桥梁加固之碳纤维布加固桥梁施工工艺

摘　要: 目前碳纤维在土木工程中因其质轻、耐腐蚀、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布(片) 加固法亦被视为梁 式桥加固补强、提高承载能力, 尤其是当高度受限制时的首选加固方法, 其施工工艺亦较简单。本文主要介绍其所用 材料、加固补强受力分析与设计计算及其施工工艺。 

关键词: 碳纤维布; 桥梁加固; 施工工艺 

引言 

工程材料的进步及新材料的发现是土木工程发展的前提和动力。碳纤维材料的出现及其应用, 使土木工程加固与补强技术研究更上一个台阶。碳纤维是一 种新型建材, 因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布(片) 加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力, 尤其是当高度受限制时的首选加固方法, 其施工工艺亦较简单。

碳纤维复合材料 

碳纤维复合材料碳纤维复合材料通常由纤维和基体组成。其力学特点是应力应变量完全线弹性, 不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能, 以及现场施工便捷, 所以是 旧桥加固补强的理想材料。 加固混凝土构件所用的碳纤维布是由碳纤维长丝 经编织而制成的柔软片材。 碳纤维布的抗拉强度一般为3550MPa, 弹性模量 为2135 ×105MPa。根据碳纤维布的品质不同, 其厚 度为0111～0143mm, 幅宽为20～100cm, 卷材长度 为50～100m。 

粘结材料 

粘结材料是指能将连续纤维状的碳纤维结合在一 起, 同时又与混凝土表面粘合的系列材料。它是保证 碳纤维布与混凝土共同工作的关键, 应有足够的刚度 与强度来保证碳纤维与混凝土间剪力的传递, 同时应有足够的韧性, 不会因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。此外, 由于旧桥加固均在野外, 所以粘结材料还应能在一般气候条件下固化, 且固化时间合适(一 般保证有3h左右) , 对组分含量不敏感, 具有适宜的流动性和粘度, 固化收缩率小。 粘结材料主要包括三类材料: 底层涂料、整平材料和浸渍树脂。

碳纤维布加固补强受力分析与设计计算 

加固受力特点分析 (1) 碳纤维布有单向碳纤维布、单向碳纤维交 织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等多 种, 可根据需加固结构的不同的部位和受力特性与方 向等, 选择相应的碳纤维布进行加固。 (2) 将抗拉性能优良的碳纤维布用粘结材料粘 贴到梁体底面或箱梁内壁上, 使其与原结构布置的钢 筋一道共同承受拉力, 以提高旧桥的承载能力。与其 他加固方法相比, 碳纤维布保证在设计荷载范围内与 原结构共同受力, 且改变原有结构的应力分布程度 最小。 (3) 沿桥梁的主拉应力方向(或与裂缝正交方 向) 粘贴碳纤维布, 两端分别设置锚固端, 可约束 混凝土表面裂缝, 防止裂缝扩大, 提高构件抗弯刚 度、减少构件挠度、改善梁体受力状态。 (4) 应根据实际情况合理使用碳纤维布加固钢 筋混凝土梁式桥, 因碳纤维布在加固混凝土构件时, 在提高受弯承载力的同时还影响受弯构件的破坏形 态。当碳纤维布用量过多时, 构件的破坏形态由碳纤 维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏。 还因碳纤维为完全弹性材料, 它与钢筋共同工作会减 公路交通科技应用技术版 2011年 3期 (总第 75期)99 弱钢筋塑性性能, 碳纤维布用量过多, 构件延性将有 所降低。 (5) 碳纤维布加固后桥梁结构物最后破坏形式 变化为突然性(拉断或剥离等脆性破坏) , 其承载力 极限状态应按碳纤维抗拉强度的2 /3进行抗弯承载力计算, 不能按普通钢筋混凝土考虑。 (6) 碳纤维布可提高混凝土梁抗剪承载力, 其 作用机理类似箍筋, 同时还能明显改善构件的变形性 能, 增强构件的变形能力。

