碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用分析

許延杰

(山西交投高速有限公司,山西 太原 030001)

0 前 言

我國(guó)目前的橋梁工程項(xiàng)目多建造于20世紀(jì),隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)以及當(dāng)前日漸繁重的交通荷載量,很多橋梁工程的耐久性和承載能力顯著降低,不利于橋梁工程的安全、可靠使用，橋梁加固開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。在橋梁加固技術(shù)中,碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分突出,施工便捷,材料耐腐蝕,輕質(zhì)高強(qiáng)。因此，詳細(xì)探究碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用十分必要。

1 碳纖維材料加固技術(shù)的基本原理和優(yōu)勢(shì)

1.1 碳纖維加固的原理

碳纖維加固技術(shù)主要運(yùn)用兩種碳纖維材料,一種是碳纖維布,另一種是碳纖維板。這兩種材料的離析性能十分優(yōu)良,尤其是碳纖維布中的碳纖維絲,其配合特殊的樹(shù)脂材料能夠顯著發(fā)揮加固功效。同時(shí),碳纖維材料具備十分優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度,大概是普通鋼材的10倍左右,經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸泡后,能夠生成一種新型的復(fù)合材料,也就是單向連續(xù)性的纖維,進(jìn)一步提升了碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)浸泡處理后,再綜合運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑,將其沿著受拉方向粘貼在需要被加固的構(gòu)件表面,使之和被加固構(gòu)件共同受力,以此來(lái)加固橋梁。

1.2 碳纖維加固橋梁的優(yōu)勢(shì)

目前碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用范圍十分廣泛,和其他加固技術(shù)相比較來(lái)看,其優(yōu)勢(shì)也是十分突出的,具體表現(xiàn)如下。

1)施工十分便捷。該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,無(wú)需大型的機(jī)械設(shè)備,且碳纖維材料自身具備較好的柔性特點(diǎn),可以結(jié)合被加固位置的具體情況,進(jìn)行任意的裁剪處理。整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單易行,且施工效率也極高。

2)具備優(yōu)良的使用性能。碳纖維材料自身具備十分穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),和酸、堿、鹽等各種化學(xué)物質(zhì)接觸,不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中運(yùn)用該材料時(shí),能夠避免化學(xué)反應(yīng)而帶來(lái)的腐蝕現(xiàn)象,亦可以降低除銹工作的成本費(fèi)用。

3)熱膨脹系數(shù)較小。因該種材料需要經(jīng)過(guò)特殊的浸泡工藝制作,就使得其具備十分微小的熱膨脹系數(shù),其符合標(biāo)準(zhǔn)適用范圍。這種優(yōu)良特性十分獨(dú)特,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通其他材料,在橋梁加固工程中運(yùn)用該材料,能夠顯著提升橋梁工程的穩(wěn)定性。

4)強(qiáng)度較高。一般來(lái)說(shuō),碳纖維強(qiáng)度為2 400～3 400 MPa。該抗拉強(qiáng)度基本為普通鋼材的10倍以上,然而其彈性模量卻接近于鋼材。因此,將碳纖維材料運(yùn)用在橋梁加固工程中,受到高強(qiáng)度和高彈性模量的作用,能夠顯著提升橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力,極大改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

2 碳纖維材料加固的施工工藝

在運(yùn)用碳纖維材料加固橋梁工程中,主要的施工工藝流程如下：做好需要加固橋梁表面的清理工作→將需要粘貼碳纖維材料的基底清理干凈→涂抹涂料在清理干凈的底層上→將碳纖維材料粘貼在對(duì)應(yīng)的處理表面上→固化涂裝。

2.1 處理粘貼基底

1)對(duì)橋梁構(gòu)件表面的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估,檢查是否存在殘缺部位,是否出現(xiàn)銹蝕情況。若存在殘缺部位,需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和修復(fù),且處理的深度需要達(dá)到構(gòu)件的實(shí)際位置。對(duì)于存在的銹蝕情況,需要將銹蝕問(wèn)題予以處置。

2)針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂縫現(xiàn)象,利用樹(shù)脂材料進(jìn)行修補(bǔ)。若裂縫較小,則采取涂刷密封即可,若裂縫較大,則需要進(jìn)行灌注處理。

