碳纖維布在橋梁維修加固中的應(yīng)用研究

摘要 為解決橋梁病害問題，提高維修加固質(zhì)量，該文以馬廠減河橋?yàn)楸尘鞍咐?，介紹了橋梁基本情況及病害形成原因，指出碳纖維布加固的工藝原理和技術(shù)特點(diǎn)，從加固總體方案、碳纖維布維修加固施工方法、施工質(zhì)量驗(yàn)收3個(gè)方面，詳細(xì)闡述了碳纖維布在橋梁維修加固中的施工應(yīng)用。結(jié)果表明：碳纖維布應(yīng)用在橋梁局部破損病害的維修加固中，能夠有效修補(bǔ)梁體，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益良好，可在類似工程中推廣。

關(guān)鍵詞 碳纖維布；橋梁工程；維修加固；損壞原因；施工方法

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0101-03

0 引言

碳纖維布加固是利用膠黏劑，將碳纖維布粘貼在受損的混凝土部位，使兩者合為一體，控制變形和裂縫進(jìn)一步發(fā)展，以提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性。碳纖維布的適用面廣，適用于建筑、橋梁、隧道等各種結(jié)構(gòu)類型的加固修復(fù)，具有施工便捷、效率高、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[1]。以下結(jié)合工程實(shí)踐，探討了碳纖維布在橋梁維修加固中的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 工程概況

馬廠減河橋位于天津市津南區(qū)漢港線，中心樁號(hào)K12+140，橋梁全長(zhǎng)50 m，橋梁全寬15.2 m，建成時(shí)間1986年。橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土空心板梁，跨徑組合5×10 m，橫向設(shè)置13塊板，支座為板式橡膠支座；下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)，樁基礎(chǔ)，設(shè)置片石護(hù)坡、未設(shè)置錐坡；橋?qū)捊M合為1.6 m人行道+12 m機(jī)動(dòng)車道+1.6 m人行道，橋面采用瀝青混凝土鋪裝，設(shè)置2道伸縮縫，兩側(cè)設(shè)有人行道護(hù)欄，設(shè)計(jì)荷載為汽車超20級(jí)，掛車120級(jí)。該橋現(xiàn)狀僅在人行道外側(cè)設(shè)置了人行道欄桿，未達(dá)到車輛防護(hù)要求，故不滿足規(guī)范要求，根據(jù)建設(shè)單位要求提出改造方案，并對(duì)橋梁病害進(jìn)行修復(fù)處理。

2 橋梁病害檢測(cè)及損壞原因分析

2.1 病害檢測(cè)情況

2.1.1 上部結(jié)構(gòu)病害

上部結(jié)構(gòu)主要病害包括：（1）梁底裂縫，其中部分裂縫已維修，但仍存在1 563條橫向裂縫，其中27條與腹板豎向裂縫形成L形裂縫，累計(jì)長(zhǎng)度1 571.1 m，最大裂縫寬0.16 mm；9條縱向裂縫和4條斜向裂縫，累計(jì)長(zhǎng)19.85 m，最大裂縫寬0.16 mm；腹板共有26條豎向裂縫，累計(jì)長(zhǎng)5.2 m，最大裂縫寬0.12 mm；26處破損和銹脹開裂，累計(jì)長(zhǎng)度5.7 m，累計(jì)面積4.91 m2。（2）上部一般構(gòu)件主要病害是鉸縫通長(zhǎng)滲水泛堿。

2.1.2 下部結(jié)構(gòu)病害

下部結(jié)構(gòu)主要病害包括：（1）橋墩蓋梁共有17處銹脹露筋，累計(jì)長(zhǎng)度13.3 m，累計(jì)面積2.85 m2。（2）橋臺(tái)臺(tái)身共有2處銹脹開裂，累計(jì)長(zhǎng)度3 m。

