碳纖維布在舊橋加固改造工程中的應(yīng)用

陳俊義

（福建省建筑科學(xué)研究院）

碳纖維布在舊橋加固改造工程中的應(yīng)用

陳俊義

（福建省建筑科學(xué)研究院）

本文結(jié)合工程實(shí)例，主要針對(duì)五里亭立交橋不同程度的裂縫狀況進(jìn)行分析，并采取對(duì)裂縫壓漿和封閉、碳纖維布的施工工藝技術(shù)，成功實(shí)施對(duì)裂縫鋼筋混凝土的加固處理，并取得了良好的效果。

碳纖維布；特點(diǎn)；橋梁加固；施工工藝；裂縫處理

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家對(duì)于公路建設(shè)的投入力度明顯加大。我國許多中小橋梁均受到車輛行駛的影響，產(chǎn)生了橋梁結(jié)構(gòu)病害，對(duì)橋梁的正常使用造成嚴(yán)重影響。為滿足現(xiàn)代交通發(fā)展，必須補(bǔ)強(qiáng)加固現(xiàn)役的病橋和舊橋。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳纖維是采用高性能復(fù)合材料外部粘鋼加固技術(shù)的結(jié)構(gòu)，該技術(shù)是高性能碳纖維應(yīng)用于土木工程，利用浸漬膠把碳纖維粘貼在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面，與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的共同工作，加強(qiáng)和提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能。通過筆者近年來做過的碳纖維布加固項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)。

1　工程概況

福州市五里亭立交橋?yàn)榄h(huán)形結(jié)構(gòu)，上部主梁為鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。五里亭立交橋?yàn)槿龑恿⒔粯?，橋梁?biāo)準(zhǔn)總寬分別為16m、8.5m、8m，跨數(shù)共計(jì)164跨，竣工于1994年3月。

在本次橋檢中，五里亭立交橋大部分箱梁在底板出現(xiàn)較多橫向裂縫，甚至典型墩跨呈0.3～0.5m均勻分布，且裂縫從底板往腹板延伸，最大裂縫寬度超過0.2mm。裂縫主要表現(xiàn)為橫向受力裂縫，主要原因是混凝土自身收縮徐變與過橋車輛流量大，載重車過多及車輛超載。

2　裂縫主要病害現(xiàn)狀

全橋橋墩及箱梁的編號(hào)說明，分為東西南北線四個(gè)方向匝道橋，按與連接的橋臺(tái)側(cè)開始編為0#臺(tái)，1#墩……的順序遞增。以下列出部分橋跨典型裂縫：

2.1W1匝道東線12#-13#墩間箱梁檢查（見圖1）

（a）12#-13#間東側(cè)距20#墩5.4m處有橫向裂縫最大寬度為0.25mm，長度1.2m；

（b）12#-13#間東側(cè)距20#墩5.6m處嚴(yán)重漏水，流白灰；

（c）12#-13#間西側(cè)距20#墩8.8m處有橫向裂縫最大寬度為0.16mm，長度1.0m；

（d）12#-13#間西側(cè)距20#墩8.2m處有橫向裂縫最大寬度為0.20mm，長度0.8m；

（e）12#-13#間西側(cè)距20#墩8.5m處漏筋，流白灰；

（f）12#-13#間西側(cè)距20#墩8.8m處有橫向裂縫最大寬度為0.20mm，長度1.0m。

2.2南線6#-7#墩間箱梁檢查（見圖2）

6#-7#間距6#墩7.0m，距7#墩7.5m滿布橫向裂縫最大寬度為0.25mm，長度全跨布置延伸到翼緣板上面。

2.3西線13#-14#墩間箱梁檢查

圖1　12#-13#墩間裂縫

圖2　6#-7#墩間裂縫

（a）13#-14#間距13#墩4.5m處有橫向裂縫最大寬度為0.20mm，長度2.5m；

（b）13#-14#間距13#墩8.4m處有橫向裂縫最大寬度為0.18mm，長度1.4m；

（c）13#-14#間距13#墩9.6m處有橫向裂縫最大寬度為0.16mm，長度1.6m；

（d）13#-14#間距13#墩11.5m處有橫向裂縫最大寬度為0.15mm，長度1.6m。

圖3　10#-11#墩間裂縫

3　碳纖維布、鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

結(jié)構(gòu)加固中使用碳纖維布的目的就是提高既有結(jié)構(gòu)的承載能力，增加既有結(jié)構(gòu)的延性（對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)，在加固設(shè)計(jì)中即增加延性）。

