橋梁加固碳纖維布粘貼術(shù)研究

■高彥雷 ■廣州市公路工程公司，廣東 廣州 510000

1 前言

橋梁作為交通線路的跨越、交通連接節(jié)點(diǎn)樞紐，在服務(wù)地方交通建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。隨著橋梁運(yùn)營時(shí)間的增加、車流量的不斷增長和重、超載交通流的爆發(fā)式增長，橋梁病害日益嚴(yán)重，其病害主要體現(xiàn)在橋梁主橋箱梁頂板出現(xiàn)大量裂縫，主橋剛度下降，影響橋梁的承載能力、正常運(yùn)行與安全。橋梁加固技術(shù)的應(yīng)用與研究是擺在廣大專業(yè)技術(shù)人員面前重要課題之一。

碳素纖維布，簡稱碳纖維布是一種高性能復(fù)合材料。碳纖維布加固材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)應(yīng)用外貼加固結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，碳纖維加固通過利用碳纖維材料卓越的抗拉強(qiáng)度，通過與其配套的粘結(jié)劑與混凝土結(jié)構(gòu)形成共同體，達(dá)到的增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。

2 碳纖維布加固性能研究

碳纖維布重量輕、強(qiáng)度高、彈性模量高和耐腐性能好，與結(jié)構(gòu)膠配套使用成為碳纖維復(fù)合材料，可達(dá)到更加優(yōu)于普通鋼的加固性能，廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫處理、材料老化處置、惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)件修繕與防護(hù)、提高載荷承載能力等場合。

粘貼鋼板加固與粘貼碳纖維加固法性能比較如表1。

表1 粘貼鋼板加固與粘貼碳纖維加固法性能比較

3 橋梁主箱梁碳纖維布粘貼加固技術(shù)研究

3.1 碳纖維布粘貼加固施工工藝流程

橋梁加固維修工藝中，在箱梁頂板底面橫向粘貼符合設(shè)計(jì)要求的碳纖維布，并按設(shè)計(jì)要求的間距布置，碳纖維布粘貼施工后在其表面進(jìn)行防護(hù)涂裝。橋梁主箱梁內(nèi)頂板碳纖維粘貼施工工藝如圖1所示。

圖1 碳纖維粘貼施工工藝圖

3.2 施工方法及措施研究

3.2.1 放線測量與混凝土基底處理

(1)施工準(zhǔn)備與放線測量

施工技術(shù)人員按加固修復(fù)與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案要求對粘貼范圍進(jìn)行定位、彈墨線等施工準(zhǔn)備工作。

(2)混凝土基底處理

橋梁箱梁內(nèi)頂板混凝土表面潔凈與平整與否直接影響到碳纖維布的粘結(jié)效果。箱梁內(nèi)頂板混凝土表面的蜂窩、麻面、剝落、孔隙、腐蝕等殘缺和破損和風(fēng)化、浮漿、脫膜劑、剝離的原漿、不潔物等表面裂化層、交接部位等表面凸出位置均可用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，使得加固位置混凝土基底表面密實(shí)、平整、潔凈、干燥。

3.2.2 底涂樹脂涂刷

(1)底涂樹脂制作

底涂樹脂，也稱為底涂膠，應(yīng)與準(zhǔn)備施工粘貼的碳纖維布配套使用。底涂樹脂按設(shè)計(jì)要求的配合比對主劑和固化劑進(jìn)行稱量、配伍、并攪拌均勻，單次制作量以在限用時(shí)間使用完畢為準(zhǔn)。

(2)工具與涂刷工藝

底涂樹脂中禁止添加任何溶劑，底涂樹脂毛刷、滾筒等涂刷工具不得粘有溶劑，底膠涂刷均勻，涂刷底層樹脂厚度不得超過1mm;雙層涂刷時(shí)，應(yīng)待第一層指觸干燥(3h～24h)后再涂刷第二層;底涂樹脂固化后因凝結(jié)而凸起的表面可用砂紙打磨，如打磨處混凝土基面露出，則需補(bǔ)刷底涂樹脂。

氣溫低于5℃、相對濕度大于85%、混凝土表面含水率大于4%、雨天、結(jié)露等情況下不得進(jìn)行涂刷施工。

3.2.3 混凝土找平修整

橋梁箱梁頂板混凝土表面存在的蜂窩、麻面、小孔等凹陷和段差、起拱等內(nèi)角嚴(yán)重影響碳纖維布粘貼施工質(zhì)量，為確保碳纖維布粘貼嚴(yán)密平整不起鼓，必須需要采用找平膠對混凝土凹陷和內(nèi)角進(jìn)行找平修復(fù)和填補(bǔ)平順;對找平膠涂刮后表面存在的凹凸紋，采用砂紙進(jìn)行打磨平整。

