張 煒

(衡水市公路勘測設(shè)計所)

1 前言

隨著近年來載重汽車噸位的不斷增大，我們在進(jìn)行的公路日常養(yǎng)護(hù)工作中發(fā)現(xiàn)許多公路經(jīng)過多年運(yùn)營許多橋涵的蓋板出現(xiàn)了混凝土開裂、風(fēng)化露筋、鋼筋銹蝕等嚴(yán)重病害，橋涵蓋板的承載力下降。該病害嚴(yán)重地影響到公路行車安全，急需對發(fā)生病害的橋涵蓋板進(jìn)行加固處理。

2 碳纖維材料特性

碳纖維是一種由有機(jī)母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或?yàn)r青)采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的1/2，鋼的1/5。盡管碳纖維質(zhì)量輕，但它強(qiáng)度高，有很高的“比強(qiáng)度”(比強(qiáng)度=材料的強(qiáng)度極限/材料的單位重)，碳纖維還有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000m長的纖維的克數(shù))，一般僅約為19g;拉力高達(dá)300kg/mm2;目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。

用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固始于20世紀(jì)70～80年代的美國、日本。日本阪神大地震及臺灣“9.11”地震后，碳纖維加固技術(shù)被廣泛用于震后建筑重建和補(bǔ)強(qiáng)，這些都促進(jìn)了碳纖維在加固補(bǔ)強(qiáng)工程中的應(yīng)用。我國在這方面起步較晚，但發(fā)展勢頭迅猛，進(jìn)展飛快，已經(jīng)有了許多橋梁加固成功的實(shí)例。如南京機(jī)場路高架橋空心板補(bǔ)強(qiáng)修復(fù);盧溝新橋的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)工程等等。

3 橋涵病害產(chǎn)生的原因

橋涵產(chǎn)生病害的原因是多方面的，主要有以下幾點(diǎn)。(1)在橋涵建設(shè)施工時，存在質(zhì)量問題，蓋板鋼筋保護(hù)層厚度不夠，混凝土震搗不密實(shí)，經(jīng)常年使用，表層混凝土容易風(fēng)化脫落，形成露筋。(2)蓋板防水層開裂失效，雨水不斷滲入與蓋板混凝土的主要成分硅酸鈣發(fā)生水化反應(yīng)，形成游離鈣、硅酸和氫氧根，在毛細(xì)壓作用下混凝土中的鹽份被水帶出淤積于混凝土表面，進(jìn)一步與空氣中的二氧化碳反應(yīng)在混凝土表面結(jié)晶形成白色硬塊，最后形成堿蝕。在這個過程中，如果結(jié)構(gòu)存在裂縫，就會引起鋼筋的銹脹，出現(xiàn)鋼筋銹蝕的情況。(3)空氣中和土質(zhì)中都含有一定的氯鹽成分，鹽水滲入到蓋板混凝土的縫隙里，引起堿骨料反應(yīng)發(fā)生鹽腐蝕，加速了混凝土的離析。

4 碳纖維加固技術(shù)的工作原理

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，是利用專門配制的粘結(jié)劑將碳纖維片粘貼在混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，使混凝土與碳纖維片形成一體，共同工作的加固修補(bǔ)方式。(1)碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度是普通Ⅱ級鋼筋抗拉強(qiáng)度的10倍以上，彈模也與鋼材相當(dāng)。(2)碳纖維材料不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，適合于沿海地區(qū)空氣濕度大，鹽堿含量較高的特點(diǎn)。(3)碳纖維的單位體積重量僅為鋼材的1/4左右，制成板狀后，其厚度僅為1.4mm左右，幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和改變截面外形。由于碳纖維布是一種柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，很適合于加固橋涵蓋板這類施工面較小的工程。(4)施工簡便、工序簡單，由于其自重較輕，可用小型電動工具操作，操作空間要求較寬松。不像傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方法需要眾多工種、大量勞力及大型施工設(shè)備，可以在傳統(tǒng)技術(shù)無法施工的有限作業(yè)空間內(nèi)實(shí)施。

5 碳纖維加固技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)越性

高強(qiáng)高效。由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中可以提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的。

施工便捷，工效高，無濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具，施工占用場地少。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維材料是粘貼鋼板施工工效的4～8倍。

具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性。試驗(yàn)表明，碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抗御建筑物經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。

