淺析橋梁工程碳纖維加固技術(shù)與維修管理
2015-07-23
橋梁是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。隨著交通運(yùn)輸量的增加、行車(chē)密度的加大和車(chē)輛的載重的增加，橋梁的負(fù)荷日趨加重。特別是20世紀(jì)80年代以前修建的橋梁，已暴露出承載力不足、老化、破損、裂縫等缺陷，更有一些新建橋梁因其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形式認(rèn)識(shí)不足，施工工藝、方法和材料運(yùn)用缺乏科學(xué)合理的指導(dǎo)等因素，未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就出現(xiàn)耐久性能退化的危橋、病橋現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)這些橋梁進(jìn)行重建，不僅耗資巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)，而且交通受阻、被迫繞行等將給社會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)存在缺陷的橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)和維修管理，使其在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行，已成為橋梁工程重大的研究課題。
碳纖維是一種將纖維、沙線(xiàn)或織物等材料通過(guò)一定的制作工藝與特定的樹(shù)脂材料復(fù)合而成的增強(qiáng)聚合物。碳纖維材料具有不存在屈服點(diǎn)和塑性區(qū)等優(yōu)良的物理性能。用于橋梁工程混凝土構(gòu)件加固的碳纖維布，則是碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)過(guò)編織工藝而制成的柔軟片材。
日本是成功地將碳纖維片運(yùn)用于橋梁加固的最早的國(guó)家之一，相對(duì)于美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家，我國(guó)對(duì)碳纖維的研究，特別是將其用于橋梁加固的技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì)80年代，起步較晚。
2 碳纖維布加固技術(shù)簡(jiǎn)介及加固原理
2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介
碳纖維增強(qiáng)聚合物由環(huán)氧樹(shù)脂同高抗拉強(qiáng)度的碳纖維束粘貼而成。采用碳纖維片進(jìn)行橋梁工程加固具有以下優(yōu)點(diǎn)：
強(qiáng)度高。據(jù)檢測(cè)，碳纖維片的強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍；
碳纖維片具有較高的抗拉強(qiáng)度和高強(qiáng)質(zhì)輕等物理特性；
碳纖維片具有良好的抗酸、抗堿、抗鹽等化學(xué)特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其在10%的稀硫酸和氫氧化鈉等堿性溶液和鹽水中，浸漬強(qiáng)度不降低。其自身的防腐耐蝕性和可抵抗各種惡劣環(huán)境腐蝕的特點(diǎn)，大大提高了整體橋梁結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性和使用壽命；
碳纖維片所具備的良好的溫度穩(wěn)定性和耐水性，以及抗紫外線(xiàn)和抗老化性能等特點(diǎn)，非常適合橋梁工程的生存環(huán)境；
碳纖維片密度僅為200g/m2，其較輕的自重，加固時(shí)不但不增加橋梁結(jié)構(gòu)的自重和增大截面尺寸，而且柔性好、易于裁剪；
施工簡(jiǎn)便，加固時(shí)，無(wú)需過(guò)多的施工機(jī)構(gòu)和大型機(jī)械設(shè)備，易于操作，經(jīng)濟(jì)性好；
經(jīng)驗(yàn)表明，施工僅需要一周，相對(duì)工期較短。
所以，碳纖維加固技術(shù)適用于各種橋梁工程結(jié)構(gòu)類(lèi)型、適合于梁、板、柱、橋墩、橋梁等各種不同結(jié)構(gòu)部位的加固和維修。
2.2 加固原理
用于橋梁工程加固的碳纖維材料，必須與粘結(jié)劑共同使用。理論上碳纖維材料具有抗拉強(qiáng)度達(dá)到建筑用鋼材十幾倍的優(yōu)良的力學(xué)性能，但當(dāng)碳纖維材料通過(guò)一定的工藝手段被織成碳纖維布后，各碳纖維絲之間缺乏抱合力很難共同完全工作，出現(xiàn)碳纖維絲逐漸斷裂而整體破壞的現(xiàn)象。粘結(jié)劑的使用，大大地提高了碳纖維片的整體抗拉強(qiáng)度，可使纖維絲更好地共同工作，達(dá)到加固的目的。
3 碳纖維布加固橋梁工程的機(jī)理分析
3.1 對(duì)鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件的加固
碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過(guò)將碳纖維布粘貼于混凝土受彎構(gòu)件的受拉區(qū)，對(duì)鋼筋的受拉性能進(jìn)行替代或補(bǔ)充從而提高構(gòu)件的抗彎承載力而實(shí)現(xiàn)的。鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件粘貼碳纖維后。構(gòu)件的受拉部位的混凝土開(kāi)裂前，碳纖維的應(yīng)變較小，而當(dāng)抗彎構(gòu)件混凝土開(kāi)裂，特別是在鋼筋屈服后，碳纖維片則快速應(yīng)變，其高強(qiáng)高效的加固性能得以充分體現(xiàn)。
3.2 對(duì)鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件的加固