找平膠涂刮施工氣溫需大雨5℃，相對濕度小于85%。

3.2.4 粘貼碳纖維布

(1)溫濕度控制

混凝土粘貼表面應(yīng)干燥、潔凈。氣溫低于5℃、相對濕度大于85%、雨天或結(jié)露時(shí)不得進(jìn)行碳纖維布粘貼施工。

(2)碳纖維布裁切

按設(shè)計(jì)與施工放線要求進(jìn)行碳纖維布長度尺寸裁切，裁切數(shù)量以施工當(dāng)日用量為準(zhǔn)。為確保碳纖維布斷頭齊整不脫絲。

(3)粘結(jié)樹脂制作

應(yīng)按設(shè)計(jì)要求的配合比對粘結(jié)樹脂主劑和固化劑進(jìn)行稱量、配伍和攪拌均勻，單次制作量以在限用時(shí)間使用完畢為準(zhǔn)。

(4)粘貼施工

碳纖維粘貼面底膠、橋梁箱梁頂板混凝土基底涂刷底涂膠與找平膠符合指觸干燥要求后方可進(jìn)行粘貼施工。如果混凝土基底涂刷底涂膠、修補(bǔ)與找平膠完工至碳纖維粘貼施工間隔時(shí)間超過1周，需用砂紙打磨混凝土基底涂刷層，以確保凝土基底和碳纖維布粘合性能。

下涂也就是在待粘貼位置混凝土表面進(jìn)行滾筒涂刷均勻的粘結(jié)樹脂。碳纖維布搭接部位、混凝土拱起與拐角位置和殘缺修補(bǔ)處可適當(dāng)加大涂刷量。碳纖維布縱向接頭搭接長度需大于10cm，搭接區(qū)域應(yīng)多涂粘結(jié)膠，橫向則無需進(jìn)行搭接施工。

碳纖維布粘貼后，施工技術(shù)人員采用羅拉等專用工具沿碳纖維方向在碳纖維布上進(jìn)行多次滾壓和按壓，有效消除碳纖維布和粘接膠之間的空氣，并使下涂粘結(jié)樹脂充分滲浸粘貼的碳纖維束。碳纖維布粘貼施工20min～90min后，用滾筒在碳纖維布上涂刷粘結(jié)樹脂進(jìn)行上涂作業(yè)，用以防護(hù)碳纖維布。上涂后采用羅拉沿碳纖維方向用力滾壓脫泡，使碳纖維內(nèi)部繼續(xù)補(bǔ)充滲浸粘結(jié)樹脂。上涂粘結(jié)樹脂固化后，在碳纖維布表面形成一層堅(jiān)硬防護(hù)層，并與碳纖維布共同構(gòu)成復(fù)合材料。雙層碳纖維布粘貼施工則分層重復(fù)進(jìn)行，待第一層碳纖維布表面干燥后方可進(jìn)行下一層粘貼施工。

橋梁箱梁頂板混凝土棱角粘貼碳纖維布時(shí)，碳纖維布應(yīng)沿其纖維方向進(jìn)行粘貼。

碳纖維布上涂施工固化后須進(jìn)行空鼓檢查，按相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行碳纖維布粘貼位置、粘貼數(shù)量、空鼓率、拉拔強(qiáng)度、粘結(jié)劑厚度等項(xiàng)目檢測工作。

橋梁加固碳纖維布實(shí)際施工效果如圖2所示。

圖2 橋梁加固碳纖維布施工效果圖

3.2.5 碳纖維布粘貼施工缺陷研究

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘結(jié)初期硬化后的常用缺陷為空鼓，空鼓可采用注入粘結(jié)樹脂法、割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法和替換修復(fù)法三種方法進(jìn)行修復(fù)處理。碳纖維布的空鼓面積小于1000mm2時(shí)，可采用注入粘結(jié)樹脂法、割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法進(jìn)行修補(bǔ);缺陷空鼓面積大于1000mm2時(shí)，可采用替換修復(fù)法進(jìn)行修復(fù)。

(1)注入粘結(jié)樹脂法

注入粘結(jié)樹脂法如圖3，在空鼓處碳纖維布上開2個(gè)以上小孔，使用注射器將粘結(jié)樹脂注入至空鼓處各小孔樹脂溢出即可。

圖3 注入粘結(jié)樹脂法

(2)割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法

割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法如圖4。將空鼓位置的碳纖維布用割刀切開，然后填充樹脂并用刮片刮平。

(3)替換修復(fù)法

替換修復(fù)法如圖5所示。先用刀具將空鼓處碳纖維布裁切，然后另外裁切與空鼓處同形狀碳纖維布進(jìn)行搭接粘貼，搭接長度不小于100mm。

圖4 割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法

圖5 替換修復(fù)法

3.2.6 養(yǎng)護(hù)與防護(hù)措施

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘貼后初期固化需自然養(yǎng)護(hù)24h，橋梁在固化期間禁止開放交通;碳纖維布粘貼自然養(yǎng)護(hù)1周左右即可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