適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛適用于各種結(jié)構(gòu)類型(如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道等)、各種結(jié)構(gòu)形狀(如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等)、各種結(jié)構(gòu)部位(如梁、板、柱、節(jié)點(diǎn)、拱、殼、墩等)的加固修補(bǔ)，且不改變結(jié)構(gòu)形狀，這是目前任何一種結(jié)構(gòu)加固方法所不可比擬的。尤其重要的是，對于一些大型橋梁橋墩、橋梁、橋板以及隧道、大型筒體及殼體結(jié)構(gòu)工程等，采用舊的加固手段幾乎無法實(shí)施，而采用該項(xiàng)加固技術(shù)都能順利解決。

施工質(zhì)量易保證。由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整也基本可以達(dá)到100％的有效粘貼率，而粘貼鋼板則很難達(dá)到100％的有效粘貼面，相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也只要求其達(dá)到70％就可以了。

碳纖維材料質(zhì)量輕且薄，粘貼后每平方米重量不到1.0kg，粘貼一層的厚度僅1.0mm左右，加固修補(bǔ)后基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。

6 碳纖維加固技術(shù)的設(shè)計原則

碳纖維加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)作為一項(xiàng)新技術(shù)，既有其不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也有其一定的適用范圍和適用條件，超出此范圍而盲目地采用此技術(shù)就會導(dǎo)致不安全、不經(jīng)濟(jì)、不合理的后果。首先，被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小截面尺寸必須滿足有關(guān)規(guī)范的要求;其次，被加固構(gòu)件的受壓區(qū)高度、配筋率、面積配箍率、體積配箍率等仍要滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求;第三，要求加固后不改變原有結(jié)構(gòu)的最終破壞形式;碳纖維布的應(yīng)用存在使用效率問題，同樣的碳纖維布用量，分條加固效果好于整條粘貼，構(gòu)件受彎承載力隨碳纖維布用量的增加而提高，當(dāng)碳纖維布使用層數(shù)較少時，提高幅度相對較大，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，提高幅度相應(yīng)減少;當(dāng)碳纖維布用量過多時，構(gòu)件破壞將由碳纖維布被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷帘粔核槠茐?，?gòu)件延性有所降低。

7 碳纖維加固施工流程

橋涵蓋板加固工程的施工日期要安排在雨季前或雨季后，以減少雨水對工程的影響。其施工工序?yàn)槭┕?zhǔn)備、混凝土表面處理、配置、涂刷底膠、配置找平膠并找平面層、粘貼碳纖維片材、保護(hù)。施工基本流程為:被加固結(jié)構(gòu)物表面處理→斷面修復(fù)→底層表面的涂布→不平面修整→碳纖維貼片施工→固化→表面涂裝→施工質(zhì)量檢查。

(1)施工準(zhǔn)備:認(rèn)真閱讀設(shè)計圖紙，根據(jù)實(shí)際情況擬定施工計劃，備齊施工所需的各種材料及機(jī)具。

(2)混凝土表面處理:清除橋涵蓋板底面剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，對于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)。用混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，將混凝土面層打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20mm)。用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

(3)配置、涂刷底膠∶按主劑∶固化劑=2∶1的比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時間。用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

(4)配置找平膠(FE膠)并找平面層混凝土蓋板表面凹陷部位用FE膠填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用FE膠填補(bǔ)，轉(zhuǎn)角處用FE膠修補(bǔ)成光滑的圓弧，半徑不小于10mm。

(5)粘貼碳纖維片材:按尺寸裁剪碳纖維布，調(diào)配、攪拌粘貼碳纖維材料的加固專用膠(FR膠)，攪拌至色澤均勻，然后用滾筒刷均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在確定所粘貼部位無誤后剝?nèi)ルx型紙，將碳纖維布拉緊展平并鋪在涂有FR膠基面上，用特制滾子反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維。碳纖維沿纖維方向的搭接長度不小于100mm，碳纖維端部固定用橫向碳纖維固定。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥進(jìn)行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維的表面均勻涂抹FR膠。其厚度為1～2mm。

(6)保護(hù)在加固后的碳纖維表面噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

8 結(jié)束語

材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時代。通過不同工程實(shí)例應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)整治、加固技術(shù)，總體反映都取得了良好的效果。實(shí)踐證明碳纖維具有高強(qiáng)高效、材質(zhì)薄、重量輕、施工便捷、耐久耐腐蝕性好等特點(diǎn)。因此，該項(xiàng)技術(shù)具有重要的社會意義，并蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。采用碳纖維加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)在公路養(yǎng)護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。