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[摘 要]碳纤维材料加固混凝土结构技术是一项新型结构加固技术.本文介绍了武汉长江二桥采用碳纤维布加固的设计方法、施工工艺及施工过程中的质量控制要点.
[关 键 词]粘贴碳纤维布施工方法加固
一、前言
碳纤维布应用于钢筋混凝土结构加固已有十年以上,在国外已经被普遍采用,在国内碳纤维布加固工艺已成为重要工程的一个新领域.在最近几年中,碳纤维布在公路桥梁结构加固中得到大力推广和应用,而我市利用碳纤维布加固大型桥梁尚属首次.本文所叙的加固工程是采用碳纤维布加固技术达到旧桥加固的事例.
二、工程概况
武汉长江二桥位于武汉长江大桥下游约5公里处,是武汉市跨越长江连接汉口与武昌的一座特大型城市桥梁,于1995年竣工通车.十年来,由于车辆严重超负荷运行(原长江二桥设计最大交通量为6万量/日,但建成不久就超饱和运营,目前日平均约15万量,其中高峰达到19万量.),在2000年～2005年,桥梁管理部门对武汉长江二桥正引桥箱梁进行了线型监测和全面检测试验.经过十年的超负荷运营使用,本桥累积损伤使得桥梁的刚度已经有了一定程度的下降,部分区段梁体因截面开裂发生应力重分布,部分区段梁体可能进入塑性工作状态,不满足结构平截面弹性体设计假定,并且部分已有裂缝尚在继续扩展.因此必须进行根本意义上的加固维护.本次长江二桥的加固维修运用了目前桥梁加固维修中所有的施工方法,分别是:1、箱内外裂缝灌胶和裂缝封闭,2、箱体内增设体外预应力,3、箱内外腹板粘贴钢板,4、箱梁外部底板、腹板粘贴碳纤维布,5、箱内靠近腹板处增设纵向钢桁架,6、缺陷修复.
本工程粘贴碳纤维布主要部位为箱梁顶板底面、底板底面、腹板内外侧.按碳纤维布粘贴层数分:三层、两层、单层,按碳纤维布受力方向分:纵向、竖向.粘贴碳纤维布在桥面压重的情况下展开施工.
本工程粘贴碳纤维布配套采用底层树脂、找平材料、浸渍树脂及表面防护材料.
三、主要材料性能指标
1、碳纤维布
碳纤维布规格300g/m2,根据设计要
求选用符合规范要求的合格产品,主要
力学性能指标见表--1.
碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净
截面面积计算,净截面面积取碳纤维布的计算厚度乘以宽度.碳纤维布的计算厚度应取碳纤维的单位面积质量除以碳纤维密度.
表--1加固用碳纤维布主要力学性能指标
性能项目抗拉强度弹性模量伸长率(%)
(MPa)(MPa)
碳纤维布≥3500≥2.1×105≥1.8
2、配套粘结材料
表--2底层树脂主要性能指标
性能项目性能要求试验方法标准
混合后初粘度(23℃)(Mpa.s)6000～13000GB/T12007.4
胶体抗拉强度≥0GB/T2568
钢-混凝土粘接正拉强度(Mpa)≥max{2.5,1.2ftk｝,且为混凝土内聚破坏混凝土结构加固技术规范
可操作时间(25℃时)(min)60～120GB/T14683
不挥发物含量(固体含量)(%)≥99%
表--3找平材料主要性能指标
性能项目性能要求试验方法标准
胶体抗拉强度≥25GB/T2568
胶体抗压强度≥50GB/T2569
钢-混凝土粘接正拉强度(Mpa)≥max{2.5,1.2ftk｝,且为混凝土内聚破坏混凝土结构加固技术规范
四、施工方法
碳纤维布粘贴工艺流程为:施工准备→混凝土表面处理(去除混凝土表面的粉刷层、把混凝土表面打平、将转角打成圆弧状)→配置并涂刷底层树脂(确认混凝土表面满足要求、涂敷基层树脂工作)→配置找平材料并对不平整处修复处理(等底胶胶面收干前后,再用修平胶找平粘贴基面)→配置并涂刷浸渍树脂→粘贴碳纤维布(绘制碳纤维布、剪切碳纤维布、铺贴基准放线、搅拌浸渍胶铺贴碳纤维布)→表面保护(表面涂刷浸渍胶,点粘砂粒、喷胶砂等).
1、混凝土表面处理
(1)施工前认真阅读设计施工图,按设计图纸,在粘布部位放线定位,并以一片梁为一个工作单元,进行粘贴碳纤维布施工.
(2)对梁体粘布部位的梁体进行打磨,清除粘布范围内梁体表面剥落、疏松、蜂窝、
腐蚀等劣化混凝土,露出混凝土新鲜层.
(3)梁体错台处将接缝凸出部分尽量凿除,减少坡度,使错台部分尽量平顺.
(4)对梁体粘布部位进行检查,特别是施工接缝处,清除梁体缺陷,凿除腐蚀等劣化混凝土.
