碳纤维布在桥梁结构加固工程中的应用

2013-08-23余满

山西建筑 2013年14期

余满

(江苏宁沪高速公路苏州管理处，江苏苏州 215131)

0 引言

利用碳纤维材料(CFRP)对混凝土结构进行加固的技术是我国近年来引进的一项高效、便捷的结构加固技术。特别是对受损混凝土结构的加固，效果明显。这种技术利用树脂类材料作为粘结剂，将高强度的碳纤维布粘贴在结构表面，使得碳纤维布与结构形成一个复合的整体，从而达到改善受力构件的力学性能。该项技术兴起于发达国家，但在20世纪90年代末引进中国以后，得到了较快的发展，有了不少成功的应用案例，并总结出台了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》等。另外由于具有许多其他传统加固方法所不具备的优越性，如施工工艺简便快速、加固修补耐久性表现良好等，土木工程领域许多方面都在开展广泛的探索与创新。表1是一些传统加固方法与碳纤维布加固混凝土结构方法的比较。

表1 碳纤维布加固混凝土与一般常规加固混凝土方法比较

1 材料特性

1.1 碳纤维布的材料特性

相比较其他的材料，碳纤维布材料有以下特性:

1)抗疲劳能力和弹性变形能力强;2)耐久性好(反映了抗腐蚀能力);3)抗拉强度非常出色，自重小;4)较高的电阻和较低的磁感应。

现在，国内也开始有厂家生产碳纤维布，但整体质量还有待加强，目前工程中大多使用的是进口材料，如瑞士SiKa公司的碳纤维布，日本前田工纤的碳纤维布等。下面以日本某公司碳纤维布为例，对碳纤维布的材料特性作说明，材料的具体性能见表2。

表2 日本某公司碳纤维布及其性能

1.2 粘贴胶的特性

一般生产商不提供粘结碳纤维用的粘贴胶，但因为粘贴胶质量的好坏决定着工程质量的好坏，所以越来越多的进口商都提供成熟的、相配套的粘贴剂。下面以日本某公司提供的粘贴胶为例，对材料特性作说明。粘贴胶约有三种，它们分别是P-10，P-20及P-30。各种胶的主要作用如下:

1)P-10底涂材料，作用为渗入混凝土内部，强化混凝土表面，改善碳纤维布与混凝土之间的粘结性能;

2)P-20找平材料，主要是为了将混凝土表面的凹坑等缺陷补平，提高碳纤维布与混凝土的粘结质量;

3)P-30粘贴材料，是主要的粘结剂，使得碳纤维布与混凝土有效粘结，并形成一个整体共同受力。

材料的具体性能见表3。表3中各项指标均由厂家提供，后经国内有资质的实验室检测发布。

表3 日本某公司粘贴胶性能指标

2 各种加固构件计算方法

因为碳纤维布的材料特性，尤其是在抗拉方面的卓越特性，使得在许多构件加固中均得到了广泛的应用，其计算方法也需要区别对待。

2.1 构件受弯加固

板梁等构件受损后，主要需要进行受弯加固，利用碳纤维加固时，除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》对受弯构件正截面承载力计算的基本假定外，还要注意以下几个方面:

1)当混凝土构件达到极限状态时，不应超过碳纤维的允许拉应变;

2)当考虑二次受力影响时，应根据加固时的荷载状况，按截面应变保持平面的假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变;

3)构件达到受弯承载能力极限状态前，混凝土与碳纤维之间不发生剥离破坏;

4)计算碳纤维的拉应力时应取碳纤维弹性模量计算。

当碳纤维布加固混凝土发生界限破坏时，即碳纤维布被拉断，同时混凝土被压碎时，可参照如下公式进行计算:

其中，η为碳纤维布强度折减系数，通常取0.6。

2.2 构件受剪加固

在进行受剪加固时，可参照以下公式进行斜截面受剪承载力计算:

式中:εfv——达到受剪承载能力极限状态时碳纤维布的应变;

εfu——碳纤维布的极限拉应变;

φ——碳纤维布受剪加固形式系数，对封闭粘贴取1.0，对U形粘贴取0.85，对侧面粘贴取0.70;

λb——梁受剪计算截面的剪跨比，对于集中荷载作用情况取 a/h0，当 λb＞3.0 时，取 3.0;当 λb＜1.5 时，取1.5。a为集中荷载作用点到支座边缘的距离，对于均布荷载作用情况，取3.0;

n——碳纤维布的粘贴层数;

hf——侧面粘贴碳纤维布的高度;

s——碳纤维布条带的净间距;

t——单层碳纤维布的厚度;

w——碳纤维布条带的宽度。

3 碳纤维布在实际桥梁结构加固工程中的应用

1)碳纤维布加固混凝土桥墩。

某高速公路某桥墩经日常检查，发现桥墩有数条竖向裂缝，裂缝最大宽度为0.5 mm～2 mm，已贯穿。根据设计要求，首先对裂缝进行压力灌浆，灌浆材料采用低粘度改性环氧树脂，待树脂固化后进行表面清理打磨，按CECS 146∶2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程要求操作程序，前期工序结束后，进行粘贴碳纤维，粘贴结束后，进行表面防护处理，经2年的使用观察，没有发现新的裂缝，见图1。

图1 碳纤维布加固混凝土桥墩施工图（单位：cm）

碳纤维单位重量为300 g/m2，厚度为0.167 mm，抗拉强度为不小于3 000 MPa，弹性模量不小于2.1×105MPa，延伸率不小于1.4%，搭接长度不小于10 cm，搭接错开位置，拐角处做成不小于2 cm的圆弧。

2)某高速公路某火灾桥加固。

K194+900火灾桥，由于当地老百姓在桥底下堆满稻草，小孩玩耍引火造成稻草焚烧，致使板底混凝土烧酥剥落，钢筋外露，板底产生许多微小裂缝，影响行车安全，并发现裂缝有增多的现象，由于通车流量大，又不能封闭车道抢修，为不影响通车，确保安全，决定采用粘贴碳纤维抢修，经数天施工，完成任务。现经2年多时间的运行，目前情况良好，见图2。碳纤维单位重量为300 g/m2，厚度为0.167mm，抗拉强度为不小于3 000 MPa，弹性模量不小于2.1 ×105MPa，延伸率不小于1.4%。

4 加固施工工艺

图2 苏州新区宁沪K 194+900火灾桥粘贴碳纤维加固图（单位：cm）

4.1 碳纤维布加固基本要求

环境温度不宜低于10℃;混凝土强度等级不得低于C15;碳纤维布搭接长度不低于150 mm。

4.2 具体的施工工序

1)打磨混凝土，清洁表面后涂一层底胶P-10;

2)用P-20将凹洞腻平，稍等一段时间后再涂浸渍树脂P-30;

3)粘贴碳纤维材料，用滚筒反复滚平，除去气泡，使P-30充分浸透碳纤维布;

4)最后为了使碳纤维布与构件整体性更好，要在碳纤维布外表再涂一层P-30。施工中若发现有空鼓部位，可用针管灌注浸渍树脂。

4.3 注意事项

施工质量的关键在于混凝土基层处理的好坏，另外滚压密实度也很关键，一定要让树脂浸透碳纤维布。因为基层如果有浮渣或是凹坑，极易产生空鼓，碳纤维布和混凝土构件就很难粘结到位。冬季施工时，在树脂终凝前，应随时检查碳纤维布有无滑移现象，因为冬季树脂凝结时间较长。另外，碳纤维布也有缺点，即容易被刮伤，施工完毕后要进行保护，避免划伤，必要时可以用涂料进行封闭保护。