谈谈碳纤维加固技术在桥梁施工中的应用

高冰冰;谷万鹏

摘要:桥梁结构的维修、加固和补强等措施的研究和应用工程已经引起了世界性的关注。试从对碳纤维的特性分析出发,来论述碳纤维加固技术在桥梁结构建设中的应用。

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.

关键词:碳纤维;加固;桥梁;结构

Key words: carbon fiber; strengthening; bridge; structure

中图分类号:U445 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0249-01

1碳纤维材料的基本特性

1.1碳纤维片材

片材碳纤维材料的拉伸强度在2400～3400MPa之间,与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比,片材的拉伸强度很高。

片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能而不同,它依据力学性能分成高模量、高强度和中等模量3类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高,但其伸长率较低。相比之下,碳纤维片材的单位重比钢材低许多,说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定,本身不会受酸碱盐及其他各类化学介质的腐蚀,有着良好的耐寒和耐热性。

1.2 配套树脂类粘结材料

混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料,用于渗透过混凝土表面,促进粘结并形成长期持久界面的基础;油灰,用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材;浸渍树脂或粘结树脂,前者用于碳纤维布粘贴,后者用于碳纤维板粘贴。

浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键,因此,树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。

就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言,环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义,因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间。采用专配的环氧树脂材料,在混凝土施工表面温度10～40摄氏度时,粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上,但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上,专配的环氧树脂材料的这一性能完全适合混凝土桥梁的加固工作。

2粘贴碳纤维片材加固施工技术

2.1 面层处理

混凝土表面的劣化层,例如风化、游离石灰、脱模剂、剥离的砂浆、粉刷层、污物等,必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质去除,用水洗净后使其充分干燥,然后才能予以施工。

2.2 断面修复

混凝土面层的不良部分,例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等,必须予以清除。若有钢筋外露情形,必须先做好防蚀处理,再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。裂缝以环氧树脂灌注。裂缝或打除部分若有漏水情形时,必须做好止水、导水处理才能进行施工作业。

2.3 表面修正

表面平整度凸出部分(小突起等)以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分(打除部分)以环氧树脂或树脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角R=20毫米(R-曲率半径)以上,凹角则以树脂砂浆填补。

2.4 底层涂料

气温在5摄氏度以下,雨天或RH>95%时,不可施工。施工范围的温度、湿度确认后,选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通,严禁烟火。施工时必须要穿带保护装备(口罩、护目镜及橡皮手套)。

2.5 碳纤维片材的粘贴

纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸和长度在2米以内最适当。为防止保管期间的破损,裁剪数量只裁所需使用的数量。施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过一星期以上时,应以砂轮机磨平。

将环氧树脂的主剂(A剂)和硬化剂(B剂)依所规定的配比放置于拌合桶中,使用电动搅拌机,使其均匀地混合2分钟以上。一次拌合量为可使用时间的施工量,超过可使用时间的材料,不可继续使用。

环氧树脂用毛刷滚轮平均涂布(涂布底漆上)。涂布量随施工面的表面粗糙程度会有所变化,转角部分要多涂。强化纤维粘贴于树脂涂布面后,以毛刷滚轮和橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平,使树脂浸透并去除气泡,纤维纵向方向的搭接长度至少要留10cm,横向方向则不用留。粘贴后放置30分钟,若纤维有浮出或脱线情形发生时,以滚轮或橡皮刮刀压平修正。

两层以上的强化纤维相叠贴时,重复步骤。施工现场空气应十分流通,严禁烟火。施工时必须要穿戴保护装备(口罩、护目镜及橡皮手套)。

3粘贴碳纤维片材加固桥梁的应用

3.1 粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术,使得粘贴加固法成为公路桥梁快速加固的方法,满足了公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利,便于桥下的高空作业,可在公路桥梁上推广应用。

3.2 对于公路旧混凝土桥梁的加固方法,在工程上应用效果较好的是综合法,即以某种加固方法为主,辅以其他方法,这必须依照桥梁现场的外观检查和技术状况评定,加固设计要求而定。目前,粘贴碳纤维片材加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法综合应用,这点值得肯定和推而广之。

3.3 我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料,一般是以国外进口材料为主,国产材料较少,且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还存在一定的差距。这样,因进口材料单价高,往往会影响技术的经济决策。因此,除了应尽快采取先进技术及措施提高国产材料质量,在碳纤维片材加固技术应用中应当更多地从加固效果和耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。

3.4 建议在先进国家科学研究实践的基础上,结合我国公路旧桥的加固维修特点与经验,尽快编制碳纤维片材加固技术指南,以此来指导我国桥梁加固该类工程的施工作业。

总之,碳纤维片材加固补强公路混凝土桥梁是一项比较新的技术,它的推广和应用需要结合我国桥梁加固工程的特点进行深入的研究和不断的完善,从而使我国公路旧桥加固维修技术跃上一个新的台阶。