圖4　

由碳纖維布、鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，可知使用碳纖維布加固能充分減少既有結(jié)構(gòu)變形、降低既有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、減少裂縫（改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)），滿足墻、柱變位、樓板開洞等建筑功能變化引起結(jié)構(gòu)變化的可行性（改變結(jié)構(gòu)體系）。

4　碳纖維布粘帖加固材料要求

4.1碳纖維材料要求

（1）碳纖維用的纖維必須為連續(xù)纖維，其品種和性能必須符合下列要求：

①承重結(jié)構(gòu)加固的碳纖維，必須選用聚丙烯基（PAN基）12K或12K以下的小絲束纖維，嚴(yán)禁使用大絲纖維。

②承重結(jié)構(gòu)加固的玻璃纖維，必須選用高強(qiáng)度的S玻璃纖維或含堿量低于0.8%的E玻璃纖維，嚴(yán)禁使用A玻璃纖維或C玻璃纖維。

（2）結(jié)構(gòu)加固用的纖維復(fù)合材的安全性能指標(biāo)必須符合相關(guān)規(guī)范的要求。纖維復(fù)合材的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)置信水平= 0.99、保證率為95%的要求確定。

（3）對(duì)符合規(guī)范安全性能指標(biāo)要求的纖維復(fù)合材或板材，當(dāng)它與其它改性環(huán)氧樹脂膠粘劑配套使用時(shí)，必須按下列項(xiàng)目重新做適配性檢驗(yàn)，且檢驗(yàn)結(jié)果必須符合Ⅰ級(jí)的規(guī)定。主要包括抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；仰貼條件下纖維復(fù)合材與混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度；層間剪切強(qiáng)度。

（4）承重結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)粘貼加固，嚴(yán)禁使用單位面積質(zhì)量大于300g/m2的碳纖維織物或預(yù)浸法生產(chǎn)的碳纖維織物。

4.2膠粘劑材料要求

（1）承重結(jié)構(gòu)用的粘膠劑，必須進(jìn)行安全性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，其粘結(jié)抗強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)置信水平C=0.90、保證率為95%的要求。

（2）浸漬、粘貼纖維復(fù)合材的膠粘劑必須采用專門配置的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，其安全性能指標(biāo)必須符合A級(jí)的規(guī)定。沉重結(jié)構(gòu)加固工程中不得使用不飽和聚酯樹膠、醇酸樹脂等作浸漬、粘結(jié)膠粘劑。

（3）對(duì)箱梁底板粘貼碳纖維布采用的膠粘劑，其鋼-鋼粘結(jié)抗剪性能必須經(jīng)濕熱老化檢監(jiān)合格，膠粘劑必須通過現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。承重結(jié)構(gòu)用的膠粘劑中嚴(yán)禁使用乙二胺作改性環(huán)氧樹脂固化劑，嚴(yán)禁摻加揮發(fā)性有毒溶液和非反應(yīng)性稀釋劑。

（4）對(duì)使用膠粘方法或摻有聚合物加固的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，尚應(yīng)定期檢查其工作狀態(tài)。第一次檢查時(shí)間不應(yīng)遲于10年。

5　裂縫修補(bǔ)與碳纖維布粘帖加固

（1）大部分箱梁在底板出現(xiàn)較多橫向裂縫，甚至典型墩跨呈0.3～0.5m均勻分布，且裂縫從底板往腹板延伸，最大裂縫寬度超過0.2mm。裂縫主要表現(xiàn)為橫向受力裂縫，主要原因是混凝土自身收縮徐變與過橋車輛流量大，載重車過多及車輛超重，五里亭立交原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽-20級(jí)，而當(dāng)前橋跨實(shí)際承受的公路活載遠(yuǎn)超該標(biāo)準(zhǔn)。五里亭立交于1994年建成通車。由于設(shè)計(jì)、施工于20世紀(jì)90年代，采用的相應(yīng)規(guī)范己進(jìn)行修正，本維修設(shè)計(jì)采用原規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是荷載等級(jí)仍維持原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