碳纖維粘貼施工結(jié)束，可在橋梁箱梁頂板整體噴涂耐候性涂料對碳纖維布進(jìn)行有效防護(hù)，提高抗老化性能。

護(hù)較為合適。

3.3 檢驗(yàn)及驗(yàn)收研究

3.3.1 進(jìn)場驗(yàn)收

碳纖維布及其配套的各種樹脂膠粘劑進(jìn)場驗(yàn)收時(shí)，橋梁加固施工單位應(yīng)會同監(jiān)理單位對碳纖維布及其配套樹脂膠粘劑的產(chǎn)品合格證、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、中文標(biāo)志等進(jìn)行進(jìn)場檢查，并抽樣復(fù)驗(yàn)產(chǎn)品的安全性能是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(1)碳纖維布安全性能指標(biāo)

碳纖維布安全性能指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、受拉彈性模量、伸長率、仰貼彎曲強(qiáng)度、正拉粘結(jié)強(qiáng)度、單位面積質(zhì)量等。橋梁箱梁頂板加固碳纖維布安全性能指標(biāo)要求見表2。

表2 碳纖維布安全性能指標(biāo)

常用碳纖維布單位面積質(zhì)量、截面面積和計(jì)算厚度如表3。

表3 常用碳纖維布的單位面積質(zhì)量、截面面積和計(jì)算厚度

(2)配套樹脂膠粘劑性能檢驗(yàn)要求

橋梁箱梁頂板加固粘貼用樹脂膠粘劑應(yīng)采用與碳纖維布配套的底涂樹脂、修補(bǔ)找平膠和浸漬、粘結(jié)能力強(qiáng)的粘結(jié)樹脂。

底涂樹脂安全性能檢驗(yàn)指標(biāo)如表4。

表4 底涂樹脂安全性能檢驗(yàn)指標(biāo)

修補(bǔ)找平膠安全性能指標(biāo)如表5。

表5 修補(bǔ)找平膠安全性能指標(biāo)

碳纖維布粘結(jié)樹脂安全性能指標(biāo)如表6。

表6 碳纖維布粘結(jié)樹脂安全性能指標(biāo)

3.3.2 隱蔽工程檢驗(yàn)

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘貼施工應(yīng)按隱蔽工程與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行各工序檢驗(yàn)及驗(yàn)收，確保碳纖維布粘貼面積和位置偏差符合設(shè)計(jì)要求。隱蔽工程檢驗(yàn)合格方可進(jìn)行下一工序施工。

3.3.3 粘結(jié)質(zhì)量檢驗(yàn)

(1)檢驗(yàn)方式

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘結(jié)質(zhì)量檢驗(yàn)采用手壓、小錘輕敲的方法進(jìn)行檢查，確保碳纖維布有效粘結(jié)面積不低于95%。碳纖維布粘結(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)采用碳纖維粘結(jié)強(qiáng)度測定儀進(jìn)行現(xiàn)場抽樣檢驗(yàn)及評定。

以1500～2000N/min勻速加載，記錄破壞時(shí)的荷載值，并觀察破壞形態(tài)。

(2)檢驗(yàn)計(jì)算

正拉粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)按下式計(jì)算:

其中f為碳纖維正拉粘結(jié)強(qiáng)度(MPa);P為試樣破壞荷載值(N);A為鋼標(biāo)準(zhǔn)塊粘結(jié)面面積(mm2)。

(3)試樣破壞判斷

試樣破壞形式分為內(nèi)聚破壞、粘附破壞和混合破壞三種。其中內(nèi)聚破壞又分為混凝土內(nèi)聚破壞和膠粘劑內(nèi)聚破壞。

試樣正常與不正常破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)如表7。

表7 試樣正常與不正常破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)

(4)碳纖維布粘貼施工質(zhì)量合格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

碳纖維布粘貼施工質(zhì)量合格檢驗(yàn)分為組檢驗(yàn)和批檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果以正拉粘結(jié)強(qiáng)度和破壞形式來表示。碳纖維布粘貼施工質(zhì)量正拉粘結(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)每組取樣3個(gè)，并以算術(shù)平均值為檢驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)檢驗(yàn)組內(nèi)所有試樣正拉粘結(jié)強(qiáng)度均符合或者有1個(gè)式樣不符合要求但加倍重做檢驗(yàn)結(jié)果符合要求，且試樣為正常破壞形式，評定該組為組檢驗(yàn)合格。批檢驗(yàn)內(nèi)各組均組檢驗(yàn)合格，或者批檢驗(yàn)的組試樣不少于20組且只有一組因個(gè)別試樣檢驗(yàn)不合格，評定該批碳纖維布粘貼施工質(zhì)量合格。

4 結(jié)語

碳纖維布粘貼技術(shù)在橋梁箱梁頂板加固施工中得到廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐，可有效增強(qiáng)橋梁箱梁頂板剛度，恢復(fù)橋梁運(yùn)營性能與通行能力，取得了良好的應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)效益。橋梁主橋箱梁頂板碳纖維布粘貼加固施工，應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范要求做好材料進(jìn)場質(zhì)量關(guān)、隱蔽工序檢驗(yàn)關(guān)和現(xiàn)場檢驗(yàn)關(guān)把關(guān)，確保碳纖維布粘貼施工質(zhì)量合格。

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