(5)梁体原有油毛毡部分,先将油毛毡撕掉或打磨掉,对混凝土表面黑色继续打磨,直至露出混凝土新鲜层.对油毛毡表面有不平部分,先将疏松混凝土凿掉,然后将混凝土表面凿毛.
(6)转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20mm.
2、梁体缺陷修平
对打磨后梁体出现大面积凹陷较大的缺陷位置用环氧类修平材料进行修平.修平前将其用酒精进行清理,待酒精完全挥发保持干燥后,在凹陷位置涂刷环氧树脂基液,环氧树脂基液指干后,用修平胶将其修平.对凹陷较深的位置应分层修平时,待上次修平胶固化后再进行下一次修平,以此类推,直至修平完成,且每次修平的厚度不得大于5mm.梁体施工接缝或其它错台更高的位置采用放坡修平的方法,修平的坡度应控制在10%左右,同时,要注意坡度的平整度,确保碳纤维布平顺、平整与其结合.
3、配制并涂刷底胶
(1)当梁体粘布区混凝土基面处理完成后,用酒精将混凝土基面清理干净后,使其保持干燥.
(2)配制底胶时,严格按产品说明中规定的配比称量并置于容器中,用搅拌器拌至色泽均匀.在搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质.根据现场实际环境温度确定树脂的每次拌和量,并按要求严格控制使用时间.以一片梁为一个工作单元,每次拌和量以一片梁用量为准,必须配备足够的人手,以保证底胶的使用时间.
(3)涂刷时应力求薄而均匀,钢筋及凹凸不平等难于涂刷部位须反复涂刷,但涂刷底层树脂厚度不得超过1mm.宜在底层树脂表面指触干燥后,尽快进行下一工序的施工.
4、梁体混凝土基面局部找平
梁体缺陷较大的位置用修平胶大面积修平后,采用找平胶对局部小面积凹凸的混凝土基面进行找平.底层树脂涂刷后应间隔30～60分钟,清除基层中气泡.混凝土基面部位用找平材料填补平整,并对碳纤维布拐角的地方须作圆弧处理,半径不应小于20mm.找平完成待其固化后,用铲刀铲除涂刷底胶及找平后产生的棱角,并保持基面干净、干燥.同时,尽快进行下一工序的施工.
5、粘贴碳纤维布
(1)浸渍胶配制时,严格按产品说明中规定的配比称量,置于容器中,并用专用搅拌器拌至色泽均匀.环氧底胶与找平胶指干后,用滚筒把浸渍胶滚涂在粘布区混凝土基面上.滚筒吸满浸渍胶后应在容器壁上轻轻刮过,以免浸渍胶在滚涂的过程中四处洒落,既造成不必要的浪费(浸渍胶较贵),又污染环境.浸渍胶应均匀涂抹于需粘布的混凝土基面或已粘好的底层碳布上.浸渍胶层应呈突起伏,平均厚度不应小于2.如果个别位置浸渍胶滚涂过厚,成股下滴时,应用滚筒来回滚动,使其均匀滚涂浸渍胶.
(2)当浸渍胶滚涂5m左右开始粘贴碳纤维布.粘贴碳纤维布需6-8人配合作业,1名作业人员举起布圈沿粘布方向引导粘布,1-2名作业人员用手将碳纤维布轻轻的、平整的贴在混凝土基面上,2-3名作业人员用特制带丝纹的滚筒(罗啦)沿碳纤维布粘贴方向反复滚压,均匀平稳压实,使的浸渍胶从滚筒的丝纹中挤出,并挤除气泡,并使浸渍胶充分浸渍碳纤维布,渗透出布表面,保证密实无空洞.1-2名作业人员在后面用刮板在碳纤维布表面来回刮动,刮走多余浸透过来的胶水,补至未完全浸透的位置,使碳纤维布达到完全浸透的效果.
(3)当碳纤维布粘至凹凸及错台放坡位置时,引导粘布的作业人员应放松碳纤维布,轻轻的、平缓的紧贴基面上,切勿紧绷,以免碳纤维布拉得太紧,不能与混凝土基面完全紧贴,形成空鼓现象.
(4)粘贴碳纤维布时应注意接头的控制,沿粘布方向为纵向,搭接头不得小于10cm,横向搭接不得小于5cm.
(5)多层粘贴碳纤维布时,注意清理已粘布的表面,并保持其干燥,重复上述步骤,在最后一层的碳纤维布表面涂抹浸渍树脂.
(6)粘贴碳纤维布施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土间的粘结质量为主.用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面,以回声来判断粘结效果,如出现空鼓等粘结不密实现象,应采取补救措施.若粘结密实面积小于95%,则须重新施工.当碳纤维布的空鼓面积不大于10000mm2时,可用针管注胶的方法进行修补,当空鼓面积大于10000mm2时,将空鼓部位的碳纤维布切除,重新搭接贴上等量的碳纤维布,搭接长度不应小于100mm.
6、碳纤维布表面防护
为了避免碳纤维布遭到紫外线的照射,箱外面碳纤维布表面采用喷水泥胶砂的方案对其进行防护,箱内由于无紫外线照射,故不采用任何防护方案.
