淺談碳纖維材料在箱梁裂縫修復(fù)中的應(yīng)用

侯 圓，羅 貴，唐 誠，李 培

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

渝蓉高速公路是連接成都市和重慶市的第三條高速公路，是成都高速骨架網(wǎng)的重要組成部分，比成渝高速公路近90 km，比遂渝-滬蓉高速近40 km，是兩地距離最短、車速最快的高速公路，亦為中國首條低碳高速公路。洛帶互通立交位于成都市龍泉驛區(qū)同安鎮(zhèn)，設(shè)計為單喇叭互通立交，采用B型喇叭與成環(huán)路平交。立交共分為A～E五條匝道，匝道最小平曲線半徑為55 m。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土等高連續(xù)箱梁，梁高1.6 m；下部結(jié)構(gòu)為矩形柱式墩和板式花瓶形薄壁橋墩；基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，橋臺采用肋板式橋臺。

在該高速公路洛帶互通匝道橋梁檢測時發(fā)現(xiàn)D匝道箱梁出現(xiàn)較多裂縫，其中在第一聯(lián)邊跨區(qū)域出現(xiàn)了超限裂縫。橋梁檢測單位使用裂縫綜合檢測儀對所有裂縫進(jìn)行了位置、長度、寬度和深度專項檢測，并對出現(xiàn)超限裂縫的D匝道第一聯(lián)進(jìn)行了靜載試驗檢測。

2 缺陷原因分析

2.1 裂縫檢測

經(jīng)檢測后得到的D匝道第一聯(lián)第一跨裂縫見表1。

表1 D匝道第一聯(lián)第一跨箱梁裂縫病害情況表

2.2 裂縫分類及產(chǎn)生原因

2.2.1 斜裂縫

箱梁翼緣板產(chǎn)生的斜裂縫一般為腹剪裂縫，主要出現(xiàn)在支座至L/4(L為梁長)范圍內(nèi)，與頂板大致呈20°～60°角，由頂板與腹板交界處開始向下延伸至1/3～1/2梁高處，方向基本與主拉應(yīng)力垂直，直接影響到結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

2.2.2 橫向裂縫

橫向裂縫出現(xiàn)在腹板中上部，寬度均小于0.15 mm。產(chǎn)生的原因有以下幾點：(1)與拆模過早有關(guān)，混凝土強度不足導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生；(2)混凝土局部振搗不密實，混凝土收縮產(chǎn)生裂縫，多發(fā)生在混凝土外觀質(zhì)量不好的位置；(3)分層澆筑間隔時間過長，分層混凝土連接質(zhì)量差，導(dǎo)致橫向裂縫的產(chǎn)生。

2.2.3 豎向裂縫

豎向裂縫根據(jù)其發(fā)展位置不同分為以下幾種：(1)從腹板底部開始發(fā)展，向上延伸；(2)從腹板頂部開始發(fā)展，向下延伸；(3)裂縫從通氣孔向上下兩側(cè)延伸；(4)腹部裂縫與底板裂縫聯(lián)通，通過對橋梁施工情況、裂縫的走向和數(shù)量、裂縫展開的時間、裂縫的分布位置等進(jìn)行分析得知：在支架穩(wěn)定性、冬夏交替中溫度變化、結(jié)構(gòu)恒載和混凝土構(gòu)件自身幾何形狀等綜合因素作用下使混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力增加，當(dāng)拉應(yīng)力增大到受拉區(qū)表面混凝土極限抗拉強度后便出現(xiàn)裂縫，該裂縫屬于非結(jié)構(gòu)性裂縫。

2.2.4 網(wǎng)狀裂縫

網(wǎng)狀裂縫為干縮裂縫。該裂縫多出現(xiàn)在箱梁養(yǎng)護(hù)后一段時間或澆筑后一周左右。澆筑完成后的混凝土表面受外界條件影響，水分損失較快，變形較大；而其內(nèi)部水分損失較慢，溫度變化較小，表面積較大的干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的形成，因此，混凝土內(nèi)相對濕度越低，則水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越容易產(chǎn)生。干縮裂縫多為表面平行狀或網(wǎng)狀，屬于非構(gòu)造性裂縫。但干縮裂縫的產(chǎn)生會影響混凝土的抗?jié)B性能，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，進(jìn)而影響橋梁的耐久性。

2.3 靜載試驗

選取D匝道橋第一聯(lián)進(jìn)行靜載試驗，試驗結(jié)果表明：洛帶互通D匝道橋測試橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足公路—Ⅰ級的正常使用要求，同時靜載試驗撓度和應(yīng)力測試結(jié)果表明測試跨撓度校驗系數(shù)和應(yīng)力校驗系數(shù)較大，接近規(guī)范規(guī)定的上限值，結(jié)構(gòu)承載能力的安全儲備較小。

3 處置方案

根據(jù)橋梁靜載試驗分析可知：雖然橋梁的承載力要求滿足設(shè)計規(guī)范要求，但由于裂縫的存在，降低了橋梁的耐久性和橋梁的安全儲備。遂對縫寬≥0.15 mm的裂縫進(jìn)行了灌縫處理，對于縫寬0.15 mm的裂縫采用涂刷樹脂封閉膠封閉，在箱梁腹板和底板設(shè)置碳纖維布，粘貼碳纖維布前對超限裂縫粘貼玻璃片，運營期間通過傳感器進(jìn)行裂縫監(jiān)測；在D匝道第一跨梁底增加了兩道預(yù)應(yīng)力碳纖維板用以提高橋梁的極限承載能力，抑制裂縫的發(fā)展，增加橋梁的安全儲備。碳纖維布和預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置情況見圖1和圖2。