3)將需要粘貼碳纖維材料的范圍進(jìn)行測(cè)量標(biāo)記,并處理干凈需要粘貼的表面。

4)清理干凈需要粘貼碳纖維材料構(gòu)件表面的灰塵,可以借助高壓水或者高壓空氣,清理干凈后需要將其晾干才能進(jìn)行粘貼操作。

2.2 底層涂刷樹(shù)脂

首先將一定比例的底膠和固化劑充分混合均勻，然后將底膠均勻地涂抹在構(gòu)件表面,自然晾干。如果需要進(jìn)行多次涂刷,則需要等上一層完全風(fēng)干之后,才能涂刷下一層。當(dāng)涂抹的底膠完全風(fēng)干并且固化之后,需要對(duì)其表面進(jìn)行一定的處理,使其保持平整。施工時(shí)候的溫濕度也需要進(jìn)行相應(yīng)的把握,溫度應(yīng)保持在5℃以上,空氣濕度應(yīng)不超過(guò)85%,且應(yīng)盡可能在晴天施工。對(duì)于露水,還需要做好一定的防護(hù)措施。

2.3 粘貼碳纖維材料

在運(yùn)用碳纖維片時(shí),需要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān),嚴(yán)格把關(guān)制作和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程,同時(shí)在裁剪時(shí),還需要嚴(yán)格防范折彎現(xiàn)象。在粘貼相鄰位置的碳纖維片的時(shí)候,受力方向需要重疊至少20 cm，如果需要進(jìn)行多層粘貼,也就是超過(guò)3層,重疊需要超過(guò)30 cm。垂直方向上保持在10 cm左右即可。如果存在多條碳纖維板,且需要平行粘貼,在板間縫隙需要保持在5 mm以上。此外，碳纖維片粘貼時(shí),在粘貼完碳纖維片和樹(shù)脂后,要利用橡皮滾筒來(lái)滾壓碳纖維,并沿著纖維方向,盡可能的排盡二者間的空氣,確保粘貼質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3 實(shí) 例

碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用范圍十分廣泛,極大地修補(bǔ)了橋梁工程中的病害,確保了橋梁工程的安全穩(wěn)固性。本文結(jié)合實(shí)例,就碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1 工程概況

某橋梁工程項(xiàng)目建造于1971年,橋梁整體長(zhǎng)度約為239.15 m,寬度為12.1 m,總共16孔,孔徑大約為13.9 m。該橋梁工程的上部結(jié)構(gòu)為T(mén)型梁,下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)。由于該橋梁建造時(shí)間過(guò)于久遠(yuǎn),加之常年的車(chē)輛荷載作用,橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害。同時(shí)該橋梁的寬度也無(wú)法滿(mǎn)足日漸增長(zhǎng)的車(chē)輛出行需求,需要對(duì)該橋梁進(jìn)行加寬加固處理。經(jīng)過(guò)綜合分析,最終決定利用碳纖維加固T型梁,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè),加固效果較好。

3.2 碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)施工方案

3.2.1 大橋T型梁主梁抗彎補(bǔ)強(qiáng)方案

分別利用18×1 800(cm)和18×400(cm)碳纖維片在主梁跨中梁底下彎矩壓上,在每一層兩端位置分別設(shè)置一道12 cm寬的U型箍,以此來(lái)對(duì)碳纖維片材進(jìn)行固定。

3.2.2 大橋T型梁主梁抗剪補(bǔ)強(qiáng)方案

加固位置確定在靠近支點(diǎn)橫隔板的位置,并添加寬度大約為20 cm的U型外包箍、一片主梁設(shè)置12道。每一片主梁端部腹板位置,利用寬度約為20 cm的U型橫向的外包箍。

3.3 碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)施工工序

在該橋梁工程加寬加固處理中,嚴(yán)格遵循碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)流程：處理干凈大梁構(gòu)件的表面→對(duì)基底進(jìn)行進(jìn)一步的清理→將混合好的涂料涂刷在底層→將基底刮平→將一層浸漬樹(shù)脂進(jìn)行仔細(xì)的涂刷→將纖維片粘貼在需要加固的位置→再進(jìn)行一層浸漬樹(shù)脂的涂刷→做好后續(xù)的養(yǎng)護(hù)保養(yǎng)工作→進(jìn)行防護(hù)材料的涂刷。