本次加固改造僅限于主梁頂升以及主梁裂縫修補(bǔ)與碳纖維布粘帖加固。

加固材料：①A級(jí)裂縫封閉膠。②A級(jí)裂縫灌注膠（如JGN系列）。③碳纖維采用I級(jí)300g碳纖維。④配套結(jié)構(gòu)膠采用A級(jí)膠。

（2）鋼筋混凝土露筋處理施工技術(shù)要求：

首先對(duì)鋼筋混凝土露筋銹蝕鋼筋周圍的原構(gòu)件混凝土存在的缺陷清理至密實(shí)部份，并將構(gòu)件表面鑿毛，要求鑿成麻坑或溝槽，并盡量減少原主鋼筋周圍混凝土的握裹力的損失，對(duì)鋼筋進(jìn)行噴砂除銹，為了保證新老混凝土之間能良好的粘結(jié)，在鋼筋和其周圍的混凝土上涂抹一層水泥砂液，漿液應(yīng)仔細(xì)地刷進(jìn)混凝土內(nèi)并均勻地刷到鋼筋上。在這些漿液涂抹后尚未凝固時(shí)，采用界面劑，涂抹高標(biāo)號(hào)M40的復(fù)合砂漿，把鋼筋混凝土的露筋修補(bǔ)好，恢復(fù)到原設(shè)計(jì)的外觀。

混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。采用界面劑，涂抹高標(biāo)號(hào)M40的復(fù)合砂漿，把鋼筋混凝土的露筋修補(bǔ)好，恢復(fù)到原設(shè)計(jì)的外觀。

①基層處理：將原混凝土表面碳纖維布剝除，并對(duì)原混凝土粘結(jié)面進(jìn)行打磨，直至露出結(jié)構(gòu)面層，并用丙酮清洗干凈。

②涂底膠。a.按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。b.用滾桶刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，厚度不超過0.4mm，并不得漏刷或有流淌，氣泡等膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2h），再進(jìn)行下一道工序。

③用找平膠料找平。

a.轉(zhuǎn)角的處理，應(yīng)用整平膠料將其修補(bǔ)為光滑的圓弧，半徑不小于20mm；b.整平膠料須固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2h），方可再進(jìn)行下一道工序；c.混凝土表面凹陷部位應(yīng)用刮刀嵌刮整平膠料修補(bǔ)填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用整平膠料填補(bǔ)，盡量減少高差。

④粘貼碳纖維布

a.按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布；

b.按工藝規(guī)定配制浸漬膠，并均勻涂抹于粘貼部位；

c.將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，宜用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布；

d.在碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂；

e.在碳纖維表面涂抹一層5mm厚的HPM纖維復(fù)合砂漿或涂料加以防護(hù)。

⑤檢驗(yàn)及驗(yàn)收

a.碳纖維片材的實(shí)際粘貼面積不應(yīng)少于設(shè)計(jì)面積，位置偏差不應(yīng)大于10mm。

b.碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法檢查，總有效面積不應(yīng)低于95%。當(dāng)碳纖維布的空鼓面積不大于100cm2時(shí)，可采用針管注膠的方法進(jìn)行修補(bǔ)。當(dāng)空鼓面積大于100cm2時(shí)，宜將空鼓部位的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖維片材，搭接長度不應(yīng)小于100mm。

c.采用拉拔儀器，檢測(cè)碳纖維布與橋梁粘貼的強(qiáng)度。

6　結(jié)束語

總之，碳纖維布具有極好的比強(qiáng)度、比剛度，對(duì)自然環(huán)境的溫度及濕度的改變或酸雨侵蝕的適應(yīng)性極強(qiáng)，且不受建筑形狀的限制，不會(huì)因時(shí)間久遠(yuǎn)而降低強(qiáng)度，抗疲勞性好，易于施工等優(yōu)點(diǎn)，在民用建筑、工業(yè)廠房和道路、橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)上的使用越來越廣。這種加固方法必將對(duì)我國的社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)產(chǎn)生積極的作用。

[1]《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TJ23-2008）.

[2]《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTGH11-2004）.

[3]《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）.

[4]《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-2004）.

[5]《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（CECS146：2003）.

U445.7

A

1673-0038（2015）26-0281-03

2015-6-12