橋梁維修加固工藝
2015-04-09
一、前言
碳纖維布應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固已有十年以上,在國外已經(jīng)被普遍采用,在國內(nèi)碳纖維布加固工藝已成為重要工程的一個(gè)新領(lǐng)域。在最近幾年中,碳纖維布在公路橋梁結(jié)構(gòu)加固中得到大力推廣和應(yīng)用,而我市利用碳纖維布加固大型橋梁尚屬首次。本文所敘的加固工程是采用碳纖維布加固技術(shù)達(dá)到舊橋加固的事例。
二、工程概況
武漢長江二橋位于武漢長江大橋下游約5公里處,是武漢市跨越長江連接漢口與武昌的一座特大型城市橋梁,于1995年竣工通車。十年來,由于車輛嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行(原長江二橋設(shè)計(jì)最大交通量為6萬量/日,但建成不久就超飽和運(yùn)營,目前日平均約15萬量,其中高峰達(dá)到19萬量。),在2000年～2005年,橋梁管理部門對(duì)武漢長江二橋正引橋箱梁進(jìn)行了線型監(jiān)測(cè)和全面檢測(cè)試驗(yàn)。經(jīng)過十年的超負(fù)荷運(yùn)營使用,本橋累積損傷使得橋梁的剛度已經(jīng)有了一定程度的下降,部分區(qū)段梁體因截面開裂發(fā)生應(yīng)力重分布,部分區(qū)段梁體可能進(jìn)入塑性工作狀態(tài),不滿足結(jié)構(gòu)平截面彈性體設(shè)計(jì)假定,并且部分已有裂縫尚在繼續(xù)擴(kuò)展。因此必須進(jìn)行根本意義上的加固維護(hù)。本次長江二橋的加固維修運(yùn)用了目前橋梁加固維修中所有的施工方法,分別是:1、箱內(nèi)外裂縫灌膠和裂縫封閉;2、箱體內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力;3、箱內(nèi)外腹板粘貼鋼板;4、箱梁外部底板、腹板粘貼碳纖維布;5、箱內(nèi)靠近腹板處增設(shè)縱向鋼桁架;6、缺陷修復(fù)。
本工程粘貼碳纖維布主要部位為箱梁頂板底面、底板底面、腹板內(nèi)外側(cè)。按碳纖維布粘貼層數(shù)分:三層、兩層、單層;按碳纖維布受力方向分:縱向、豎向。粘貼碳纖維布在橋面壓重的情況下展開施工。
本工程粘貼碳纖維布配套采用底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂及表面防護(hù)材料。
三、主要材料性能指標(biāo)
1、碳纖維布
碳纖維布規(guī)格300g/m2,根據(jù)設(shè)計(jì)要
求選用符合規(guī)范要求的合格產(chǎn)品,主要
力學(xué)性能指標(biāo)見表--1。
碳纖維布的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按纖維的凈
截面面積計(jì)算,凈截面面積取碳纖維布的計(jì)算厚度乘以寬度。碳纖維布的計(jì)算厚度應(yīng)取碳纖維的單位面積質(zhì)量除以碳纖維密度。
表--1 加固用碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)
性能項(xiàng)目 抗拉強(qiáng)度 彈性模量 伸長率(%)
(MPa) (MPa)
碳纖維布 ≥3500 ≥2.1×105 ≥1.8
2、配套粘結(jié)材料
表--2 底層樹脂主要性能指標(biāo)
性能項(xiàng)目 性能要求 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)
混合后初粘度(23℃)(Mpa.s) 6000～13000 GB/T 12007.4
膠體抗拉強(qiáng)度 ≥0 GB/T 2568
鋼-混凝土粘接正拉強(qiáng)度(Mpa) ≥max{2.5,1.2ftk｝;且為混凝土內(nèi)聚破壞 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范
可操作時(shí)間(25℃時(shí))(min) 60～120 GB/T 14683
不揮發(fā)物含量(固體含量)(%) ≥99%
表--3 找平材料主要性能指標(biāo)
性能項(xiàng)目 性能要求 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)
膠體抗拉強(qiáng)度 ≥25 GB/T 2568
膠體抗壓強(qiáng)度 ≥50 GB/T 2569
鋼-混凝土粘接正拉強(qiáng)度(Mpa) ≥max{2.5,1.2ftk｝;且為混凝土內(nèi)聚破壞 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范
四、施工方法
