趙柏冬,張楊柳

(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044)

粘貼碳纖維布法加固橋梁后病害分析

趙柏冬,張楊柳

(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044)

提出了碳纖維布加固方法對(duì)橋梁加固的有效性,闡述了粘貼碳纖維布法加固橋梁后易出現(xiàn)的病害,并且提出了病害的防治措施,工程實(shí)例驗(yàn)證了防治措施的可行性.

橋梁加固;原理分析;加固后病害;防治措施

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,交通流量的增長(zhǎng),對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能提出越來(lái)越高的要求.過(guò)去建造的部分橋梁設(shè)計(jì)載荷標(biāo)準(zhǔn)偏低,并且運(yùn)營(yíng)年限過(guò)長(zhǎng),再加上超載、重載車輛不斷增加,以及施工技術(shù)水平的落后,大批橋梁技術(shù)狀況已經(jīng)不能滿足當(dāng)前行車安全和日益增長(zhǎng)的交通量需求.為保證橋梁的正常運(yùn)營(yíng),急需對(duì)這些不能滿足車輛安全通行的橋梁進(jìn)行維修加固或重建.

截止到2008年,我國(guó)公路橋梁達(dá)到了59.46萬(wàn)座,2 524.70萬(wàn)延米.其中特大橋梁1 457座,250.18萬(wàn)延米;大橋3.94萬(wàn)座,884.37萬(wàn)延米;中小橋梁55.37萬(wàn)座,1 390.15萬(wàn)延米.以上數(shù)據(jù)表明,中小型橋梁占據(jù)著我國(guó)公路橋梁的絕大部分,但這些中小型橋梁建造時(shí)間大部分在20世紀(jì)80—90年代,長(zhǎng)期在上部載荷的作用下運(yùn)行,普遍老化,大多數(shù)橋梁都出現(xiàn)了不同程度上的 病害,嚴(yán)重影響了我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展.

而國(guó)外方面,以美國(guó)為例.據(jù)相關(guān)資料表明:截止2002年美國(guó)公路橋梁約為58.5萬(wàn)座,其中需要進(jìn)行加固改造的橋梁就有17萬(wàn)座,約占橋梁總數(shù)的1/3,并且至少有13萬(wàn)座公路橋梁限制車輛的載重,5 000座橋梁未能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn),從而被封閉禁止使用.因此合理有效的橋梁加固方法不僅能改善舊橋的運(yùn)行狀態(tài),而且能夠減少資金的投入[1].

采用粘貼碳纖維布法加固橋梁,能夠有效的提高危橋的承載能力及通行能力,增加橋梁的使用壽命,從而保證橋梁正常運(yùn)營(yíng).但橋梁在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下,采用粘貼碳纖維布法加固后的橋梁也會(huì)出現(xiàn)一些不可避免的病害.

1 碳纖維布加固原理及優(yōu)點(diǎn)

粘貼碳纖維布法加固橋梁是一種用化學(xué)粘貼劑從結(jié)構(gòu)外部粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料的施工方法.常用的補(bǔ)強(qiáng)材料有:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP).根據(jù)不同材料加固構(gòu)件的力學(xué)性能,一般情況下選取碳纖維布法加固,從而最大限度的保證構(gòu)件的抗彎剛度(如表1[2]).常用的化學(xué)粘結(jié)劑有:環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂和乙烯酯樹(shù)脂.

表1 CFRP、GFRP和AFRP的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of CFRP,GFRP and AFRP

