橋梁碳纖維加固技術(shù)若干理論的探析
2015-07-06
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(lái),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。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(diǎn)。所以擴(kuò)展該項(xiàng)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(jì)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(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(shuō)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(guò)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。
二、碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝
1、根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)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(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕,并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原; b)裂縫修補(bǔ)?？p寬小于0.2mm的裂縫,用環(huán)氧樹脂進(jìn)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(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角; d)清洗打磨過(guò)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(qiáng)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(zhǔn)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(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn); 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(shí)要用砂紙磨光; d)注意在氣溫小于5C,相對(duì)濕度大于85,砼表面含水率在8以上,有結(jié)露可能而無(wú)可靠保證措施時(shí),均不得施工。
3、環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)。 a)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇?修復(fù)至表面平整; b)內(nèi)角(段差、起拱等)要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)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(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過(guò)程中,嚴(yán)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(zhǎng)度一般不超過(guò)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(shí),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(duì)此滾壓,使樹脂滲入碳纖維中。
5、養(yǎng)護(hù)。 粘貼碳纖維片后,需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)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(bǔ)強(qiáng)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(diǎn) 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前,先對(duì)梁板采取有效地卸載和支頂措施,然后按以下施工工序進(jìn)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(jì)要求對(duì)破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行灌縫或封閉處理,并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)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(wú)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(shí),轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)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(shí)即進(jìn)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(bǔ)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(shí)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(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過(guò)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。