碳纖維布粘貼工藝流程為:施工準(zhǔn)備 → 混凝土表面處理(去除混凝土表面的粉刷層、把混凝土表面打平、將轉(zhuǎn)角打成圓弧狀) → 配置并涂刷底層樹脂(確認(rèn)混凝土表面滿足要求、涂敷基層樹脂工作)→ 配置找平材料并對(duì)不平整處修復(fù)處理(等底膠膠面收干前后,再用修平膠找平粘貼基面) → 配置并涂刷浸漬樹脂→粘貼碳纖維布 (繪制碳纖維布、剪切碳纖維布、鋪貼基準(zhǔn)放線、攪拌浸漬膠鋪貼碳纖維布) →表面保護(hù)(表面涂刷浸漬膠,點(diǎn)粘砂粒、噴膠砂等)。
1、混凝土表面處理
(1)施工前認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)施工圖,按設(shè)計(jì)圖紙,在粘布部位放線定位,并以一片梁為一個(gè)工作單元,進(jìn)行粘貼碳纖維布施工。
(2)對(duì)梁體粘布部位的梁體進(jìn)行打磨,清除粘布范圍內(nèi)梁體表面剝落、疏松、蜂窩、
腐蝕等劣化混凝土,露出混凝土新鮮層。
(3)梁體錯(cuò)臺(tái)處將接縫凸出部分盡量鑿除,減少坡度,使錯(cuò)臺(tái)部分盡量平順。
(4)對(duì)梁體粘布部位進(jìn)行檢查,特別是施工接縫處,清除梁體缺陷,鑿除腐蝕等劣化混凝土。
(5)梁體原有油毛氈部分,先將油毛氈撕掉或打磨掉,對(duì)混凝土表面黑色繼續(xù)打磨,直至露出混凝土新鮮層。對(duì)油毛氈表面有不平部分,先將疏松混凝土鑿掉,然后將混凝土表面鑿毛。
(6)轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑不應(yīng)小于20mm。
2、梁體缺陷修平
對(duì)打磨后梁體出現(xiàn)大面積凹陷較大的缺陷位置用環(huán)氧類修平材料進(jìn)行修平。修平前將其用酒精進(jìn)行清理,待酒精完全揮發(fā)保持干燥后,在凹陷位置涂刷環(huán)氧樹脂基液,環(huán)氧樹脂基液指干后,用修平膠將其修平。對(duì)凹陷較深的位置應(yīng)分層修平時(shí),待上次修平膠固化后再進(jìn)行下一次修平,以此類推,直至修平完成,且每次修平的厚度不得大于5mm。梁體施工接縫或其它錯(cuò)臺(tái)更高的位置采用放坡修平的方法,修平的坡度應(yīng)控制在10%左右,同時(shí),要注意坡度的平整度,確保碳纖維布平順、平整與其結(jié)合。
3、配制并涂刷底膠
(1)當(dāng)梁體粘布區(qū)混凝土基面處理完成后,用酒精將混凝土基面清理干凈后,使其保持干燥。
(2)配制底膠時(shí),嚴(yán)格按產(chǎn)品說明中規(guī)定的配比稱量并置于容器中,用攪拌器拌至色澤均勻。在攪拌用容器內(nèi)及攪拌器上不得有油污和雜質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境溫度確定樹脂的每次拌和量,并按要求嚴(yán)格控制使用時(shí)間。以一片梁為一個(gè)工作單元,每次拌和量以一片梁用量為準(zhǔn),必須配備足夠的人手,以保證底膠的使用時(shí)間。
(3)涂刷時(shí)應(yīng)力求薄而均勻,鋼筋及凹凸不平等難于涂刷部位須反復(fù)涂刷,但涂刷底層樹脂厚度不得超過1mm。宜在底層樹脂表面指觸干燥后,盡快進(jìn)行下一工序的施工。
4、梁體混凝土基面局部找平
梁體缺陷較大的位置用修平膠大面積修平后,采用找平膠對(duì)局部小面積凹凸的混凝土基面進(jìn)行找平。底層樹脂涂刷后應(yīng)間隔30～60分鐘,清除基層中氣泡?；炷粱娌课挥谜移讲牧咸钛a(bǔ)平整,并對(duì)碳纖維布拐角的地方須作圓弧處理,半徑不應(yīng)小于20mm。找平完成待其固化后,用鏟刀鏟除涂刷底膠及找平后產(chǎn)生的棱角,并保持基面干凈、干燥。同時(shí),盡快進(jìn)行下一工序的施工。
5、粘貼碳纖維布
(1)浸漬膠配制時(shí),嚴(yán)格按產(chǎn)品說明中規(guī)定的配比稱量,置于容器中,并用專用攪拌器拌至色澤均勻。環(huán)氧底膠與找平膠指干后,用滾筒把浸漬膠滾涂在粘布區(qū)混凝土基面上。滾筒吸滿浸漬膠后應(yīng)在容器壁上輕輕刮過,以免浸漬膠在滾涂的過程中四處灑落,既造成不必要的浪費(fèi)(浸漬膠較貴),又污染環(huán)境。浸漬膠應(yīng)均勻涂抹于需粘布的混凝土基面或已粘好的底層碳布上。浸漬膠層應(yīng)呈突起伏,平均厚度不應(yīng)小于2�。如果個(gè)別位置浸漬膠滾涂過厚,成股下滴時(shí),應(yīng)用滾筒來回滾動(dòng),使其均勻滾涂浸漬膠。
