有关碳纤维在桥梁加固中的应用探讨
摘要:文章首先分析了碳纤维的加固机理和应用优点,接着探讨了其在桥梁加固中的施工工艺。
关键词:碳纤维布 桥梁加固 粘贴胶
0 引言
我国在过去几十年修建了大量桥梁,许多设计载荷较低,而且大部分仍在服役,随着行车密度和车辆载荷的增加,许多混凝土桥梁出现了不同程度的开裂现象,影响了桥梁的结构安全,降低了桥梁的使用寿命,甚至威胁到了人民的生命财产安全。由于桥梁建造费用高昂,要想将这些桥梁全部拆除重建,显然是不现实的,因此,有必要采取一定的措施对它们进行加固处理。碳纤维加固就是一种理想的桥梁加固技术,在桥梁加固中应用比较成熟。下面笔者将简要探讨碳纤维在桥梁加固中的应用。
1 碳纤维加固机理和技术特点
1.1 碳纤维加固的机理 碳纤维布沿纤维方向具有很高的强度,它是一种正交异性材料,在单向加
固情况下,通常沿加固混凝土梁体的纵向布置碳纤维布的主拉应力方向,这就与受力钢筋方向一致,碳纤维布粘贴在梁底受拉区,其作用与受拉钢筋作用相当。碳纤维布和混凝土加固构件通过粘结层传递剪应力和粘结正应力,以达到共同工作的目的。
1.2 碳纤维加固法的优点
①不增加恒载及断面尺寸。碳纤维布的质量轻,设计厚度较薄,对整个结构重量及桥下净空的影响可忽略不计。并且可根据要求将碳纤维布在一个部位重叠粘贴,达到补强的要求。②可适应不同构件形状,成型方便。碳纤维布的随型性极强,可任意对桥梁的斜、弯、坡及异型结构进行补强,从而降低施工难度,缩短施工工期,减少施工成本,这是其它加固方法无法比拟的。③施工简便。碳纤维布加固方法工艺简便,无需大型设备、模板及支撑,施工时所需工作面小,不受空间限制,操作起来简单易行,当主梁内部的作业空间受到限制时,这种加固方法是最佳的选择。④采用碳纤维加固补强,无需钻孔及开凿,不会对原结构造成二次损害。⑤能有效地封闭混凝土的裂缝。⑥碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性,在不利环境下的寿命也较长。⑦不影响结构的外观。碳纤维布粘贴固化后其表面还可涂刷一层涂料,总体厚度薄,因而不会影响结构的外观。
2 碳纤维在桥梁加固中的施工工艺
2.1 碳纤维增强塑料片材的制备 碳纤维布材是由许多彼此之间无粘结的极细的单丝纤维组成的,它们之间的应力分布不均匀,高应力区域的碳纤维丝会在低应力区域的碳纤维丝完全发挥强度之前断裂。为了尽可能充分地利用碳纤维的高强度,可通过湿法将环氧树脂浸润到碳纤维布材中,使单丝粘结在一起,提高纤维单丝的共同工作性能。制备过程和要点如下:
①由于环氧树脂固化后其有很强的粘结能力,为避免作台表面与环氧树脂发生粘结,可在制作台表面覆盖一层塑料。②为了使碳纤维布材中松弛的纤维单丝都被拉直,可通过机械对碳纤维布材施加几十兆帕的拉力,使纤维单丝的平直程度基本一致,提高共同工作性能。③预先估计好胶的需求量,按规定的比例取用环氧树脂粘贴胶的主剂和固化剂,倒入容器内并搅拌混和均匀,最好使用电动搅拌器以低速、单向搅拌,以避免产生气泡。通常一次混和的底胶不宜超过1.5kg,以保证配好的胶在时限内用完以免浪费,若放置时间过久,应禁止使用。④用刷子将环氧树脂粘贴胶均匀涂抹到碳纤维布材表面,使其完全渗透到碳纤维中,并挤出气泡。当粘贴胶充分浸润到纤维丝中后,还要在表面均匀涂抹一层粘贴胶作保护面层。⑤覆盖一层塑料薄膜在制作好的碳纤维增强塑料片材上,以免受灰尘与水分的影响。当气温为20℃时一般要1周左右才