(1)箱外粘贴碳纤维布表面防护施工顺序:打磨碳布表面→清理碳布表面→涂刷浸渍胶→植入碎石颗粒→喷涂环氧水泥胶砂.
(2)箱外施工采用现有外挂平台进行施工,施工时对脚手架应进行全面检查,确保外挂平台的结构安全后方可使用.首先采用砂纸打磨碳布表面,再用毛刷或棉纱对碳布表面进行清理干净,清理表面灰层和污垢,清理干净后采用滚筒或毛刷将调配好的浸渍胶均匀的涂刷在碳布表面1mm厚,涂刷完成后立即植入粒径2.5～3.5mm带棱角的碎石,碎石应洁净,不带有泥土等污渍.每平米植入碎石颗粒控制在5万～6万,碎石材料的标号不低于25号.
(3)待植入碎石的浸渍胶完全固化后,喷涂水泥胶砂.水泥胶砂的重量配合比为:107胶:水泥:中砂等于1:1:1,施工时可根据现场喷涂粘贴效果适当调整.水泥胶砂的标号不低于7.5号.砂子采用洁净的河砂.
(4)配制喷涂水泥胶砂时,要根据原梁体的颜色选用不同的水泥,尽量使配制出的水泥胶砂与原梁体的颜色保持一至.
(5)喷涂水泥胶砂采用类似于喷涂真实漆的方法.在空压机的气管上接一个铁属斗,斗内装满水泥胶砂,以空压机压缩出的空气为动力,将斗中的水泥胶喷至碳纤维布表面的碎石上,防护层的总厚度不小于4mm.
五、碳纤维布加固混凝土结构施工质量现场检测方法
1、设备及试样
(1)粘结强度检测仪
(2)取样规则
现场检验应在已完成碳纤维片材粘结加固的结构表面上进行.按实际粘结碳纤维片材的加固结构表面面积计,500以下工程取一组试样,500至1000工程取两组试样,1000以上工程每1000取两组试样.试样由检测人员随即抽取,试样间距不得小于500mm.
(3)现场试样制备
a、表面处理:被测部位的加固表面应清除污渍并保持干燥.
b、切割预切缝:从加固表面向混凝土基体内部切割预切缝,切入混凝土深度2～3mm,宽度1～2mm.预切缝为40×40mm的正方形.
c、粘贴钢标准块:采用取样粘结剂粘结40×40mm的正方形钢标准块.取样粘结剂的正拉粘结强度应大于碳纤维片材粘结树脂的正拉粘结强度.钢标准块粘结后应及时固定.
2、试验步骤
按照粘结强度检测仪生产厂提供的使用说明书,连接钢标准块.以1500～2000N/min的速度进行加载,记录试样破坏时的荷载,并观察破坏形式.
3、试验结果
(1)强度计算f等于P/A
式中f―正拉粘结强度,Mpa,
P―试样破坏时的荷载值,N,
A―钢标准块的粘结面面积,mm2.
(2)破坏形式
A、混凝土破坏:混凝土试块破坏,以Af表示.
B、层间破坏:树脂与混凝土间复合涂层界面破坏,以Bf表示.
C、碳纤维片材破坏:碳纤维内部破坏,以Cf表示.
D、粘结失效:碳纤维片材与钢标准块之间破坏,以Df表示.
(3)试验结果的表示
每组取3个被测试样,以算术平均值作为该组正拉粘结强度的试验结果.
试验结果包括破坏形式、3个试样的正拉粘结强度值和该组正拉粘结强度的试验平均值.
(4)按照下列判断对施工质量进行判定:
A、破坏形式为Af时,施工质量判定为合格,
B、破坏形式为Bf、Cf、Df时,如满足每组试样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5Mpa,且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工质量判定为合格,
C、破坏形式为Bf、Cf,如不能满足每组试样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5Mpa,且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工质量判定为不合格,或根据实际工程情况加大样品数量重新检验,
D、破坏形式为Df,如不能满足每组试
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样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5Mpa,且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25Mpa的要求,应重新制备试样和检验.六、施工质量效果
武汉长江二桥维修工程粘贴碳纤维布过程中,按实际粘结碳纤维布的加固结构表面面积计,500以下工程取一组试样,500至1000工程取两组试样,1000以上工程每1000取两组试样.试样由检测人员及监理工程师随即抽取,做碳纤维布粘结强度正拉试验,试验结果均为混凝土破坏,合格率达100%.
粘贴碳纤维布完成后经业主、监理、设计的严格检查评定,武汉长江二桥粘贴碳纤维布施工质量一次性验收合格,工程按时并顺利的进入了下一道工序.
七、结论
1、通过荷载试验验证,碳纤维布加固武汉长江二桥,使旧桥基本恢复原来的承载水平.
2、碳纤维布加固桥梁是一项新技术,碳纤维布材料轻,现场粘结无需重型设备,设施简便,便于在桥梁高空作业,可在公路桥梁加固工程中广泛推广.
3、目前,粘贴碳纤维布加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法.
[参考文献]
1.《桥梁结构用碳纤维片材》(JT/T532-2004),中华人民共和国交通行业标准,
2.GB0010-2002,混凝土结构设计规范[S],
3.CECS146:2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规范[S].