2.1.3 附屬結(jié)構(gòu)病害

附屬結(jié)構(gòu)病害主要包括：（1）橋面鋪裝共有2條橫向貫通裂縫；3處網(wǎng)裂，累計(jì)面積45.2 m²；1條縱向裂縫，長(zhǎng)度10 m，寬1.5 mm；1處麻面露筋，面積32 m²。（2）人行道側(cè)壁共銹脹露筋34根，累計(jì)長(zhǎng)度4.3 m，累計(jì)面積1.96 m²。（3）護(hù)欄共有31處銹脹露筋，累計(jì)長(zhǎng)度6.2 m；1處破損露筋，面積0.2 m²。（4）調(diào)治構(gòu)造物共有2處塌陷，累計(jì)面積4.2 m²。（5）排水系統(tǒng)中的泄水孔全部堵塞。

2.2 技術(shù)等級(jí)評(píng)定

依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011），采用分層綜合評(píng)定法進(jìn)行評(píng)定，全橋技術(shù)狀況評(píng)分為78.0分，橋梁技術(shù)狀況等級(jí)為3類，如表1所示。

2.3 損壞原因

根據(jù)現(xiàn)狀橋梁病害情況及檢測(cè)、檢算結(jié)果，初步分析該橋主要病害為：板底橫向裂縫和腹板豎向裂縫、板底縱向裂縫、混凝土表面破損露筋、橋面鋪裝橫向裂縫等，病害原因分析如下：

（1）板底橫向裂縫和腹板豎向裂縫，該橋空心板板底出現(xiàn)大量規(guī)律性橫向貫通裂縫，部分與腹板豎向裂縫形成L形裂縫，但裂縫寬度均未超限，板底及腹板出現(xiàn)裂縫的原因可能有：裂縫大多屬于在超載和重載交通荷載作用下產(chǎn)生的正彎矩裂縫，即超載、重載交通量大[2]；截面抗剪承載力不足；施工過程中養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，混凝土澆筑質(zhì)量差，產(chǎn)生過大收縮裂縫；鋼筋銹脹引起混凝土順筋裂縫。

（2）板底縱向裂縫：截面抗剪承載力不足；施工過程中養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，混凝土澆筑質(zhì)量差，產(chǎn)生過大收縮裂縫；鋼筋銹脹引起混凝土順筋裂縫。

（3）混凝土表面破損露筋：橋面雨水（雪水）下滲在混凝土表面凍融循環(huán)；橋梁服役時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)部鋼筋銹脹及混凝土自然風(fēng)化、酥化造成表層混凝土開裂和脫落等；混凝土澆筑質(zhì)量較差，未充分振搗即澆筑上層混凝土。

（4）橋面鋪裝裂縫：橋面鋪裝層抗裂性能不足，橋面車輛重載作用下產(chǎn)生網(wǎng)裂；墩頂橋面連續(xù)鋪裝處的反射裂縫；車輛反復(fù)作用等。

3 碳纖維布加固的工藝原理和技術(shù)特點(diǎn)

3.1 工藝原理

碳纖維布是由12K碳纖維絲織造而成，與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復(fù)合材料，適用于各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、橋梁、筒體等，施工環(huán)境溫度為5～35℃，相對(duì)濕度≤70%[3]。碳纖維布加固的工藝原理是：黏結(jié)在混凝土構(gòu)件的表面，利用碳纖維材料的良好抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力和強(qiáng)度，具體到橋梁工程中，碳纖維布的加固范圍包括：（1）梁板加固，處理梁板承載力不足、因受力裂縫導(dǎo)致承載力下降等問題，提高梁板的承載力和耐久性。（2）橋墩加固，處理橋墩出現(xiàn)的剝落、裂縫等問題，提高橋墩的承載力和耐久性。（3）橋面鋪裝加固，處理鋪裝層出現(xiàn)的破損、裂縫等問題，提高橋面鋪裝的承載力和耐久性。（4）節(jié)點(diǎn)加固，處理節(jié)點(diǎn)受力不均、連接不良導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，提高節(jié)點(diǎn)的承載力和穩(wěn)定性。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