鋼筋混凝土的抗剪加固，是通過(guò)將碳纖維粘貼于鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪區(qū)，而使碳纖維發(fā)揮類(lèi)似箍筋的作用。鋼筋混凝土構(gòu)件在屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，應(yīng)變值較小，當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件屈服后，碳纖維布所代替的箍筋作用得以發(fā)揮，應(yīng)變速度急劇加快，達(dá)到對(duì)鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件的加固。
3.3 對(duì)鋼筋混凝土抗震構(gòu)件的加固
應(yīng)用碳纖維布對(duì)混凝土柱進(jìn)行抗震加固，是通過(guò)采用碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土柱橫向包裹提高其延展性而實(shí)現(xiàn)的。碳纖維對(duì)鋼筋混凝土抗震構(gòu)件的加固的實(shí)質(zhì)是對(duì)其內(nèi)部混凝土的約束作用。這種被動(dòng)約束會(huì)隨著混凝土柱軸向壓力的增大而產(chǎn)生橫向膨脹，從而促使包裹在鋼筋混凝土抗震構(gòu)件上的碳纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長(zhǎng)，提高側(cè)向約束力，達(dá)到顯著改善構(gòu)件的延性效果。
4 碳纖維片的選擇和加固技術(shù)維修管理
4.1 碳纖維片的選擇
碳纖維片材編織的均勻性，是直接影響橋梁工程加固和維修質(zhì)量的關(guān)鍵。只有分布和排列均勻的碳纖維束，經(jīng)加工形成復(fù)合材料后，才能充分發(fā)揮其整體均勻受力的優(yōu)良的物理特性。材質(zhì)的均勻性直接影響碳纖維片應(yīng)力分布和對(duì)橋梁工程構(gòu)件的加固和維修，處理不好，則碳纖維補(bǔ)強(qiáng)效果不能充分發(fā)揮出來(lái)。因此，選擇分布與排列均勻性較好的碳纖維片材，是橋梁工程加固和維修的關(guān)鍵。
4.2 加固技術(shù)維修管理
選擇碳纖維片材對(duì)橋梁工程加固和維修應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
在對(duì)加固和維修構(gòu)件進(jìn)行表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)嚴(yán)格按照加固設(shè)計(jì)部位進(jìn)行放線(xiàn)，準(zhǔn)確定位；
嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行碳纖維片材的裁剪，除保證裁剪后織物的長(zhǎng)度和寬度外，應(yīng)對(duì)碳纖維片材的裁剪做到邊角整齊；
擦拭碳纖維片材，保證表面干凈、無(wú)粉塵。如需粘貼正反兩層時(shí)，應(yīng)將底面碳纖維片材擦拭干凈，且妥善放置，以保證粘貼效果；
對(duì)擦拭干凈的碳纖維片材，應(yīng)采取立即涂刷粘結(jié)樹(shù)脂的方式予以保護(hù)。膠層應(yīng)呈現(xiàn)凸起形狀，其平均厚度以不小于2mm為宜；
用手將涂有粘結(jié)樹(shù)脂的碳纖維片材，采用輕輕壓貼的方式粘貼在加固位置，順著纖維片材的方向，用橡膠滾筒均勻地平穩(wěn)壓實(shí)，使二者之間的樹(shù)脂從兩邊溢流出，保證粘貼密實(shí)無(wú)空洞。平行粘貼碳纖維時(shí)，要求兩片之間間距應(yīng)以不小于5mm為宜；
因特殊需要，需要對(duì)加固和維修部位粘貼兩層碳纖維片材時(shí)，可采用連續(xù)粘貼的方式。施工中不能連續(xù)粘貼時(shí)，則應(yīng)對(duì)底層碳纖維片材按照粘貼要求重新做好清潔工作；
施工宜選擇在符合配套樹(shù)脂的使用溫度，如5℃以上的環(huán)境溫度條件下進(jìn)行。應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境溫度選取配套樹(shù)脂，或當(dāng)環(huán)境溫度低于配套樹(shù)脂使用溫度時(shí)，應(yīng)采用適合于低溫的配套樹(shù)脂，或采用升溫的處理措施；
施工時(shí)應(yīng)綜合考慮環(huán)境濕度對(duì)樹(shù)脂固化所產(chǎn)生的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率以不大于4％為宜；
樹(shù)脂的配制，應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品使用說(shuō)明所規(guī)定的配比進(jìn)行配制，準(zhǔn)確稱(chēng)量并置于容器中。按照操作說(shuō)明，使用不含油污及雜質(zhì)的、潔凈的攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。拌合量的確定應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度和工作量，嚴(yán)格控制每批的使用時(shí)間；
為了保證粘貼的質(zhì)量，確保橋梁工程的加固和維修，為保證對(duì)樹(shù)脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制，不同季節(jié)、不同溫濕度條件下，應(yīng)選用符合季節(jié)和溫濕度要求的不同型號(hào)的粘貼樹(shù)脂。
5 結(jié)論
綜上所述，碳纖維加固技術(shù)對(duì)橋梁工程的加固和維修，具有其它加固方法不可替代的優(yōu)勢(shì)。并且隨著碳纖維加固和維修理論的不斷完善、通過(guò)實(shí)踐對(duì)碳纖維材料加固維修機(jī)理不斷深入的研究和探索，碳纖維材料在橋梁工程以及未來(lái)其它領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。
