吳計(jì)紅

采用碳纖維材料(CFRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型、簡便、高效的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù),它是將具有高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量的碳纖維材料利用高性能的環(huán)氧樹脂類粘結(jié)膠粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面,使碳纖維材料與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體,從而增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。

1 材料性能

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)所用材料主要為碳纖維材料與粘貼用各種環(huán)氧樹脂膠。

1.1 碳纖維材料的力學(xué)性能

碳纖維材料的力學(xué)性能見表 1。

表1 碳纖維材料的力學(xué)性能

1.2 底層涂料的性能

底層涂料的性能見表2。

表2 底層涂料的性能 MPa

1.3 碳纖維粘浸膠的性能

碳纖維粘浸膠的性能見表3。

表3 碳纖維粘浸膠的性能

1.4 灌縫膠的性能

灌縫膠的性能見表 4。

表4 灌縫膠的性能 MPa

1.5 砂漿的性能

砂漿的性能見表 5。

表5 砂漿的性能 MPa

2 加固機(jī)理

將具有高抗拉強(qiáng)度的碳纖維材料利用高性能的環(huán)氧樹脂類粘結(jié)膠通過正確的施工工藝粘結(jié)在混凝土結(jié)構(gòu)的表面,使碳纖維材料與原結(jié)構(gòu)形成整體,從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。

3 粘貼碳纖維的施工工藝

3.1 測量放線

按照施工圖放出需要粘貼碳纖維的部位、間距,并做好標(biāo)記。

3.2 結(jié)構(gòu)卸荷

在加固施工前,盡可能卸去所要加固結(jié)構(gòu)上的荷載,使碳纖維粘貼施工時(shí)結(jié)構(gòu)承受的荷載作用減小到最小程度。

3.3 混凝土表面處理

1)混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化層的部位必須用砂輪機(jī)、角磨機(jī)去除,并達(dá)到結(jié)構(gòu)的密實(shí)部位,然后用吹風(fēng)機(jī)、毛刷將待補(bǔ)強(qiáng)部位的粉塵清掃、吹除干凈。對(duì)模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位用環(huán)氧樹脂填補(bǔ)平順。

2)裂縫若有漏水情形時(shí),先做好止水、導(dǎo)水處理。

3)進(jìn)行裂縫處理,寬度小于 0.2mm的裂縫,用注射法注射環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌縫處理;大于 0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫或環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行處理;對(duì)于寬度大于 1mm的裂縫采用微膨脹水泥砂漿修補(bǔ)。賽魚橋加固工程中橋梁的微彎板、小橫梁大部分都有寬度不同的裂縫,最大裂縫達(dá)到 1.0mm,為此我們對(duì)所加固的微彎板和小橫梁首先進(jìn)行了封閉壓力灌膠和微膨脹水泥砂漿處理。

4)檢查結(jié)構(gòu)是否有鋼筋外露,是否銹蝕。如有銹蝕,需進(jìn)行除銹、防銹處理后,再用強(qiáng)度相等或大于混凝土強(qiáng)度的CGM灌漿料或環(huán)氧樹脂砂漿材料進(jìn)行修補(bǔ)。

5)在處理完裂縫、露筋后,再次用混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具將結(jié)構(gòu)基面的混凝土打磨平整,尤其是表面的凸起部位要磨平,轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成凸角圓弧狀(R≥20mm,R為曲率半徑),凹角則以樹脂砂漿填補(bǔ)成光滑的圓弧。對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后用環(huán)氧樹脂砂漿材料進(jìn)行修補(bǔ)。

6)結(jié)構(gòu)表面打磨后,用吹風(fēng)機(jī)將表面灰塵和雜物清理干凈,用丙酮或工業(yè)酒精清洗干凈后,使表面充分干燥。

3.4 涂底膠

1)用彈簧秤把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放于容器中,用電動(dòng)攪拌器攪拌均勻,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。一般情況下 1h內(nèi)用完。

2)用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時(shí)間視現(xiàn)場氣溫而定,以指觸干燥為準(zhǔn))再進(jìn)行下一工序施工。

3)底層涂料指觸干燥或固化后,表面上的凸起部分(一般類似結(jié)露的露珠一樣)要用砂布或角磨機(jī)磨平。

3.5 粘貼

1)按設(shè)計(jì)尺寸裁剪碳纖維布,除非特殊要求,碳纖維布長度在 3m之內(nèi)。

2)調(diào)配、攪拌粘貼材料膠(使用方法與底膠相同),然后均勻涂抹于待粘貼的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。