(2)當(dāng)浸漬膠滾涂5m左右開始粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維布需6-8人配合作業(yè),1名作業(yè)人員舉起布圈沿粘布方向引導(dǎo)粘布,1-2名作業(yè)人員用手將碳纖維布輕輕的、平整的貼在混凝土基面上,2-3名作業(yè)人員用特制帶絲紋的滾筒(羅啦)沿碳纖維布粘貼方向反復(fù)滾壓,均勻平穩(wěn)壓實(shí),使的浸漬膠從滾筒的絲紋中擠出,并擠除氣泡,并使浸漬膠充分浸漬碳纖維布,滲透出布表面,保證密實(shí)無空洞。1-2名作業(yè)人員在后面用刮板在碳纖維布表面來回刮動(dòng),刮走多余浸透過來的膠水,補(bǔ)至未完全浸透的位置,使碳纖維布達(dá)到完全浸透的效果。
(3)當(dāng)碳纖維布粘至凹凸及錯(cuò)臺(tái)放坡位置時(shí),引導(dǎo)粘布的作業(yè)人員應(yīng)放松碳纖維布,輕輕的、平緩的緊貼基面上,切勿緊繃,以免碳纖維布拉得太緊,不能與混凝土基面完全緊貼,形成空鼓現(xiàn)象。
(4)粘貼碳纖維布時(shí)應(yīng)注意接頭的控制,沿粘布方向?yàn)榭v向,搭接頭不得小于10cm,橫向搭接不得小于5 cm。
(5)多層粘貼碳纖維布時(shí),注意清理已粘布的表面,并保持其干燥,重復(fù)上述步驟,在最后一層的碳纖維布表面涂抹浸漬樹脂。
(6)粘貼碳纖維布施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土間的粘結(jié)質(zhì)量為主。用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面,以回聲來判斷粘結(jié)效果,如出現(xiàn)空鼓等粘結(jié)不密實(shí)現(xiàn)象,應(yīng)采取補(bǔ)救措施。若粘結(jié)密實(shí)面積小于95%,則須重新施工。當(dāng)碳纖維布的空鼓面積不大于10000mm2時(shí),可用針管注膠的方法進(jìn)行修補(bǔ),當(dāng)空鼓面積大于10000mm2時(shí),將空鼓部位的碳纖維布切除,重新搭接貼上等量的碳纖維布,搭接長度不應(yīng)小于100mm。
6、碳纖維布表面防護(hù)
為了避免碳纖維布遭到紫外線的照射,箱外面碳纖維布表面采用噴水泥膠砂的方案對(duì)其進(jìn)行防護(hù),箱內(nèi)由于無紫外線照射,故不采用任何防護(hù)方案。
(1)箱外粘貼碳纖維布表面防護(hù)施工順序:打磨碳布表面→清理碳布表面→涂刷浸漬膠→植入碎石顆粒→噴涂環(huán)氧水泥膠砂。
(2)箱外施工采用現(xiàn)有外掛平臺(tái)進(jìn)行施工,施工時(shí)對(duì)腳手架應(yīng)進(jìn)行全面檢查,確保外掛平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全后方可使用。首先采用砂紙打磨碳布表面;再用毛刷或棉紗對(duì)碳布表面進(jìn)行清理干凈,清理表面灰層和污垢;清理干凈后采用滾筒或毛刷將調(diào)配好的浸漬膠均勻的涂刷在碳布表面1mm厚;涂刷完成后立即植入粒徑2.5～3.5mm帶棱角的碎石,碎石應(yīng)潔凈,不帶有泥土等污漬。每平米植入碎石顆?？刂圃?萬～6萬,碎石材料的標(biāo)號(hào)不低于25號(hào)。
(3)待植入碎石的浸漬膠完全固化后,噴涂水泥膠砂。水泥膠砂的重量配合比為:107膠:水泥:中砂=1:1:1,施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噴涂粘貼效果適當(dāng)調(diào)整。水泥膠砂的標(biāo)號(hào)不低于7.5號(hào)。砂子采用潔凈的河砂。
(4)配制噴涂水泥膠砂時(shí),要根據(jù)原梁體的顏色選用不同的水泥,盡量使配制出的水泥膠砂與原梁體的顏色保持一至。
(5)噴涂水泥膠砂采用類似于噴涂真實(shí)漆的方法。在空壓機(jī)的氣管上接一個(gè)鐵屬斗,斗內(nèi)裝滿水泥膠砂,以空壓機(jī)壓縮出的空氣為動(dòng)力,將斗中的水泥膠噴至碳纖維布表面的碎石上,防護(hù)層的總厚度不小于4mm。
五、碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法
1、設(shè)備及試樣
(1)粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀
(2)取樣規(guī)則
現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)應(yīng)在已完成碳纖維片材粘結(jié)加固的結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行。按實(shí)際粘結(jié)碳纖維片材的加固結(jié)構(gòu)表面面積計(jì),500�以下工程取一組試樣,500�至1000�工程取兩組試樣,1000�以上工程每1000�取兩組試樣。試樣由檢測(cè)人員隨即抽取,試樣間距不得小于500mm.