碳纖維布加固技術(shù)特點(diǎn)包括：（1）質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，加固后基本不會(huì)改變?cè)Y(jié)構(gòu)的外形尺寸，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的自身重量，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。以Ⅰ-200型碳纖維布為例，其抗拉強(qiáng)度≥3 400 MPa，伸長(zhǎng)率≥1.6%，但克重僅有200 g/m2，厚度僅有0.111 mm。（2）碳纖維布的彈性模量高，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固后，能有效控制溫度、銹脹引起的裂縫，變形控制效果好。（3）碳纖維布可耐酸堿、化學(xué)腐蝕，能在惡劣環(huán)境中使用，而且柔韌性好，適合多種形式結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)，可延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命[4]。（4）現(xiàn)場(chǎng)施工工藝簡(jiǎn)單、效率高，能減少施工環(huán)境帶來的影響，利于節(jié)省工期，降低維護(hù)和更換成本。

4 碳纖維布在橋梁維修加固中的施工應(yīng)用

4.1 橋梁維修加固總體方案

根據(jù)調(diào)查分析結(jié)果，該次工程考慮對(duì)現(xiàn)狀橋梁上部結(jié)構(gòu)板梁病害進(jìn)行維修加固，同時(shí)對(duì)局部破損處進(jìn)行修補(bǔ)，使橋梁結(jié)構(gòu)在其全壽命周期內(nèi)得到充分利用，獲得更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。經(jīng)過方案比選，最終采用板梁封縫灌縫+粘貼碳纖維布+局部病害維修+橋梁護(hù)欄改造方案。

（1）針對(duì)空心板梁裂縫，先對(duì)裂縫附近混凝土利用砂紙打磨，裂縫寬度<0.15 mm的利用環(huán)氧樹脂表面封縫，裂縫寬度≥0.15 mm的利用環(huán)氧樹脂灌縫[2]。

（2）全部板梁在裂縫封閉處理后，再粘貼碳纖維布加固，提高板梁耐久性。

（3）空心板、蓋梁混凝土破損修補(bǔ)；鉸縫、蓋梁滲水泛堿打磨后涂刷混凝土保護(hù)劑；橋臺(tái)外露鋼筋表面人工除銹，采用聚合物砂漿修補(bǔ)；橋面瀝青混凝土鋪裝小裂縫使用改性瀝青灌縫，大裂縫銑刨鋪裝后重新施作橋面瀝青熱撒布防水層，澆筑6 cm厚AC-20中粒式瀝青混凝土、4 cm厚AC-13細(xì)粒式改性瀝青混凝土；護(hù)欄底座銹脹露筋修補(bǔ)，全橋護(hù)欄表面涂刷油漆；疏通全橋泄水孔；河道護(hù)坡塌陷部分拆除重新砌筑等。

（4）拆除現(xiàn)狀人行道及欄桿，清理干凈后在組合護(hù)欄相應(yīng)位置的板梁頂面植筋，順橋向間距20 cm，澆筑防護(hù)等級(jí)為A級(jí)的混凝土組合護(hù)欄及新建人行道板。護(hù)欄基礎(chǔ)埋入至現(xiàn)澆層頂面，將人行道板鋼筋與現(xiàn)澆護(hù)欄相應(yīng)鋼筋焊接牢固，改造后人行道寬度為1.1 m，組合護(hù)欄寬0.5 m，組合護(hù)欄高1.1 m，如圖1所示。

4.2 碳纖維布維修加固施工方法

4.2.1 材料選擇

（1）該工程選用的碳纖維布，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥3 000 MPa，彈性模量≥210 GPa，伸長(zhǎng)率≥1.5%。（2）底層樹脂的正拉黏結(jié)強(qiáng)度≥2.5 MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（3）找平材料的正拉黏結(jié)強(qiáng)度≥2.5 MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（4）浸漬樹脂、黏結(jié)樹脂的性能指標(biāo)如表3所示。

4.2.2 施工要點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)表面處理：1）鑿除混凝土表層劣化現(xiàn)象如剝落、蜂窩、腐蝕，用無油壓縮空氣吹除粉塵，并用工業(yè)酒精擦拭，保持表面干凈干燥。若鑿除面積較大，使用聚合物水泥砂漿修補(bǔ)，針對(duì)混凝土裂縫，進(jìn)行灌漿或封閉處理。2）粘貼混凝土表面使用角磨機(jī)打磨，去除表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，使其完全露出新混凝土面，注意轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理，圓弧半徑≥2 cm[5]。3）混凝土表面凸凹不平處、模板接頭處，用修補(bǔ)材料填平，減小高度差。

