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        橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)

        2018-05-21 03:15:41張為民
        關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維

        張為民

        (中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,廣東佛山528247)

        大量應(yīng)用實(shí)例表明,在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫處理中應(yīng)用碳纖維加固技術(shù),既能有效提升橋梁結(jié)構(gòu)的承載力,而且很大程度上也能降低橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理的成本。但我國對此方面的研究還有待進(jìn)一步深入,因此本文基于工程實(shí)例,對橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)做了如下研究。

        一、案例分析

        佛(山)江(門)高速公路和順至陳村段起點(diǎn)位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn),與珠二環(huán)交叉處的南海區(qū)與花都區(qū)的行政邊界上,同規(guī)劃的紅棉大道對接;終點(diǎn)位于順德區(qū)陳村鎮(zhèn),與廣明高速陳村互通對接。設(shè)計(jì)速度為100km/h,雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。

        本標(biāo)段路線起點(diǎn)樁號為K22+100,終點(diǎn)樁號為K31+300,路線全長9.2km。本標(biāo)段含廣佛新干線立交、海八路立交、海五路立交等。在2016年6月發(fā)現(xiàn)海八路立交上兩片板之間有大量橫向裂縫,裂縫寬度在1.2~3.5mm,為控制裂縫繼續(xù)發(fā)展,采用沿板縱向通長粘貼碳纖維片,以達(dá)到受彎構(gòu)件受拉區(qū)不強(qiáng)的目的。通過查閱該橋梁的設(shè)計(jì)荷載,根據(jù)裂縫實(shí)際情況、碳纖維片抗拉試驗(yàn)結(jié)果的綜合因素,確定碳纖維片粘貼三層,并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿,以控制裂縫繼續(xù)發(fā)展,到2017年6月裂縫明顯得到控制,同時沒有發(fā)生新的裂縫。

        二、橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析

        研究表明,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因有很多,為保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,就必須明確造成裂縫產(chǎn)生的主要原因,才能為加固和處理方案的制定提供真實(shí)有效的參考依據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

        (一)實(shí)際荷載超過設(shè)計(jì)荷載

        橋梁在使用過程中,如果行駛車輛超過橋梁的設(shè)計(jì)荷載,則會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。通常情況下,在橋梁設(shè)計(jì)時難以對多種情況的發(fā)生進(jìn)行全方位考慮。比如:如果在鋼筋材料選擇時沒有充分考慮鋼筋的剛度和韌性,或者在施工前沒有該橋梁車輛通行情況進(jìn)行調(diào)查,就很難行之有效地對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面控制,造成橋梁在使用時超過設(shè)計(jì)荷載的車輛通過,就會導(dǎo)致橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

        (二)溫度變化引發(fā)的裂縫

        在橋梁工程施工時,需要澆筑多層混凝土才能保證橋梁質(zhì)量。在澆筑過程中,沒有采取一系列放松約束的措施,而是直接把新混凝土澆筑到原有混凝土表面上,就會造成增加混凝土內(nèi)部溫度,在混凝土層和層之間就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土韌性的臨界值時,就會形成裂縫。而且此種裂縫比較深,如果不進(jìn)行及時處理,會對橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

        (三)混凝土自身收縮產(chǎn)生的裂縫

        由于混凝土存在水化反應(yīng),在凝固過程中會發(fā)生收縮,從而形成相應(yīng)的收縮應(yīng)力,當(dāng)收縮應(yīng)力超過混凝土自身強(qiáng)度時就會產(chǎn)生裂縫。而且混凝土配比不同,產(chǎn)生的收縮量也不盡相同,在外界溫度、濕度等因素的影響下就會產(chǎn)生不同程度的變形,從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫。

        (四)地基變形引發(fā)的裂縫

        如果地基發(fā)生不同不均勻沉降或者發(fā)生水平位移,就會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動,在結(jié)構(gòu)之間就會形成巨大的壓力。當(dāng)壓力超過橋梁結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度時,就會導(dǎo)致發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

        (五)鋼筋銹蝕造成的裂縫

        鋼筋和混凝土都是橋梁工程施工的主要材料,如果鋼筋被銹蝕,則橋梁結(jié)構(gòu)勢必會發(fā)生裂縫。主要原因是一旦鋼筋出現(xiàn)銹蝕,則會對周圍的混凝土結(jié)構(gòu)造成巨大影響,混凝土中的水分和有機(jī)物會進(jìn)一步腐蝕鋼筋,就會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫。