纖維布材料具有高效高強(qiáng)、施工便捷操作簡(jiǎn)單、耐腐蝕、抗疲勞性能好的優(yōu)點(diǎn),高效高強(qiáng):利用高強(qiáng)度或高彈性模量的特點(diǎn),來(lái)提高混凝土構(gòu)件的承載力,從而達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力性能與加固補(bǔ)強(qiáng)的目的;施工便捷:由于FRP材料質(zhì)量較輕,無(wú)需大型機(jī)械的安裝,使用小型輕便的工具便可以完成FRP材料的加固;耐腐蝕:可以在堿性環(huán)境以及潮濕環(huán)境下抵抗化學(xué)腐蝕;抗疲勞性能:橋梁經(jīng)常受到上部結(jié)構(gòu)的移動(dòng)載荷作用,研究表明,采取纖維材料加固混凝土構(gòu)件后,能夠承受一定次數(shù)的循壞載荷,強(qiáng)度及延性并沒(méi)有明顯降低,纖維材料具有一定的 抗疲勞性能.并且碳纖維布具有良好的抗拉性能,使其加固在梁體的受拉區(qū)域,能夠與梁體共同承受拉力,從而提高橋梁的承載力;在梁體混凝土裂縫處,粘貼碳纖維布并設(shè)置錨固端,能夠有效的約束混凝土開(kāi)裂,防止梁體混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大,從而提高梁體的抗彎剛度,改善梁體的受力性能.一般可用于抗彎、抗剪、受壓(大偏心受壓,對(duì)于小偏心受壓構(gòu)件,由于縱向受拉鋼筋達(dá)不到屈服強(qiáng)度,采用粘貼纖維布會(huì)造成材料的浪費(fèi))及抗震等多種形式的加固.該方法適合混凝土梁、板橋的加固,提高抗彎承載力,對(duì)于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的舊橋,加固效果尤顯著.

2 碳纖維布加固后病害

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用碳纖維布加固橋梁梁體時(shí),一般碳纖維布不會(huì)發(fā)生破壞,只有在少許的情況下,才會(huì)發(fā)生碳纖維布斷裂的情況,如橋梁上部載荷超出其設(shè)計(jì)值,導(dǎo)致受力破壞;以及環(huán)境的因素導(dǎo)致碳纖維布的斷裂.更多的時(shí)候一般是由于環(huán)氧樹(shù)脂層老化以及施工原因等導(dǎo)致碳纖維布梁體的粘結(jié)處開(kāi)裂.其一般的破壞表現(xiàn)為碳纖維布與混凝土粘結(jié)面空洞;碳纖維布與梁體表面開(kāi)裂,以及碳纖維布的斷裂.除此之外,碳纖維布不能與梁體共同受力作用的原因還存在碳纖維布內(nèi)部氣泡,粘貼不平,受潮腐蝕等原因.

2.1碳纖維布與混凝土粘貼面空洞

橋梁在長(zhǎng)期承受恒載、汽車的活載荷,導(dǎo)致梁體混凝土開(kāi)裂,部分區(qū)域混凝土塊脫落.而在使用碳纖維粘貼法加固橋梁梁體時(shí),施工過(guò)程中,未對(duì)梁體混凝土表面進(jìn)行有效的清理、打磨、填充,使碳纖維布與混凝土表面連接處出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,導(dǎo)致橋梁無(wú)法達(dá)到預(yù)期加固效果,影響橋梁的正常使用.

圖1粘貼面空洞
Fig.1 Empty of the paste surface

防治措施:施工過(guò)程中,嚴(yán)格按照施工工序進(jìn)行處理.清除梁底混凝土表面不符合施工要求的劣質(zhì)混凝土,如剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等,使混凝土結(jié)構(gòu)層暴露,并用修補(bǔ)膠將表面修復(fù)平整,并保證混凝土保護(hù)層厚度不小于15 mm.被粘貼混凝土表面應(yīng)打磨平整,除去表層浮漿、油污等雜質(zhì),直至完全露出集料新面[3].對(duì)于出現(xiàn)混凝土脫落導(dǎo)致混凝土空洞,要進(jìn)行有效的修補(bǔ),以達(dá)到粘貼纖維布加固的技術(shù)要求.并滿足碳纖維復(fù)合材料施工質(zhì)量檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(如表2[4]),以確保工程的質(zhì)量.

表2 施工質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Construction quality inspection and acceptance standard

2.2碳纖維布與梁體接縫處開(kāi)裂

碳纖維布與梁體之間粘結(jié)處開(kāi)裂形式分為以下3種:

(1) 化學(xué)粘結(jié)劑與碳纖維布之間的開(kāi)裂;化學(xué)粘結(jié)劑與混凝土表面之間的粘結(jié)處開(kāi)裂.以上開(kāi)裂形式在工程加固中出現(xiàn)的較少.其原因是施工過(guò)程中,未能夠有效的處理好粘結(jié)面的問(wèn)題,即混凝土、碳纖維布表面有污染物,施工時(shí)未能有效的清除,導(dǎo)致粘結(jié)不緊密,梁體受到上部載荷的作用時(shí),粘結(jié)面開(kāi)裂.除此之外,在施工過(guò)程中,化學(xué)粘結(jié)劑未能有效均勻的涂抹到梁體表面及碳纖維布表面,達(dá)不到施工要求,從而導(dǎo)致粘結(jié)面的開(kāi)裂.如圖2.