碳纤维布加固方法
能使环氧树脂粘贴胶达到强度,10℃时一般要2周左右,必要时可使用加温设备来缩短其固化时间。
2.2 混凝土桥梁结构构件表面处理 由于在桥梁结构构件表面常存在灰尘、油污和凸凹不平等情况,为了增加被粘物的表面积,提高胶结力,应除去桥梁构件妨碍胶结表面的疏松层和污染物,以便胶粘剂的浸润。根据桥梁构件表面的新旧程度、干湿程度和坚实程度,可分以下几种情况来处理加固构件的结合表面:
①若桥梁加固处表面很脏,并且桥梁修建时间已很久,当其表面有旧涂层、植物生长或其它污物时,应用硬毛刷粘高效洗涤剂刷除表面油污;当构件表面有较厚的松散层,则先用压缩空气吹掉灰尘和颗粒,或刮出块状物,然后对粘合面进行打磨,除去2～3mm厚表层,再用15%左右的盐酸溶液涂于表面,放置1分钟,用压力冷水冲洗,完全干燥后即可涂胶。②对于表面不是很脏很旧的构件,可直接对粘合面打磨,用压缩空气除去粉尘后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面即可。③新混凝土粘合面的处理,应先用钢丝刷刷去表面松散浮渣,再用硬毛刷沾洗涤剂刷洗表面,用稀盐酸涂刷至表面起泡为止,20min后用水洗净。
另外,当碳纤维布要绕过构件转角粘贴时,宜对转角进行倒角处理并打磨出半径不小于10mm的
圆弧,再用钢丝刷打掉表面浮渣;当构件表面有较多裂缝时,宜先灌注环氧树脂将其填充修补。
2.3 涂刷底胶 在将构件表面处理洁净后,为增强构件和碳纤维之间的粘结效果,应在构件表面涂刷一层底胶,配置底胶的方法与配置粘贴胶差不多。用刷子或辊子将底胶均匀涂抹到构件表面,使其完全渗透到混凝土中。当气温较低时,一次涂抹的胶不宜太多,因为此时胶的粘度有所增大,涂抹太多可能造成胶层薄厚不均。如底胶硬化后有凸起部位,应用砂纸或磨光机打平并清洁干净。
2.4 进一步修补粘贴面 通常桥梁构件表面常存在凹陷、空洞等缺陷,并且仅靠打磨难以完全消除表面的凹凸不平,从而导致铺贴碳纤维布时产生气泡和褶皱,降低其加固效果。一般在底胶干燥后,要在打磨的基础上使用粘结腻子等材料来修补构件表面。按规定的比例取用整平腻子的主剂和固化剂,置于拌胶板上并用刮刀混和均匀,控制每次混和的总量低于0.5kg,对混和后放置时间超过时限的材料应予以废弃。要重点注意混凝土浇筑时留下的气泡空洞和模板错位造成的高差部位的修补,当构件表面存在较大的转角时,应当分层进行修补,以免材料用量较多而出现腻子的流淌现象,要待到上一层的腻子干燥后才刮涂下一层。
2.5 粘贴碳纤维增强塑料 修补好构件表面并干燥之后,就可以开始粘贴碳纤维布。首先根据加
固构件的需要裁剪碳纤维布,用辊子、塑料刮刀和刷子将配制好的粘贴树脂均匀涂抹于构件与碳纤维布的粘贴面,将构件表面与碳纤维的粘贴表面紧密粘在一起,用滚筒沿同一方向滚压以去除碳纤维布下面的气泡,滚压时防止损失碳纤维布。为保证桥梁加固构件的正常使用,避免碳纤维加固材料遭受外界损伤,应在加固层表面加一层防护层,对表面进行密闭防护处理。若采用水泥砂浆作为封闭层,增强加固层与水泥砂浆之间的粘结,应先涂刷一层界面处理剂在加固层外的表面,且外罩的水泥砂浆层厚度不得少于20mm。