碳纤维布加固设计计算要点 (1) 采用碳纤维布加固旧桥, 目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准(例如强度或允 许应力) 近似换算成一定用量的钢筋, 然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法, 但理论分析结果与实验数据吻合得很 好, 因此在一般情况下是适用的。 (2) 碳纤维布加固用量, 可按式(1) 估算: Acf=As(Ry /Rcf ) (1) 式中: Acf为碳纤维布用量面积; As为抵抗不足弯矩所 需的钢筋面积; Ry为钢筋的抗拉设计强度; Rcf为碳纤 维布的抗拉设计强度。 (3) 除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积) 外, 还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积, 以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。 

碳纤维布加固旧桥的特点 (1) 不增加恒载及断面尺寸碳纤维布的自重仅为200 ～300g/㎡ , 设计厚度为01111～01167mm, 加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻, 对整个结构重量及桥下净空的影响微乎甚微, 可忽略不计。同时, 碳纤维布可以多层粘贴。根据补强的要求, 碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴, 充分满足补强的要求。这一优点更是其他补强方式所难以比拟的。 (2) 适应不同构件形状, 成型方便斜、弯、坡及异型结构的补强, 采用传统的方 法, 施工难度极大, 采用碳纤维布补强法, 因碳纤维布具有随形性极强的特点, 可以随结构外形变化任意施工, 从而降低施工难度, 减少施工成本, 缩短施工工期, 能产生巨大的社会效益及经济效益。 (3) 施工简便特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时, 碳纤维布加固方法是可选择的一种方法。该法工艺简便, 无需大型设备、模板、夹具及支撑, 操作起来简单易 行, 施工时所需工作面小, 施工作业空间不受限制。 (4) 对原结构不产生损害碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材 料进行粘贴, 不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等, 因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏, 更可避免 钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起 新的问题。

(5) 能有效地封闭混凝土裂缝 碳纤维布(片) 粘贴在混凝土的表面, 不仅封闭了混凝土的裂缝, 其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展, 改变了裂缝的形态, 使 宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝, 从而提高了混凝土构件的整体刚度。 (6) 碳纤维布(片) 具有优良的耐化学腐蚀性碳纤维布(片) 是一种复合材料, 几乎无腐蚀性和磁性, 并且具有较好的耐热性, 不仅能经得起水泥碱性的侵蚀, 而且当应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时, 其寿命也较长。因而碳纤维布加固法, 在不利环境下较其他方法更显出其优越性。 (7) 不影响结构的外观 碳纤维布(片) 的厚度很薄, 粘贴固化后其表 面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料, 而不影响结构的外观。 

碳纤维布加固旧桥施工工艺与要求 

施工工艺 

基面处理 碳纤维布加固结构物前, 应对原混凝土表面的劣 化层(如浮浆、风化层等) 用砂轮机进行清除和打 磨, 错位与凸出部分要磨平, 转角部位要进行倒角处 理。基面要清洗, 用钢丝刷将表面松散浮渣刷去, 然 后用压缩空气除去粉尘, 用丙酮或无水酒精擦试表 面, 也可用清水冲洗, 但必须保证其充分干燥后才能 进行下一道工序的施工。 

涂刷底胶 在处理好的混凝上表面上, 涂一层很薄的底层 胶, 底层胶浸入混凝土表面, 强化混凝土表面强度, 并改进胶接性能, 使混凝土与碳纤维布之间的粘接性 提高。 底层胶应按比例准确配制并搅拌均匀, 一次调和 量须一次使用完毕, 超过时间不能使用, 以确保粘接 质量。用滚筒或刷子将底胶均匀地涂抹在基面上, 注 意直横均匀涂抹, 自然风干。如在冬季施工, 胶的粘 度较高, 不能涂得太厚。待底胶指触干燥后, 进入下 一道工序。

找平修补(找平胶) 碳纤维布与混凝土表面紧密接触, 才能产生良好 的补强效果。如混凝土表面有锐利突起物、错位和转 角部位等都可能损伤碳纤维布, 并引起强度降低。混 凝土表面小的模板错位及混凝土气孔很难通过基底处 理一道工序彻底清理。因此, 在涂敷的底层涂料指触 干燥后, 必须用找平胶进行找平。 找平胶应易于操作, 且不随时间的延长出现明显 的变形, 防止胶的滴挂。一般的普通环氧树脂的粘接 强度和强韧性都达不到找平胶的要求, 不应调配使 用。待找平胶指触干燥后进入下一道工序。 