圖2粘結(jié)面開(kāi)裂
Fig.2 Cracking of the bonding surface

防治措施:在施工工程中,按照施工流程進(jìn)行有效合理的施工:混凝土表面處理—裂縫修補(bǔ)—涂刷底膠—配制浸漬膠—粘貼碳纖維布—表面防護(hù).避免粘貼時(shí)有其他污染物在混凝土、碳纖維布的表面;另外涂抹樹(shù)脂膠的過(guò)程中,避免涂抹不均勻這一現(xiàn)象的發(fā)生,嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行.

(2) 粘結(jié)劑的老化開(kāi)裂,導(dǎo)致碳纖維布與梁體表面的開(kāi)裂.施工工程中,對(duì)于不同粘結(jié)劑的選取問(wèn)題,由于原材料質(zhì)量、工藝操作不同,不同廠家生產(chǎn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量也不相同,若質(zhì)量較差,粘貼碳纖維布加固受力時(shí),易導(dǎo)致碳纖維布撕脫破壞.故現(xiàn)場(chǎng)使用的結(jié)構(gòu)膠應(yīng)及時(shí)檢驗(yàn),其強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)不低于混凝土強(qiáng)度.若不滿足粘結(jié)劑的基本性能選取要求(表3[4]),則會(huì)導(dǎo)致碳纖維布與梁體之間的開(kāi)裂.此種開(kāi)裂形式在一定程度上可以有效的避免.

表3 粘貼碳纖維粘結(jié)劑的基本性能要求Table 3 The basic performance requirement of pasted carbon fiber binder

防治措施:根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,合理選擇粘結(jié)劑,以保證碳纖維布受力時(shí),不發(fā)生粘結(jié)劑的損壞.另外,要考慮加固對(duì)象所處的環(huán)境因素,一般選用碳纖維法加固橋梁,其所處的環(huán)境是干燥,適溫的條件下,避免漏水、凍融環(huán)境對(duì)纖維布樹(shù)脂層的腐蝕,以及外部高溫對(duì)粘結(jié)劑的軟化作用.

(3) 混凝土表層到鋼筋保護(hù)層之間,混凝土發(fā)生剝離破壞.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是碳纖維布與粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度以及粘結(jié)劑與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高于混凝土的抗拉強(qiáng)度,剝離破壞是碳纖維布粘結(jié)處的混凝土局部應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土被拉裂后被碳纖維布粘結(jié)下來(lái).影響剝離破壞的因素有[5]:①混凝土強(qiáng)度;對(duì)于強(qiáng)度較低的混凝土,其發(fā)生剝離破壞現(xiàn)象越容易;而對(duì)于長(zhǎng)期受到上部載荷導(dǎo)致混凝土表面開(kāi)裂、內(nèi)部鋼筋銹蝕等現(xiàn)象的梁體,混凝土表層出現(xiàn)橫向和縱向裂縫,也容易發(fā)生剝離破壞.②錨固長(zhǎng)度以及錨固方式:錨固長(zhǎng)度越短,混凝土構(gòu)件的局部粘結(jié)應(yīng)力越大越容易產(chǎn)生剝離破壞,但當(dāng)錨固超過(guò)一定長(zhǎng)度時(shí),粘結(jié)應(yīng)力將不再增加;另外,橫向用U形箍錨固防止縱向碳纖維布剝離的效果較為明顯.③加固材料的性質(zhì)以及加固量:樹(shù)脂粘結(jié)劑的剛性較大,碳纖維布的柔性好,可以有效地降低剝離應(yīng)力從而降低了剝離破壞的可能性;加固量越大,碳纖維布的厚度、剛度較大,將導(dǎo)致剝離應(yīng)力增大,易于剝離.