        (六)冰凍情況下膨脹造成的裂縫

        如果混凝土在施工過程中,周圍溫度過低,則會導(dǎo)致混凝土中的水凝結(jié)成冰。由于水具有反常膨脹的物理特性,水變?yōu)楸篌w積會大幅度增加,使得混凝土結(jié)構(gòu)跟著膨脹,就會引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,并逐漸向外作用,從而降低混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在使用時就會發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

        三、碳纖維加固技術(shù)的特性

        處理橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的方法有很多,碳纖維加固技術(shù)是一種新型加固方法。其主要特征為:先用膠帶把碳纖維粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫表面,可大幅度提升原橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性,提升橋梁的承載力。碳纖維片組成示意圖如圖1所所示:

        圖1 碳纖維片組成示意圖

        在具體應(yīng)用時,為切實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在裂縫加固處理中要盡量采用高強(qiáng)度、高彈性的碳纖維。同時,碳纖維的排布要盡量成片狀,經(jīng)過樹脂等高黏度材料的浸泡下,牢牢粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)表面,可促使橋梁原有結(jié)構(gòu)和碳纖維緊密結(jié)合到一起。片狀的碳纖維的強(qiáng)度、彈力都非常高,抗拉強(qiáng)度也比較大,可達(dá)到2400MPa,是鋼材拉伸度的10~15倍,而碳纖維的理化性質(zhì)比較穩(wěn),不會輕易被腐蝕,且耐寒性和耐熱性都比較好。因此,被廣泛應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理中。

        四、碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫中的應(yīng)用

        (一)橋梁結(jié)構(gòu)裂縫表層處理

        對于橋梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度在0.15mm以上的裂縫,可采用壁可法裂縫粘貼碳纖維片進(jìn)行封閉處理,碳纖維片的各項(xiàng)性能和指標(biāo)要符合《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TJ122-2008)中規(guī)定,并經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理審核通過后才能應(yīng)用到裂縫處理中。所選擇的碳纖維要滿足以下兩點(diǎn)要求:第一,粘貼性好、可滲透性強(qiáng),具有一定的可灌性;第二,固化后收縮性小,固化時間可調(diào)節(jié),操作工藝簡單便捷,固化后不能發(fā)生遺留化學(xué)物質(zhì)。具體操作流程如圖2所示:

        圖2 碳纖維加固技術(shù)流程圖

        施工要求和方法:先對裂縫進(jìn)行全方位調(diào)查,對裂縫的數(shù)量、長度、寬度等情況進(jìn)行現(xiàn)場核對,并最好記錄。橋梁混凝土構(gòu)件裂縫處理應(yīng)根據(jù)不同構(gòu)件、不同部位、不同的裂縫形態(tài)選擇適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)方法、修補(bǔ)材料和修補(bǔ)順序。對裂縫縫口進(jìn)行全面處理,確保碳纖維加固工作片平順、干燥、無油污,處理范圍要沿裂縫走向?qū)?0mm~50mm。

        (二)環(huán)氧碳纖維封閉裂縫加固技術(shù)

        環(huán)氧碳纖維封閉裂縫加固技術(shù)的應(yīng)用流程為:表面處理→清潔表面→沿裂縫開6mm~8mm深的v形槽→環(huán)氧樹脂膠泥封閉裂縫→涂刷環(huán)氧樹脂膠液→養(yǎng)護(hù)→檢查質(zhì)量。為最大限度上保證橋梁裂縫加固處理質(zhì)量,要先用鋼絲刷清除原混凝土表面浮漿,并打毛裂縫周圍2cm~5cm內(nèi)的混凝土,沿著裂縫的方向開6mm~8mm深的V形槽,通過高壓壓縮空氣吹掉裂縫的浮塵,通過甲苯溶液對裂縫口清洗。根據(jù)實(shí)際情況配置環(huán)氧樹脂膠泥和碳纖維片,均勻涂抹在裂縫表面,把裂縫全部封閉。當(dāng)環(huán)氧樹脂固化后,在碳纖維表面再涂刷一層環(huán)氧樹脂,提高對裂縫的保護(hù)作用。帶環(huán)氧樹脂和碳纖維全部固化后,再進(jìn)行表面平滑處理。

        (三)碳纖維布粘貼和養(yǎng)護(hù)技術(shù)

