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高强碳纤维在桥墩加固中的应用
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高强碳纤维在桥墩加固中的应用 
关键词: 碳纤维加固
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高强碳纤维在桥墩加固中的应用-毅实桥梁


1 工程概况

  该桥位于某在建高速公路上,上部结构为40m预应力混凝土T梁,先简支后连续结构,下部结构为U形桥台、明挖扩大基础,桥墩采用矩形薄壁墩,基础均为挖孔桩基础。
  在施工过程中该桥4号墩墩身受到意外撞击出现裂缝,该墩为空心薄壁墩,墩壁厚0.5m,墩高为49m,事后检测中心对4号墩裂缝的分布情况、长度、宽度及深度进行了检测。根据检测结果分析墩身裂缝均为竖向裂缝,共发现6条裂缝:正前方4条,最长为14.1m,宽度为0.2mm;左侧1条,长度为18.5m,最宽处为6mm;右侧1条,长度14.1m,宽度为0.1mm;墩身内壁两倒脚处也各有1条裂缝,长度分别为7m和9m,缝宽为0.4mm。桥墩正后方未发现裂缝,裂缝范围在桥墩的上半部分,距地面高度为24~49m。
  2 加固方案确定
  2.1 方案确定
  经过对裂缝的分析,认为桥墩只是出现竖向裂缝,未发现横向裂缝,决定对桥墩进行加固处理:对桥墩开裂范围外侧进行加强,墩身空心部分采用混凝土浇筑密实,从而以确保该桥的耐久性及可靠性,同时为保证工期以及节约成本。
  该墩为过渡墩,墩顶设计安装滑动支座,根据桥墩受力分析,桥墩承受竖直向下的压力,因墩身无横向裂缝,可以采用抗拉强度高的材料将墩身箍紧,防止受力墩身横向变形,并与墩身共同受力。备选方案有采用外侧粘贴型钢加强,钢筋混凝土加大截面加强和横向粘贴高强度碳纤维布。
  经过论证决定采用横向粘贴高强度碳纤维布进行补强,补强范围为墩身上半部分24~49m。
  2.2 碳纤维布的原理
  利用树酯类粘贴材料将高强度纤维织物粘贴于结构物表面,从而达到对结构物补强加固的目的。可以取代钢筋运用于抗弯、抗剪的结构物加固,直接有效的提高其承载力;通过碳纤维布横向裹筋,可以间接提高核心混凝土的强度和延性。
  3 碳纤维加固工艺技术
  3.1 材料
  采用巨瀚科技股份公司生产的产品。主要实验性能指标见表1~表4。



