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工程案例

業(yè)務(wù)范圍

關(guān)于橋梁碳纖維加固技術(shù)若干理論的探析

發(fā)布時間：2014-07-15

橋梁工程在使用過程中會由于種種原因產(chǎn)生病害 ,為了達到安全、經(jīng)濟和適用的目的,必須對產(chǎn)生的病害進行結(jié)構(gòu)補強。介紹用碳纖維布和碳纖維棒材對橋梁結(jié)構(gòu)進行補強加固的一種方法，包括碳纖維布和碳纖維棒材的特點和用于加固橋梁的技術(shù)特點、補強適用范圍、補強施工要點等。本文試圖從碳纖維的特性分析出發(fā)，論述了碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)中的應(yīng)用。
　　　　
　　自上世紀七十年代末初期，歐洲進行纖維增強復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用研究以來，具有極好的比強度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強復(fù)合材料已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程，形成了纖維增強復(fù)合材料補強加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多。混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的粘貼碳纖維板技術(shù)在加固中具有不中斷交通，且工期短，人工少的優(yōu)點。所以擴展該項技術(shù)開展了配有大偏心CFRP體外束預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋體系應(yīng)用研究，是本世紀新型橋梁建設(shè)方向之一。
　　
　　一、碳纖維材料的基本特性
　　
　　碳纖維增強復(fù)合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。
　　1、碳纖維片材。
　　片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
　　片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
　　相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
　　2、配套樹脂類粘結(jié)材料。
　　混凝土結(jié)構(gòu)加固修補配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結(jié)并形成長期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
　　浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
　　就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環(huán)氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環(huán)氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
　　
　　二、碳纖維加固補強的施工工藝
　　
　　1、根據(jù)設(shè)計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理
　　a）將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結(jié)構(gòu)密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進行修補復(fù)原；
　　b）裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；
　　c）將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
　　d）清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。
　　2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）。
　　a）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時間內(nèi)用完為準；
　　b）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
　　C）底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；
　　d）注意在氣溫小于5C，相對濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結(jié)露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。
3、環(huán)氧膩子對構(gòu)件表面殘缺的修補。
　　a）構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩子填平，修復(fù)至表面平整；
　　b）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩子填補使之平順。
　　4、貼碳纖維片。
　　a）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折。貼片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷纖維片，每段長度一般不超過6rn；。
　　b）碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；
　　c）按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；
　　d）貼片時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。
　　5、養(yǎng)護。
　　粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。
　　6、涂裝。
　　根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補強構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
　　
　　三、碳纖維（片材）加固處理要點
　　
　　在進行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。
　　（1）破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。
　　（2）按設(shè)計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.
　　（3）涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。
　　（4）找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應(yīng)有菱角。
　　（5）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。
　　（6）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
　　
　　四、對碳纖維加固補強技術(shù)的展望
　　
　　碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補強雖然時間不長，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點：
　　a）施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；
　　b）不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設(shè)計厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計；
　　c）能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補強；d）可以多層粘貼。可根據(jù)設(shè)計要求，在一個部位重疊粘貼。
　　隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補強技術(shù)。

上一條碳纖維單向布加固砼技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用
下一條公路橋梁伸縮裝置的維修與更換

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