防治措施:在一定的范圍增加錨固長(zhǎng)度,使混凝土局部粘結(jié)應(yīng)力分散,避免集中應(yīng)力對(duì)混凝土的破壞.嚴(yán)格選取材料和控制施工質(zhì)量,避免使用質(zhì)量較差的材料對(duì)加固的影響,并控制好粘貼碳纖維布的層數(shù),防止碳纖維布層數(shù)過(guò)多導(dǎo)致的剝離應(yīng)力過(guò)大.

2.3碳纖維布斷裂

據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),橋梁經(jīng)過(guò)碳纖維布法加固后,一般纖維布斷裂分為自然因素、外部載荷因素導(dǎo)致的斷裂.

自然因素:在雨季來(lái)臨的時(shí)候,橋梁凈空較低,河水上漲,從而導(dǎo)致梁底浸泡在水中,水上的雜物(如樹(shù)枝)對(duì)碳纖維布的碰撞作用,從而導(dǎo)致纖維布斷裂(圖3所示).

圖3碳纖維布受水浸泡后斷裂
Fig.3 Broken CFRP after being soaked in water

載荷因素:碳纖維布粘貼在梁底混凝土表面,受到外部重載荷的作用,混凝土表面會(huì)產(chǎn)生裂縫,碳纖維布緩慢參與受力,長(zhǎng)時(shí)間的載荷,裂縫趨勢(shì)增大,混凝土內(nèi)部鋼筋屈服;隨著載荷的不斷增加,碳纖維布拉斷,混凝土壓碎,碳纖維布加固失效[6].

防治措施:對(duì)于自然因素所產(chǎn)生的碳纖維布斷裂,盡量避免河水淹沒(méi)橋梁梁底加固部分,保證水面雜物不影響到碳纖維布的正常使用,以及避免河水對(duì)粘結(jié)劑的影響.對(duì)于上部載荷因素導(dǎo)致碳纖維布斷裂,可以采取對(duì)橋梁進(jìn)行有效的限重,避免超載、重載汽車對(duì)橋梁的破壞,允許在承受載荷設(shè)計(jì)值內(nèi)的車輛通行.

2.4工程實(shí)例

現(xiàn)對(duì)某工程橋梁進(jìn)行施工加固,該橋建成于1993年.全橋共8孔,單孔跨徑20 m,橋梁全長(zhǎng)163.5 m.橋面凈寬為18.8 m,兩側(cè)各設(shè)1.5 m人行道.上部結(jié)構(gòu):17片裝配式帶翼緣鋼筋混凝土空心板,無(wú)中橫隔梁,有兩個(gè)端橫隔梁.瀝青混凝土橋面.支座采用橡膠支座.下部結(jié)構(gòu):五柱式墩,肋板式橋臺(tái),鉆孔灌注樁基礎(chǔ).設(shè)計(jì)載荷為汽-20,掛-100.據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ú块T調(diào)查資料顯示,2006年上半年年平均日交通量為14 000臺(tái).

(1) 本橋維修設(shè)計(jì)為先簡(jiǎn)支,后結(jié)構(gòu)連續(xù)的體系,即施工時(shí),一期恒載和部分二期恒載時(shí)結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支體系,部分二期恒載與活載作用時(shí)為連續(xù)體系;全橋共8孔,4孔1聯(lián),共2聯(lián).

(2) 全橋空心板采用粘貼纖維布的方法進(jìn)行斜截面抗剪維修.

(3) 為了提高結(jié)構(gòu)的橫向剛度,減小空心板的橫向分配系數(shù),使空心板受力更加均勻,橫向連接變鉸接為剛性連接.

(4) 對(duì)墩蓋梁、墩柱、臺(tái)蓋梁表面混凝土蜂窩、剝皮、麻面部位,采用水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ).

(5) 新建防撞墻:為保證防撞墻具有一定的抗沖擊作用,防撞墻部分鋼筋植入空心板中,同時(shí)部分鋼筋應(yīng)與橋面鋪裝鋼筋進(jìn)行綁扎連接.

根據(jù)規(guī)范要求,以及施工過(guò)程的嚴(yán)格把關(guān),對(duì)橋梁進(jìn)行有效的加固.

(1) 碳纖維布及其配套樹(shù)脂類粘結(jié)材料性能要求:

① 碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo):抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于3 000 MPa;彈性模量不小于2.1×105MPa;伸長(zhǎng)率不小于1.5%;且單層碳纖維布單位面積碳纖維布質(zhì)量為300 g/m2.