        應(yīng)用實(shí)例表明,碳纖維布的粘貼質(zhì)量和粘貼技術(shù)有很大關(guān)系,在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理過程中,要根據(jù)裂縫的實(shí)際情況、形成原因等具體情況進(jìn)行全面設(shè)計(jì),選擇與之相適碳纖維布,然后對需要加固的裂縫進(jìn)行合理處理和涂刷。比如:在橋梁結(jié)構(gòu)的受力區(qū)域,要進(jìn)行受彎件加固,則要采用U形碳纖維布,并增加涂刷厚度,才能最大限度上保證加固效果。同時,還要保證碳纖維粘貼方向和受拉方向的一致性。在碳纖維布粘貼過程中,要嚴(yán)格按照國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固處理,在施工前還要參照概率理論對碳纖維的極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,以保證橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固效果。

        五、碳纖維加固技術(shù)在應(yīng)用時需要注意的幾個關(guān)鍵技術(shù)

        (一)保證施工工藝可靠性

        大量橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理實(shí)例表明,科學(xué)、合理、規(guī)范的施工工藝和先進(jìn)的管理方法,可大幅度提升碳纖維片和混凝土粘貼的牢固性。因此,在應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)時,要充分做好以下幾點(diǎn):

        第一,全面處理裂縫表面。把裂縫周圍疏松、脆裂、松脫的混凝土全部剔除,必要時還要做防銹處理。當(dāng)裂縫寬度在0.20mm以下時,用環(huán)氧樹脂涂抹封閉即可;當(dāng)裂縫寬度在0.20mm以上時,則需要用環(huán)氧樹脂灌縫處理。

        第二,合理處理粘貼碳纖維片基層,對混凝土殘缺用高于原混凝土強(qiáng)度等級的砂漿進(jìn)行修補(bǔ)平整,切除風(fēng)化劣化層、浮漿等污染,保證修補(bǔ)表面的清潔性。

        第三,粘貼碳纖維片,在經(jīng)過處理的混凝土表面,先涂刷一層TR型環(huán)氧樹脂,并根據(jù)裂縫實(shí)際情況,裁剪碳纖維片。當(dāng)碳纖維片粘貼完成后,還要在表面涂刷一層環(huán)氧樹脂,各項(xiàng)工作要嚴(yán)格按照操作規(guī)程和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)開展,最大限度上保證橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理的質(zhì)量。

        第四,碳纖維片養(yǎng)護(hù)和涂裝。一般情況下,碳纖維片粘貼要養(yǎng)護(hù)10~15天,才能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。養(yǎng)護(hù)完成后,還要在表面涂刷各種性能和不同顏色的涂裝,進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固效果。

        (二)保證碳纖維材料的可靠性

        碳纖維普遍具有較高的力學(xué)性能,和碳纖維片本身的材料屬性、加工工藝具有極為密切的關(guān)系。碳纖維規(guī)格和性格指標(biāo)如附表1所示。

        比如:碳纖維片只有分布均勻后,才能充分發(fā)揮整體受力的作用。如果碳纖維片的材質(zhì)均勻性不足,則會很大程度上降低橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固的效果,所以在選擇碳纖維材料時,要盡量選擇材質(zhì)均質(zhì)的碳纖維片。

        綜上所述,本文結(jié)合工程實(shí)例,深入研究了橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)。研究結(jié)果表明,橋梁結(jié)構(gòu)裂縫是橋梁工程中最常見的病害,如果不進(jìn)行科學(xué)合理的加固處理,則會對橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。通過應(yīng)用碳纖維加固技術(shù),既能有效抑制裂縫繼續(xù)發(fā)展,而且還能大幅度提升橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時還具有施工便捷、施工速度快、施工效果比較好等優(yōu)點(diǎn),值得大范圍推廣應(yīng)用。

        附表1 碳纖維規(guī)格和性格指標(biāo)

        參考文獻(xiàn):

        [1]王秀梅.橋梁結(jié)構(gòu)裂縫和碳纖維加固技術(shù)研究[J].交通世界,2016(22):106-107.

        [2]蔣清南.橋梁結(jié)構(gòu)施工中碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾,2016(9).

        [3]張雷.建筑工程結(jié)構(gòu)裂縫處理中對于碳纖維加固的應(yīng)用探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2014(24).

        [4]李輝,馮超.橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)探討[J].工程技術(shù)(全文版),2017(3):166.

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