公路橋梁加固新技術(shù)
2010-12-17
由于自然環(huán)境各種因素的影響施工質(zhì)量和實(shí)際交通組成變化及超載車輛的作用，已建的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)承載能力不足、混凝土表面裂縫等問題。這些混凝土橋梁中絕大部分可以通過加固改造就能提高或改善結(jié)構(gòu)受力性能，重新投入使用。
粘貼鋼板法是公路混凝土橋梁常用的加固方法，一般是采用環(huán)氧樹脂或?qū)ｉT結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面，使之與構(gòu)件形成受力整體。土木工程中的新技術(shù)往往來自新材料的應(yīng)用。自上世紀(jì)七十年代末初期，歐洲進(jìn)行纖維增強(qiáng)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(qiáng)度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固的工程研究，介紹這一新技術(shù)的材料特性、施工方法和技術(shù)措施。
材料的基本特性
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)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(zhǎng)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(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)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(bǔ)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(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個(gè)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(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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?yàn)檫@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(shí)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(shí)，粘貼環(huán)氧樹脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上，但粘貼后就可以使用的時(shí)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。
碳纖維片材加固橋梁的形式碳纖維片材主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固補(bǔ)強(qiáng)，其加固的效果主要是提高構(gòu)件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構(gòu)件的軸向抗壓承載力；提高構(gòu)件的剛度以及延性。除此之外，許多室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，碳纖維片材加固的混凝土構(gòu)件裂縫寬度發(fā)展可以得到控制。
由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土橋的有關(guān)部位加固較靈活。碳纖維片材因碳纖維排列方向不同而使各方向拉伸強(qiáng)度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時(shí)，其拉伸強(qiáng)度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時(shí)，其強(qiáng)度最低。因此，在采用碳纖維片材進(jìn)行加固設(shè)計(jì)中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據(jù)混凝土構(gòu)件加固計(jì)算，可以采用連續(xù)式粘貼或條帶間隔粘貼碳纖維片材的方式。研究表明，分條加固的效果要優(yōu)于整條布的加固效果。
粘貼碳纖維片材加固施工技術(shù)
1、面層處理；
混凝土表面的劣化層（例如風(fēng)化、游離石灰、脫模劑、剝離的砂漿、粉刷層、污物等）必須用砂輪機(jī)去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機(jī)與毛刷將待補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的粉塵及松動(dòng)物質(zhì)會(huì)除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
2、斷面修復(fù)；
將混凝土面層的不良部分（例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等）清除。若有鋼筋外露情形，必須先做好防蝕處理，再以強(qiáng)度相等或大于混凝土的環(huán)氧樹脂砂漿材料修補(bǔ)。裂縫以環(huán)氧樹脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時(shí)，應(yīng)先做好止水、導(dǎo)水處理。
3、表面修正；
表面平整度凸出部分（小突起等）以切割機(jī)或砂輪機(jī)將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環(huán)氧樹脂或樹脂砂漿填補(bǔ)。轉(zhuǎn)角處需研磨至凸角 R＝20毫米（R一曲率半徑）以上，凹角則以樹脂砂漿填補(bǔ)。
4、底層涂料；
氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH＞95％時(shí)，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認(rèn)后，選用適當(dāng)?shù)牡讓油苛稀Ｊ┕がF(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿帶保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
5、碳纖維片材的粘貼；
纖維貼片預(yù)先以剪刀、刀子依所設(shè)計(jì)的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長(zhǎng)度在2米以內(nèi)最適當(dāng)。為防止保管期間的破損，裁剪數(shù)量只裁所需使用的數(shù)量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認(rèn)。底漆施工超過1星期以上時(shí)，應(yīng)以砂輪機(jī)磨平。
將環(huán)氧樹脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規(guī)定的配比放置于拌合桶中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時(shí)間的施工量，超過可使用時(shí)間的材料，不可使用。
環(huán)氧樹脂用毛刷滾輪平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度會(huì)有所變化，轉(zhuǎn)角部分要多涂。強(qiáng)化纖維粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平，使樹脂浸透并去除氣泡，纖維（長(zhǎng)向）方向的搭接長(zhǎng)度至少要留10厘米，短向則不用留。粘貼后放置30分鐘，若纖維有浮出或脫線情形發(fā)生時(shí)，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
兩層以上的強(qiáng)化纖維相疊貼時(shí)，重復(fù)步驟。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿戴保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
有關(guān)混凝土橋梁技術(shù)應(yīng)用問題粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術(shù)在歐洲、美國(guó)、加拿大和日本已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且進(jìn)行了深入的研究。我國(guó)在這方面的工程實(shí)踐也是在二十世紀(jì)九十年代中期才開始，就我國(guó)公路混凝土橋梁有關(guān)粘貼碳纖維片材加固新技術(shù)應(yīng)用推廣的問題做如下討論。
1、粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項(xiàng)新技術(shù)，使得粘貼加固法成為公路橋梁快速加固方法，適合公路橋梁加固期間盡量不影響橋梁正常營(yíng)運(yùn)的要求。碳纖維片材輕、現(xiàn)場(chǎng)粘貼無(wú)需重型設(shè)備、施工便利，便于橋下的高空作業(yè)，可在公路橋梁上推廣應(yīng)用。
2、對(duì)于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應(yīng)用效果較好的是綜合法，即以某種加固方法為主，輔以其它方法，這必須依照橋梁現(xiàn)場(chǎng)的外觀檢查和技術(shù)狀況評(píng)定，加固設(shè)計(jì)要求而定。目前，粘貼碳纖維片材加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
3、我國(guó)目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹脂類粘結(jié)材料，是以國(guó)外進(jìn)口材料為主，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品較少，且產(chǎn)品的勻質(zhì)性及低樹脂含量等技術(shù)指標(biāo)上還有差距。這樣，進(jìn)口的材料單價(jià)就顯高，這往往影響技術(shù)的經(jīng)濟(jì)決策。因此，除了應(yīng)盡快采取先進(jìn)技術(shù)及措施使國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品提高質(zhì)量外，在碳纖維片材加固技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)更多從加固效果，耐久方面來考慮橋梁加固后正常運(yùn)營(yíng)效益與經(jīng)濟(jì)性。
4、在國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的科學(xué)研究工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)公路舊橋的加固維修特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)，盡快編制碳纖維片材加固技術(shù)的指南，以指導(dǎo)工程應(yīng)用。 碳纖維片材加固補(bǔ)強(qiáng)公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術(shù)，需要結(jié)合我國(guó)的工程特點(diǎn)進(jìn)行深入研究和不斷提高，使我國(guó)公路舊橋加固維修技術(shù)達(dá)到新的水平。