② 底層樹(shù)脂的性能指標(biāo):正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于2.5 MPa.

③ 找平層材料的性能指標(biāo):正拉粘結(jié)強(qiáng)度不小于2.5 MPa.

(2) 粘貼碳纖維布施工工藝及注意事項(xiàng)[7]:

① 施工宜在5 ℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行,并應(yīng)符合配套樹(shù)脂的施工使用溫度.當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí),應(yīng)使用適用于低溫的配套樹(shù)脂或采用升溫處理措施.

② 在表面處理和粘貼碳纖維布前,應(yīng)按維修設(shè)計(jì)部位放線定位.

③ 樹(shù)脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明規(guī)定的配比稱量置于容器中,用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻.攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì).宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度決定樹(shù)脂的每次拌合量,并嚴(yán)格控制使用時(shí)間.

④ 粘貼前板底首先要打磨平整,除去表層浮漿、油污等雜質(zhì),直至完全露出結(jié)構(gòu)新面,混凝土表面應(yīng)清理干凈并保持干燥;鋼筋露出部位須做防銹處理,如損壞程度嚴(yán)重,須采取其他措施,以確保安全;若腹板底為直角,則在轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理打磨成圓弧狀,圓弧半徑不應(yīng)小于20 mm.

⑤ 按比例準(zhǔn)確配制好底膠并攪拌均勻,注意一次調(diào)和量在可使用時(shí)間內(nèi)用完,超過(guò)時(shí)間的絕對(duì)不能使用,以確保粘接質(zhì)量;底膠硬化后,在表面有凸起部分時(shí),要用磨光機(jī)或砂紙打光.

⑥ 粘貼碳纖維布時(shí)要從中間向兩側(cè)進(jìn)行粘貼,可避免施工時(shí)產(chǎn)生氣泡影響粘貼效果.

⑦ 碳纖維布配套樹(shù)脂的原料應(yīng)密封儲(chǔ)存,遠(yuǎn)離火源,避免陽(yáng)光直接照射.

⑧ 樹(shù)脂的配置和使用場(chǎng)所,應(yīng)保持通風(fēng)良好,現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)根據(jù)使用樹(shù)脂材料采取相應(yīng)的勞動(dòng)保護(hù)措施.

⑨ 粘貼完纖維布后要涂一層水泥漿,并依原砼顏色適當(dāng)調(diào)整膠的配合比.

通過(guò)以上的規(guī)范嚴(yán)格要求施工,能夠最大限度地保證施工質(zhì)量,提高加固效果,提高橋梁的承載能力.

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 碳纖維布加固技術(shù)的關(guān)鍵是保證碳纖維布發(fā)揮其高強(qiáng)度的作用,而可靠的粘結(jié)面將會(huì)保證其高強(qiáng)度充分發(fā)揮.因此,碳纖維布加固技術(shù)的施工質(zhì)量將直接影響其加固效果,施工時(shí)應(yīng)采取有效的措施,保證質(zhì)量與安全,并依照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工與驗(yàn)收.

(2) 粘結(jié)面對(duì)于碳纖維加固混凝土有很大的影響.若粘結(jié)面處理較好,可充分發(fā)揮碳纖維布的利用率,提高加固效果;若處理較差,將影響碳纖維布的受力導(dǎo)致過(guò)早剝離,從而喪失加固效果.選擇有效的粘結(jié)劑將會(huì)提高粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度.

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DiseaseofBridgeStrengthenedwithCarbonFiberCloth

ZhaoBaidong,ZhangYangliu

(School of Architectural and Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The effectiveness of carbon fiber cloth reinforcement method for bridge reinforcement is put forward.The diseases of bridge strengthened with carbon fiber cloth are expounded.The disease prevention and control measures are put forward.The engineering example verifies the feasibility of the control measures.

bridge reinforcement;principle analysis;after strengthening disease;prevention and control measures

2017-05-10

趙柏冬(1962-),男,河北交河人,沈陽(yáng)大學(xué)教授,博士.

2095-5456(2017)05-0410-05

TU 973+2

A

【責(zé)任編輯:肖景魁】