（2）涂刷底層膠：底層膠在使用前置于容器中，用電動(dòng)攪拌器攪拌均勻，避免雜質(zhì)進(jìn)入容器中。攪拌后用滾筒刷或毛刷，將其均勻涂抹在混凝土表面，并控制好膠層厚度，待表面干燥后進(jìn)行下一步施工，此外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫，確定樹脂的用量和使用時(shí)間。

（3）構(gòu)件表面修補(bǔ)：混凝土構(gòu)件表面凹陷部位，應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇剑迯?fù)至表面平整，內(nèi)角處用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)，若表面仍存在凹凸糙紋需進(jìn)行打磨。

（4）粘貼碳纖維布：按設(shè)計(jì)尺寸裁剪碳纖維布，需要搭接時(shí)沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度≥15 cm，調(diào)制浸漬膠，均勻涂抹在粘貼部位，膠層厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，且搭接、拐角等部位需多涂抹一遍。粘貼碳纖維布時(shí)，先貼縱向、后貼橫向，用特制滾筒沿纖維方向多次滾壓、擠除氣泡，確保黏結(jié)劑充分浸透碳纖維布。對(duì)于斜交的板梁，碳纖維粘貼時(shí)可作適當(dāng)調(diào)整，最后一層碳纖維布的表面，均勻涂抹面層浸漬膠，安排專人自然掩護(hù)24 h達(dá)到固化效果。

（5）整修：若加固部位易受外力沖擊，使用M10及以上的水泥砂漿防護(hù)，厚度≥20 mm。

（6）安全防護(hù)：裁剪及使用碳纖維布時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電源，尤其是高壓電線及輸電線路，配套膠原料密封儲(chǔ)存，遠(yuǎn)離火源，避免陽光直接照射。膠的配制和使用場(chǎng)所保持良好通風(fēng)，現(xiàn)場(chǎng)施工中，施工人員穿工作服，戴口罩和手套，配備滅火器以備救護(hù)。

4.3 碳纖維布維修加固施工質(zhì)量驗(yàn)收

（1）表面處理檢驗(yàn)：混凝土表面處理后應(yīng)平整，無剝落、蜂窩、腐蝕、裂縫等劣化和損傷現(xiàn)象，保持清潔干燥，其中拐角粘貼處進(jìn)行倒角處理，圓弧半徑≥20 mm。（2）不平整修補(bǔ)檢驗(yàn)：由技術(shù)人員目測(cè)檢驗(yàn)，要求表面無明顯凸凹現(xiàn)象。（3）樹脂涂刷檢驗(yàn)：樹脂涂刷應(yīng)均勻、表面無流淌現(xiàn)象，涂刷厚度滿足設(shè)計(jì)要求，且能滲透至碳纖維布表面。（4）浸漬膠檢驗(yàn)：碳纖維布粘貼后，混凝土表面應(yīng)有均勻浸透至表層的粘貼樹脂，且無氣泡，浸透程度達(dá)到指觸有濕感[6]。（5）其他檢驗(yàn)項(xiàng)目如表4所示。

5 結(jié)論

在橋梁工程的維修加固中，碳纖維布是一種常用的加固材料，通過該次研究得出結(jié)論如下：（1）根據(jù)橋梁病害現(xiàn)狀、檢測(cè)結(jié)果，通過方案比選采用最優(yōu)施工方案，才能充分發(fā)揮出碳纖維布的功能和優(yōu)勢(shì)，提高橋梁維修加固綜合效益。（2）現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)合理選擇材料，嚴(yán)格控制施工要點(diǎn)，并落實(shí)施工質(zhì)量驗(yàn)收工作，才能確保施工作業(yè)順利進(jìn)行，提高綜合施工效益。

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