂的原料應密封儲存,遠離火源,避免陽光直接照射.

⑧ 樹脂的配置和使用場所,應保持通風良好,現(xiàn)場施工人員應根據(jù)使用樹脂材料采取相應的勞動保護措施.

⑨ 粘貼完纖維布后要涂一層水泥漿,并依原砼顏色適當調整膠的配合比.

通過以上的規(guī)范嚴格要求施工,能夠最大限度地保證施工質量,提高加固效果,提高橋梁的承載能力.

3 結 語

(1) 碳纖維布加固技術的關鍵是保證碳纖維布發(fā)揮其高強度的作用,而可靠的粘結面將會保證其高強度充分發(fā)揮.因此,碳纖維布加固技術的施工質量將直接影響其加固效果,施工時應采取有效的措施,保證質量與安全,并依照相關規(guī)范進行施工與驗收.

(2) 粘結面對于碳纖維加固混凝土有很大的影響.若粘結面處理較好,可充分發(fā)揮碳纖維布的利用率,提高加固效果;若處理較差,將影響碳纖維布的受力導致過早剝離,從而喪失加固效果.選擇有效的粘結劑將會提高粘結面的抗剪強度.

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DiseaseofBridgeStrengthenedwithCarbonFiberCloth

ZhaoBaidong,ZhangYangliu

(School of Architectural and Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The effectiveness of carbon fiber cloth reinforcement method for bridge reinforcement is put forward.The diseases of bridge strengthened with carbon fiber cloth are expounded.The disease prevention and control measures are put forward.The engineering example verifies the feasibility of the control measures.

bridge reinforcement;principle analysis;after strengthening disease;prevention and control measures

2017-05-10

趙柏冬(1962-),男,河北交河人,沈陽大學教授,博士.

2095-5456(2017)05-0410-05

TU 973+2

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【責任編輯:肖景魁】