(3)現(xiàn)場(chǎng)試樣制備
a、表面處理:被測(cè)部位的加固表面應(yīng)清除污漬并保持干燥。
b、切割預(yù)切縫:從加固表面向混凝土基體內(nèi)部切割預(yù)切縫,切入混凝土深度2～3mm,寬度1～2mm。預(yù)切縫為40×40mm的正方形。
c、粘貼鋼標(biāo)準(zhǔn)塊:采用取樣粘結(jié)劑粘結(jié)40×40mm的正方形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊。取樣粘結(jié)劑的正拉粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于碳纖維片材粘結(jié)樹脂的正拉粘結(jié)強(qiáng)度。鋼標(biāo)準(zhǔn)塊粘結(jié)后應(yīng)及時(shí)固定。
2、試驗(yàn)步驟
按照粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀生產(chǎn)廠提供的使用說明書,連接鋼標(biāo)準(zhǔn)塊。以1500～2000N/min的速度進(jìn)行加載,記錄試樣破壞時(shí)的荷載,并觀察破壞形式。
3、試驗(yàn)結(jié)果
(1)強(qiáng)度計(jì)算f=P/A
式中 f―正拉粘結(jié)強(qiáng)度,Mpa;
P―試樣破壞時(shí)的荷載值,N;
A―鋼標(biāo)準(zhǔn)塊的粘結(jié)面面積,mm2.
(2)破壞形式
A、混凝土破壞:混凝土試塊破壞,以Af表示。
B、層間破壞:樹脂與混凝土間復(fù)合涂層界面破壞,以Bf表示。
C、碳纖維片材破壞:碳纖維內(nèi)部破壞,以Cf表示。
D、粘結(jié)失效:碳纖維片材與鋼標(biāo)準(zhǔn)塊之間破壞,以Df表示。
(3)試驗(yàn)結(jié)果的表示
每組取3個(gè)被測(cè)試樣,以算術(shù)平均值作為該組正拉粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)結(jié)果包括破壞形式、3個(gè)試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度值和該組正拉粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)平均值。
(4)按照下列判斷對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行判定:
A、破壞形式為Af時(shí),施工質(zhì)量判定為合格;
B、破壞形式為Bf、Cf、Df時(shí),如滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)平均值不小于2.5Mpa,且其中單個(gè)試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工質(zhì)量判定為合格;
C、破壞形式為Bf、Cf,如不能滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)平均值不小于2.5Mpa, 且其中單個(gè)試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工質(zhì)量判定為不合格,或根據(jù)實(shí)際工程情況加大樣品數(shù)量重新檢驗(yàn);
D、破壞形式為Df,如不能滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)平均值不小于2.5Mpa, 且其中單個(gè)試樣的正拉粘結(jié)強(qiáng)度最小值不小于2.25Mpa的要求,應(yīng)重新制備試樣和檢驗(yàn)。
六、施工質(zhì)量效果
武漢長江二橋維修工程粘貼碳纖維布過程中,按實(shí)際粘結(jié)碳纖維布的加固結(jié)構(gòu)表面面積計(jì),500�以下工程取一組試樣,500�至1000�工程取兩組試樣,1000�以上工程每1000�取兩組試樣。試樣由檢測(cè)人員及監(jiān)理工程師隨即抽取,做碳纖維布粘結(jié)強(qiáng)度正拉試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果均為混凝土破壞,合格率達(dá)100%。
粘貼碳纖維布完成后經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)的嚴(yán)格檢查評(píng)定,武漢長江二橋粘貼碳纖維布施工質(zhì)量一次性驗(yàn)收合格,工程按時(shí)并順利的進(jìn)入了下一道工序。
七、結(jié)論
1、通過荷載試驗(yàn)驗(yàn)證,碳纖維布加固武漢長江二橋,使舊橋基本恢復(fù)原來的承載水平。
2、碳纖維布加固橋梁是一項(xiàng)新技術(shù),碳纖維布材料輕,現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)無需重型設(shè)備,設(shè)施簡便,便于在橋梁高空作業(yè),可在公路橋梁加固工程中廣泛推廣。
3、目前,粘貼碳纖維布加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