在加固施工過(guò)程中,需要注意以下事項(xiàng)：①處理干凈混凝土的基礎(chǔ)面,仔細(xì)打磨混凝土基礎(chǔ)面,對(duì)于其中殘留的泥沙等清理干凈，將各個(gè)棱角位置出現(xiàn)的倒角磨圓,確保表面平整干燥清潔,防止不平整或者濕潤(rùn)導(dǎo)致碳纖維片材無(wú)法粘貼牢固,進(jìn)而出現(xiàn)偏斜和空鼓氣泡；②當(dāng)基礎(chǔ)面清潔干凈之后,才能進(jìn)行底膠的涂刷，底膠材料主要由膠材和固化劑混合而成,需要均勻的進(jìn)行涂刷，當(dāng)?shù)啄z完全干燥之后,才能進(jìn)行找平處理；③具體找平作業(yè)時(shí),應(yīng)按照一定的比例進(jìn)行找平材料的調(diào)配，且需要進(jìn)行多次修補(bǔ),方能找平，表面的各種的凹坑需要進(jìn)行填平處理,且打磨平整各種毛刺，等完全風(fēng)干之后,進(jìn)行樹(shù)脂涂刷；④碳纖維片粘貼的時(shí)候,需要依據(jù)加固位置的實(shí)際情況,裁剪大小適宜的碳纖維片。萬(wàn)不可出現(xiàn)跳絲、扭曲和彎折現(xiàn)象，并裁剪充沛的碳纖維片，依據(jù)相關(guān)要求,科學(xué)合理配比粘結(jié)樹(shù)脂。充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?并在第一時(shí)間內(nèi)及時(shí)進(jìn)行使用,均勻進(jìn)行涂抹，選用滾子多次滾壓,確保碳纖維片和樹(shù)脂材料得到完全的結(jié)合,且將其中的氣泡碾走，粘貼完畢的碳纖維片,待其強(qiáng)度達(dá)標(biāo)前,僅需要做好自然養(yǎng)護(hù)即可,避免硬物沖擊；⑤涂刷防護(hù)涂層，為確保碳纖維加固材料發(fā)揮加固功效,防止碳纖維層出現(xiàn)老化和損傷,確保加固年限延長(zhǎng)。

3.4 碳纖維加固對(duì)比分析

該橋梁加固完成后,經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn),橋梁的動(dòng)靜載荷數(shù)據(jù)得到顯著提升,發(fā)揮了極為有效的加固作用。通過(guò)該案例可知,碳纖維加固技術(shù)操作簡(jiǎn)單,無(wú)需大型設(shè)備機(jī)械,僅需要利用小型電動(dòng)工具,操作人員數(shù)量要求少,施工效率較高,成本較低,且無(wú)需中斷交通,受到施工環(huán)境的影響相對(duì)較小,能夠顯著縮短施工工期,社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都十分顯著。同時(shí),該施工技術(shù)能夠顯著提升建筑物的使用壽命,加固費(fèi)用低廉。和鋼筋混凝土加固比較,碳纖維加固成本可能略高,然其整體工期較短,總成本依然較低。因此,在橋梁的機(jī)體出現(xiàn)輕微損壞,工期要求較高,交通流量較大且不宜進(jìn)行交通中斷的橋梁工程中,碳纖維加固十分適用。同時(shí)對(duì)于橋梁裂縫的修補(bǔ)也十分友好。若橋梁工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,出現(xiàn)了大面積的混凝土碎裂,則需要運(yùn)用混凝土鋼筋加大截面加固法,該方法工期長(zhǎng),需要中斷交通。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)橋梁大部分建造于20世紀(jì),隨著服役年限的增加,大部分橋梁開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的病害現(xiàn)象,亟待進(jìn)行處置。其中碳纖維加固技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用范圍十分廣泛,其施工操作便捷,工期較短,加固效果優(yōu)良。因此，在橋梁工程加固處理中,合理選用碳纖維加固技術(shù)十分必要。在實(shí)際施工中,需要選擇好碳纖維加固材料,并嚴(yán)格依據(jù)施工工藝流程進(jìn)行施工操作,做好養(yǎng)護(hù)處理,確保工程項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期的加固效果。

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