粘贴碳纤维布 使用浸渍树脂粘贴碳纤维布, 浸渍树脂的粘度应 控制在一定范围, 有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维布 粘附于混凝土表面, 经过碾压, 使浸渍树脂很容易浸 透碳纤维布, 形成一个复合性整体, 共同抵抗外力 作用。 浸渍树脂具有一定的初粘力, 亦防止粘贴的碳纤 维布塌落而形成空洞或空隙。

并且浸渍树脂本身具有 良好的触变性, 易于施工且不会发生明显的滴淌现 象。另外, 胶粘剂与碳纤维的相容性和粘接力必须极 好, 才能满足碳纤维布和混凝土形成预定的复合 材料。 施工时依设计尺寸、作业空间确定下料长度裁剪 碳纤维布, 若需要进行接长时, 接头的长度应根据实 际情况而定, 一般不得小于15cm。下料数量应以当 天用完为准。粘贴碳纤维布, 应依设计位置由上而 下、由左至右有秩序地粘贴, 并以滚筒压挤贴片, 使 碳纤维布与浸渍树脂充分结合, 同时以压板去除 气泡。 

罩面防护处理 粘贴完碳纤维布后, 立即在其表面再均匀涂抹一 层浸渍树脂, 待其表面充分风干结合后, 涂抹罩面胶 或采取其他措施处理, 以保证各层胶的耐久性。 罩面胶主要保证施工表面美观和保护碳纤维布。 只要材料能涂敷在碳纤维布表面, 不脱层, 不掉落, 能长期在冷热干湿的空气中稳定即可, 防止复合材料 被紫外线直接照射。 

粘贴施工要求 

对被加固构件的基面要求 因碳纤维布加固混凝土构件是依赖于碳纤维布与 构件表面的粘贴效率, 故要求基面的混凝土强度等级 不低于C15。且被加固构件应具有良好的保护层, 即 基面平整且具有一定强度。对于构件有剥落、起皮、 腐蚀、裂缝及严重碳化等表面缺损现象的, 必须先进 行修复, 并应将粘贴基面打磨平整、清理干净, 且不 应存在尖锐楞角和浮灰粉尘, 防止碳纤维布的局部剥 断破坏和粘贴失效。 

碳纤维布的粘贴 用碳纤维布加固混凝土构件, 宜采用薄布多层的 粘结方法, 使其与粘结材料充分浸润, 确保粘结效 率。对于受弯构件, 宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤 维布进行加固补强, 并在主纤维方向的断面端部进行 附加锚固处理。 碳纤维布加固补强施工过程中, 胶是一层一层叠 加上去复合而成的, 与混凝土直接接触的只有底涂胶, 因此不同胶粘剂之间的相容性、粘接性应充分考虑。 一般来讲, 同一类型的胶粘剂粘接性较好, 不同类型 的胶粘剂粘接相容性就需做预先的实验加以论证。 

碳纤维布的搭接与截断 加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的 搭接, 尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。 根据对碳纤维布与混凝土间粘结锚固的试验结果, 粘 结应力主要集中于端部100mm范围内, 粘结破坏是 脆性的, 且粘结应力一般不会产生扩展。因此, 若碳 纤维布确需搭接时, 其搭接部位应避开构件应力最大 区段, 搭接长度不应小于100mm, 且搭接端部应平 整无翘曲。多层搭接的各层接口位置不应在同一截面 上, 每层接口位置的净距宜大于200mm。 

施工时其他应注意的事项 

现场气温低于5℃及雨天或可能结露时, 应停止 施工。在施工现场, 应做好防火等安全措施。各种胶 黏附在皮肤上时, 要用肥皂水冲洗, 特别是进入眼内时, 要立即用水冲洗, 或接受医生诊治。 

结语 

随着我国公路事业的发展和时间的推移, 大量的 钢筋混凝土桥梁将步入老化期, 碳纤维用于混凝土结构的修复补强虽然时间不长, 但发展很快, 其主要原因在于碳纤维片加固存在施工简洁、不增加结构自重、适应性强等较多优点。碳纤维增强复合材料加固混凝土结构技术也将逐渐受到重视并广泛的应用和发展。

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