3)粘貼碳纖維前用滾筒刷均勻地涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂。粘貼碳纖維時(shí),按照設(shè)計(jì)方向?qū)⑻祭w維材料粘貼在結(jié)構(gòu)上,用特制滾子反復(fù)沿纖維方向滾壓,使碳纖維材料和樹脂之間不再有空氣,樹脂膠充分浸透碳纖維材料并去除氣泡,脫泡作業(yè)后,須確認(rèn)纖維材料無褶皺、無歪斜。

4)碳纖維粘貼后放置 30m in,用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂,同時(shí)對(duì)碳纖維有浮出或脫線情形時(shí),進(jìn)行壓平修正。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的粘貼。

5)一般碳纖維不搭接,若確需搭接時(shí),其搭接部位避開構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)段,搭接長度不小于100mm,該部位應(yīng)多涂樹脂,且搭接端部應(yīng)平整無翹曲,去除氣泡、脫泡操作按正常進(jìn)行。粘貼后碳纖維的端部采用橫向碳纖維進(jìn)行固定。若碳纖維布需多層搭接,則各層接口位置不應(yīng)在同一面,其接口位置的相互凈距一般應(yīng)大于 200mm。

6)最后一層碳纖維的上涂必須涂刷均勻且周邊整齊。

3.6 檢查及保護(hù)

1)碳纖維粘貼施工后,應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),保證 24 h內(nèi)防止受潮,防止硬物碰傷表面。養(yǎng)護(hù)期間的溫度不低于環(huán)氧樹脂的允許使用溫度(5℃)。養(yǎng)護(hù)期在 1周～2周內(nèi)。2)用小錘輕擊或手壓碳纖維材料表面,檢查是否有空鼓。如無空鼓或只有少量小空鼓(＜3 cm)便視為合格;對(duì)于較大的空鼓(≥3 cm)或較多的小空鼓應(yīng)進(jìn)行灌入樹脂膠處理或者重新搭接粘貼等量的碳纖維材料,搭接粘貼碳纖維材料施工時(shí)的搭接長度不小于 100mm。3)加固后的碳纖維表面應(yīng)采取抹水泥砂漿或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)施工溫度:由于環(huán)氧樹脂在低溫下固化過程比較緩慢,涂層不易均勻,因此施工溫度保證在 5℃～35℃之間,相對(duì)濕度不大于 85%的環(huán)境下進(jìn)行施工。如混凝土表面含水率在 85%以上、有結(jié)露的可能時(shí),必須采取有效措施方可施工。

2)保持成型所需要的壓力:粘結(jié)碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí),在梁(板)的底面進(jìn)行,為避免碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層下墜,與混凝土之間的粘合不緊密,影響加固補(bǔ)強(qiáng)的效果,可以在粘貼范圍內(nèi)設(shè)置碳纖維材料U形箍錨固。U形箍應(yīng)在粘貼范圍內(nèi)均勻布置,而且一般在端部需設(shè)置一道,U形箍的粘貼高度宜伸至板底面,每道 U形箍的寬度與厚度均不宜小于受彎加固碳纖維布寬度的一半。

3)空鼓處理:粘貼碳纖維時(shí)樹脂膠涂刷必須均勻,并用力刮平,將氣泡擠出來,以免形成空鼓和脫膠,影響加固效果。若檢查發(fā)現(xiàn)粘貼出現(xiàn)了空鼓現(xiàn)象,可采取灌入環(huán)氧樹脂膠法、割刀切入填充樹脂修補(bǔ)法、補(bǔ)丁修補(bǔ)法(搭接長度不小于 100mm)等措施予以彌補(bǔ)。

5 結(jié)語

1)粘貼碳纖維加固施工方便,工效較高,不需模板和支撐,施工占地少,經(jīng)濟(jì)效益高。粘貼碳纖維加固修補(bǔ)后,能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的有效承載力,但不增加原結(jié)構(gòu)自重和尺寸。

2)粘貼碳纖維適用于工業(yè)、民用建筑、橋梁、水利等工程建筑中,因設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、維護(hù)、功能改變等原因造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度下降而需要對(duì)其進(jìn)行加固的混凝土結(jié)構(gòu)。

[1]陳開利,王 邦.橋梁工程鑒定與加固手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2005:6.

[2]碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].北京:中國計(jì)劃出版社,2007:1.

[3]岳清瑞.第二屆全國土木工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]劉 水,溫 欣.CFRP加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(10):57-59.