圖1 碳纖維布和預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置橫斷面圖

圖2 碳纖維布布置縱斷面圖

4 施工過程

4.1 裂縫封閉和灌漿

對于縫寬0.15 mm的裂縫由人工將裂縫區(qū)的混凝土刷毛，用水沖洗干凈、待表面干燥后用環(huán)氧修補砂漿騎縫涂刷三遍。

對于縫寬≧0.15 mm的裂縫由人工打磨混凝土底面，清洗表面的浮塵，混凝土表面干燥后安裝進(jìn)漿孔和排氣孔，進(jìn)漿孔和排氣孔底座固化后用環(huán)氧漿液封閉其余裂縫。封閉膠固化后檢查其密封性，密封合格后使用恒壓灌注器灌注裂縫修補膠，當(dāng)進(jìn)膠率小于0.1 L/min時灌注5 min后停止壓膠。

4.2 碳纖維布施工

清除梁體表面的劣化混凝土，用修復(fù)材料修復(fù)平整；然后對裂縫進(jìn)行灌漿和封閉處理；將混凝土表面打磨平整，除去浮漿、油污等雜質(zhì)。轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并將其打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20 mm。配置底膠層涂刷在混凝土表面并找平，待底膠層表面干燥后打磨光順，配置浸漬膠在混凝土表面涂抹均勻后粘貼碳纖維布，碳纖維布表層噴涂水泥膠砂，養(yǎng)護(hù)7 d后施工預(yù)應(yīng)力碳纖維板。

4.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工

4.3.1 放線定位及種植螺栓

對碳纖維板和錨具位置進(jìn)行精確定位和放線，按布置要求在相應(yīng)位置鉆孔，鉆孔位置應(yīng)避開梁底預(yù)應(yīng)力束、鋼筋及裂縫，鉆孔深度為12.5 cm，種植8.8級化學(xué)錨栓。人工鑿除楔形塊位置混凝土并打磨平整，安裝張拉端限位框和固定端支座在蝸桿機構(gòu)上，將錨塊放于張拉端限位框內(nèi)，保持兩端中心線一致，確保錨塊能在張拉端限位框內(nèi)自由滑動。

4.3.2 表面處理

在碳纖維板粘貼處用角磨機打磨混凝土表面，粘貼面要求平整且無粉塵。

4.3.3 張拉碳纖維板

張拉前用丙酮將碳纖維板接觸混凝土構(gòu)件的表面擦洗干凈，在碳纖維板上涂抹2～3 mm厚粘接膠，在張拉端安裝碳纖維板，然后在固定端安裝碳纖維板和轉(zhuǎn)向板，固定端安裝時剎緊夾片，碳纖維板中心最大垂度不得大于20 cm。張拉機具使用成套的專用碳纖維板張拉設(shè)備，在張拉端安裝φ20高強螺桿、螺母、千斤頂，確保千斤頂受力中心與兩高強螺桿受力后的合力中心線一致，并與碳纖維板中心重合，行程為300 mm。

張拉時，先給碳纖維板施加10%σcon的應(yīng)力，使碳纖維板繃直，然后再將力歸零。記錄張拉端夾具的位置并再次檢查各部件的位置，再以25%σcon、50%σcon和75%σcon應(yīng)力給碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，每一級張拉結(jié)束后用扳手?jǐn)Q緊螺帽，每一級之間持荷5 min，記錄張拉端夾具的位置，比較實測值與計算值之間的偏差，將預(yù)應(yīng)力施加到100%σcon時計算最終碳纖維板張拉伸長值，并持荷5 min。

張拉結(jié)束后，用錨具固定住張拉高強螺桿，逐級緩慢地卸除千斤頂。

4.3.4 粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板

當(dāng)張拉至設(shè)計預(yù)應(yīng)力時，箱梁底的粘貼表面和碳纖維的粘貼表面緊密結(jié)合在一起，用特制的輥子沿纖維方向滾壓除去碳纖維板下面的氣泡，對樹脂未充滿的空隙用注射器注入環(huán)氧樹脂。

4.3.5 養(yǎng) 護(hù)

壓漿填補錨具四周的縫隙，并在碳纖維板表面涂抹紫外線防護(hù)膠粘劑，防護(hù)膠粘劑的顏色與混凝土表面顏色接近。

5 結(jié) 語

現(xiàn)澆箱梁裂縫的發(fā)生與支架的穩(wěn)定性、混凝土的原材質(zhì)量、施工過程、自然環(huán)境和后期養(yǎng)護(hù)有著密切的關(guān)聯(lián)。一般裂縫通過封閉處理可使鋼筋與外部環(huán)境隔絕，避免銹蝕。超限裂縫通過注膠和碳纖維布封閉處理，在梁底設(shè)置預(yù)應(yīng)力碳纖維板，通過施加體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固補強能夠抑制裂縫的發(fā)展，提高橋梁的耐久性和極限承載能力，增加橋梁的安全儲備。