  3.2 施工工艺
  (1)工艺程序
  墩身表面处理→贴片前基层处理→涂底层涂料→采用环氧腻子对构件表面残缺修补→粘纤维片→检查→养护→涂装。
  (2)工艺要求
  工艺的关键在于碳纤维粘贴的紧密牢固,保证桥墩桶形成整体,并与原结构共同受力。施工工艺的要求如下。
  贴碳纤维前对混凝土构件表面进行处理,仔细消除破损、劣化部分,修补裂缝、漏筋除锈、削平凸出部位和棱角等,使碳纤维粘贴后能与墩身紧密结合。在处理好的混凝土表面涂刷能渗透到混凝土内的底层涂料,然后填平表面的凹陷部位,达到表面平整,使两者粘贴紧密并避免粘贴后起鼓。
  严格掌握贴片的位置和长度,注意进行脱泡和浸渗操作。掌握好每道工序的时间间隔,防止碳纤维片起鼓、脱离、错位。
  3.3 施工方法
  (1)基层处理将混凝土表面残缺、破损部分消除干净,直到结构密实的部位,使其表面平整,对外漏的锈蚀钢筋进行除锈;混凝土表面污垢采用清水刷洗,不能使用化学药剂;对混凝土孔洞、蜂窝等凹陷部位采用高标号砂浆填补。对墩身凸出部分(模板接缝、错台)进行削平;棱角用磨光机打磨成圆弧状,圆弧半径不小于20 mm。墩身裂缝采用灌缝胶进行处理缝:缝宽小于0.15mm的裂缝用环氧树酯进行表面涂抹,缝宽大于0.15mm的裂缝用灌缝胶灌缝。
  (2)涂底层涂料
  把底层涂料的主剂和固化剂按规定的比例秤量准确后放入容器内,用搅拌机拌和均匀,每次调和的量应在可使用的时间内用完。
  在底层涂料中不能添加溶剂,含有溶剂的毛刷或用溶剂湿了的滚筒不得使用。用滚筒均匀的涂抹底层涂料。指触干燥时间根据气温来决定,一般控制1~3 h。涂抹完底层涂料后待其干燥固化后,在表面有凸起的部分时,使用砂纸磨光。施工时需要注意的是:要根据当时的温度选择适当的底层涂料,同时在气温5℃以下,相对湿度RH>85%,混凝土表面含水率在8%以上,有结露的可能时,要采取保暖、干燥措施,否则不得施工。
  (3)表面残缺修补
  涂底层涂料后墩身表面凹陷部位运用环氧树酯腻子填平,修复至表面平整。
  使用环氧树酯腻子时,要在相对湿度RH<85%以下施工,腻子涂刮后表面仍存在凸凹糙纹,要用砂纸打磨平整。
  (4)粘贴碳纤维片
  确认粘贴表面要干燥,施工时气温保证在5℃以上,相对湿度RH<85%以下,否则不得施工。
  碳纤维片在运输、储存、裁剪和粘贴过程中严禁受到弯曲,防止碳纤维受损。因此,使用前要采用裁纸刀按需要的长度切断碳纤维片,每段长度不超过6m,如果需要更长的片材时,要防止弯曲,同时在脱泡、渗浸过程中必须加倍谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏,应当天使用多少裁剪多少。
  贴碳纤维片时顺长方向片材的接头必须搭接10cm以上,搭接部位要多涂树酯,其他工序按正常的进行,片材宽度方向不需要搭接。树酯的主剂和固化剂按规定的比例秤量准确后放入容器内,用搅拌机拌和均匀,一次调和的量应在可使用的时间内用完。贴片前先涂下涂层:用滚筒刷均匀的涂刷粘贴用的环氧树酯,涂量标准为500~600 g/m²。贴片前,碳纤维片和树酯之间尽量不要有空气,采用专用工具沿着纤维方向在纤维片上滚压多次,使树酯渗浸到纤维中。纤维布宽度0.5m,将碳纤维布沿墩身周长方向拉紧包裹,沿墩身竖向从下向上,并从贴片一端开始用刷子依次向另一端压平,保证贴片平整,无起鼓、起泡、皱折现象。每一层贴片的搭接长度不小于10 cm,每一层贴好后用滚筒刷将配制好的树酯胶(积层树酯与固化剂配制)在贴片上涂刷,使树酯胶浸渍到纤维布的缝隙中。每相邻两层纤维布粘贴时必须紧贴,可不进行搭接(图1)。
  等每层贴片贴好1 h后,再在表层涂上涂层纤维片施工30min后,用滚筒刷均匀的涂刷粘贴用的环氧树酯,涂量标准为300~200 g/m²。
  待整个墩身的第一层碳纤维布全部粘贴完毕后,按此工序操作方法再在第一层上粘贴第二层碳纤维布。 
  (5)碳纤维布粘贴质量要求与检查
  碳纤维布粘贴质量要求为:上涂层和下涂层浸入纤维束良好,碳纤维布粘贴密实;对于直径在10 mm以上、30mm以下的空鼓,每平方米少于10个可认为合格;否则不合格,需进行修补;对于30mm以上的空鼓,只要出现就认为不合格,需要修补;顺纤维方向搭接长度不小于10 cm,各层之间的搭接部位必须错开至少50 cm,不得位于同一直线上。碳纤维布的规格、贴片位置、长度、密度、层数符合设计规定;严格遵守自然养护时间。
  每道工序完成后,要由专职质检员检查,对于不符合质量要求的部位予以处理,处理方法为:在纤维上打开2个以上的孔,用注射器注入粘贴用的环氧树酯,或沿纤维方向切入2~3刀,用橡胶刮板、毛刷沾上适量的环氧树酯贴进割开的缝内。对于粘贴用的环氧树酯已经硬化且无法采用以上2种方法处理时,应将该部位割去重新粘贴碳纤维布片。
  处理完成重新检查直到检查合格,并填写《碳纤维布粘贴混凝土基层处理质量检验报告单》、《碳纤维布粘贴质量检验报告单》。
  (6)养护
  每道工序完成以后,在树酯硬化前,要采用塑料薄膜覆盖,防止雨水、风沙侵袭。
  贴碳纤维布片后要自然养护24 h以确保固化,同时要保证在固化期间不受到干扰。如果树酯硬化期间温度低于5℃以下要采用塑料薄膜覆盖等有效的保温措施。碳纤维布片粘贴后达到设计强度的自然养护时间为:平均气温10℃以下时要2周;平均气温10~20℃以下时要1~2周;平均气温20℃以上时要1周;养护期间要防止受到外力撞击。
  (7)涂装涂装应在树酯初期固化后进行,按桥墩混凝土的颜色调配涂装,以达到涂装后颜色一致。
  4 优点及效果
  碳纤维布施工的优点是:强度高,弹性模量高,特别适合用做梁体加固;厚度薄,质量轻,结构物加固完后,用同色涂料涂装后,保证了整体的美观,搬运方便,施工过程中不需大型机具,适合于高空使用;可以任意长度,随意交叉;耐腐蚀,不生绣;施工简单,结构物表面不需要打磨,不需加压,与混凝土表面结合密实;适应于曲面和任意形状的结构;抗疲劳性能好,适应于冲击、振动结构加固;便于运输,储藏。
  本桥在施工采用了高强碳纤维加固操作方便,施工简单。加固完成后的桥墩结构及外观均达到设计要求,桥梁使用后经过一段时间的观测, 4号墩未发现任何异常。这项技术非常适合结构物的补强、加固,值得推广运用。

                                                                                                                                                                  兰州碳纤维加固