高冰冰;谷萬(wàn)鵬

摘要:橋梁結(jié)構(gòu)的維修、加固和補(bǔ)強(qiáng)等措施的研究和應(yīng)用工程已經(jīng)引起了世界性的關(guān)注。試從對(duì)碳纖維的特性分析出發(fā),來(lái)論述碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)中的應(yīng)用。

Abstract: The research and application of the mending, strengthening and reinforcement of the bridge have drawn worldwide attention. The thesis begins with the characteristics of the carbon fiber, and discusses the application of the carbon fiber strengthening technology in the bridge construction.

關(guān)鍵詞:碳纖維;加固;橋梁;結(jié)構(gòu)

Key words: carbon fiber; strengthening; bridge; structure

中圖分類號(hào):U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-4311(2010)04-0249-01

1碳纖維材料的基本特性

1.1碳纖維片材

片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在2400～3400MPa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)性能而不同,它依據(jù)力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量3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)受酸堿鹽及其他各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕,有著良好的耐寒和耐熱性。

1.2 配套樹(shù)脂類粘結(jié)材料

混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹(shù)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(shù)脂或粘結(jié)樹(shù)脂,前者用于碳纖維布粘貼,后者用于碳纖維板粘貼。

浸漬樹(shù)脂或粘貼樹(shù)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(shù)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(shù)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。采用專配的環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂材料的這一性能完全適合混凝土橋梁的加固工作。

2粘貼碳纖維片材加固施工技術(shù)

2.1 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)去除,用水洗凈后使其充分干燥,然后才能予以施工。

2.2 斷面修復(fù)

混凝土面層的不良部分,例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等,必須予以清除。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(shù)脂砂漿材料修補(bǔ)。裂縫以環(huán)氧樹(shù)脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時(shí),必須做好止水、導(dǎo)水處理才能進(jìn)行施工作業(yè)。

2.3 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(shù)脂或樹(shù)脂砂漿填補(bǔ)。轉(zhuǎn)角處需研磨至凸角R=20毫米(R-曲率半徑)以上,凹角則以樹(shù)脂砂漿填補(bǔ)。

2.4 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?。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通,嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿帶保護(hù)裝備(口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套)。

2.5 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。依使用量剪裁尺寸和長(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(guò)一星期以上時(shí),應(yīng)以砂輪機(jī)磨平。

將環(huán)氧樹(shù)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),使其均勻地混合2分鐘以上。一次拌合量為可使用時(shí)間的施工量,超過(guò)可使用時(shí)間的材料,不可繼續(xù)使用。

環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂浸透并去除氣泡,纖維縱向方向的搭接長(zhǎng)度至少要留10cm,橫向方向則不用留。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)。

3粘貼碳纖維片材加固橋梁的應(yīng)用

3.1 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的方法,滿足了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。

3.2 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,輔以其他方法,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、裂縫封閉等方法綜合應(yīng)用,這點(diǎn)值得肯定和推而廣之。

3.3 我國(guó)目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹(shù)脂類粘結(jié)材料,一般是以國(guó)外進(jìn)口材料為主,國(guó)產(chǎn)材料較少,且產(chǎn)品的勻質(zhì)性及低樹(shù)脂含量等技術(shù)指標(biāo)上還存在一定的差距。這樣,因進(jìn)口材料單價(jià)高,往往會(huì)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)及措施提高國(guó)產(chǎn)材料質(zhì)量,在碳纖維片材加固技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)更多地從加固效果和耐久方面來(lái)考慮橋梁加固后正常運(yùn)營(yíng)效益與經(jīng)濟(jì)性。

3.4 建議在先進(jìn)國(guó)家科學(xué)研究實(shí)踐的基礎(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)指南,以此來(lái)指導(dǎo)我國(guó)橋梁加固該類工程的施工作業(yè)。

總之,碳纖維片材加固補(bǔ)強(qiáng)公路混凝土橋梁是一項(xiàng)比較新的技術(shù),它的推廣和應(yīng)用需要結(jié)合我國(guó)橋梁加固工程的特點(diǎn)進(jìn)行深入的研究和不斷的完善,從而使我國(guó)公路舊橋加固維修技術(shù)躍上一個(gè)新的臺(tái)階。