桥梁裂缝维修加固中的碳纤维加固施工技术

2021-04-10张洪旭

工程技术研究 2021年12期

张洪旭

中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司，天津 300000

1 工程概况

某高速公路桥梁分左右两幅，每幅19跨，上部结构为钢筋混凝土空心板，下部为桩柱式桥墩。桥梁左幅、右幅斜交角分别为12°、0°，桥面宽21m，跨径组合为19m×15.4m。桥梁交通流量较大，随使用时间的延长，在行车荷载、降雨、日晒等因素的交替作用下，桥面铺装层、板底等多处存在裂缝，亟须对其采取维修加固措施，使其尽快恢复正常使用的状态。

2 桥梁病害描述

实地调查发现，该桥梁桥面铺装层、盖梁等部位均存在病害，梁端、铰缝等处有结构受损以及混凝土渗水问题。在该桥梁的各类病害中，以裂缝较为典型，具有分布范围广、影响程度深、危害大的特点。病害的总体情况，具体如下：（1）桥面铺装层、板底两处有较多的裂缝，沿铰缝处纵向开裂，同时有持续发展的变化趋势。（2）桥梁跨中、梁端两处局部存在质量问题，如混凝土受损、钢筋锈蚀等，同时伴有较多的裂缝。在多类病害的共同作用下，桥梁结构的稳定性受到影响。

3 碳纤维在桥梁裂缝维修加固作业中的优势

在具体的桥梁裂缝的维修加固工作中，运用碳纤维材料进行施工具备以下独特的优势。（1）不影响桥体原有的结构。作为一种具备物理学性能的材料，碳纤维本身的重量仅占所用钢材的1/4左右，且其使用方法是后期加工成厚度为0.112～0.168mm的片状用以桥梁加固，这对桥体本身的自重结构与外截面形状基本不产生影响。（2）便于施工。自重轻、操作性强是碳纤维在施工中的一大特点，且遇到箱梁构造的作业时，使用碳纤维材质可以很好地实现室内操作，在节省空间的同时，降低施工成本。（3）加固效果极佳。碳纤维在加固作业过程中可显现出特定的物理力学性能，在与混凝土结合加固的瞬间，可将其自身强度及模量发挥到最大，由此提升桥体构件的承载力及延性，以实现加固的高强效果。（4）化学性能稳定。相较于其他加固材质，碳纤维的化学性能较为稳定，在遇到水泥、酸碱盐等物质时，不轻易与之发生化学反应，可保持原有材质特有的耐腐蚀性和使用的耐久性。（5）适用性强。作为一种典型的柔性材料，碳纤维可随时展开裁剪及拼装，适用性极强，在不改变原有工程结构特性的同时，可以提高整个项目的稳固质量，因此该材质可以广泛运用于各项工程的加固作业。

4 碳纤维加固技术的应用要点

桥梁裂缝维修加固的技术手段较多，现阶段以碳纤维加固技术的应用较为广泛，其采用高强度复合型材料CFRP，通过对裂缝覆盖范围的界定、找平等相关处理后，将碳纤维粘贴在混凝土表面，从而切实提高结构的承受能力，以保证结构的稳定性。

温度是影响碳纤维粘贴效果的关键因素，以5～35℃为宜，不宜在温度偏高或偏低的环境中施工。此外，胶黏剂固化效果也会受到环境温度的影响，是应重点考虑的内容。混凝土表面含水率在4%以上时，应加强对水分的处理，采取烘干处理措施，使待粘贴的表面维持干燥的状态。此外，还可选择专门的胶黏剂配方，以适应实际施工环境[1]。

4.1 裂缝混凝土基底的处理

（1）精准界定混凝土基面的劣化层，利用钢丝轮角磨机处理该部分，且凿除赋存在梁底的勾缝砂浆，利用吹风机将该部分清理干净，直至该处裸露出完整且洁净的基面。（2）局部有钢筋锈蚀、胀裂或松散的情况时，将该处凿除干净，在破伤口处刷涂环氧胶（目的在于将其作为黏合剂使用），利用轻质修补砂浆找平。经处理后，新旧混凝土需稳定结合，所形成的混凝土保护层厚度需达到15mm及以上，平整度为5mm/m。（3）经剔凿、处理锈蚀露筋后，有可能显现出明显凹陷或是受损的构件，应对该部分予以修补，材料可以选择轻质修补砂浆或是碳纤维。（4）部分基面存在尖锐凸起的情况，可以利用混凝土磨片角磨机处理，将凸出的部分抹平，也可以利用该设备处理混凝土模板接头的阶梯状错位情况。在此环节施工中，可利用混凝土磨片角磨机做倒角处理，直至该处具有圆滑性为止（需满足R≥2cm的要求）。（5）经前述的基面打磨处理后，全面清理该处的粉尘以及松散浮渣，使该部分恢复至洁净、干燥的状态，以便后续工作的高效开展。

4.2 碳纤维底层胶的刷涂

（1）在确定待维修加固的区域后，利用滚筒刷将底胶涂抹在该处，此时严格控制涂刷层的厚度，要求不超过1mm。（2）待底胶凝固后，对其做详细的检查，表面存在毛刺则用砂打磨，使其具有平整性。

4.3 找平处理

（1）底胶干燥后，对其找平，若存在破损、凹陷、凸出或是其他情况，可以利用找平材料予以处理，经刮填修补后，使该部分具有足够的平整性。此外，转角部位的光滑性与圆顺性需得到保证，要求该处形成R≥2cm的圆角。（2）找平材料固化后，对整个处理面做详细的检查，若有毛刺则将其清理干净，此时依然可采取用砂打磨的方法。

4.4 浸渍树脂的涂刷

取适量黏结胶，利用毛刷或滚刷均匀涂抹至混凝土表面处，此时需着重控制黏结胶涂面的范围，即不可小于粘贴的碳纤维大小。

4.5 碳纤维的粘贴

（1）待维修加固的部位经过黏结胶涂抹处理后，在该处铺覆碳纤维，对于同一层而言，每张碳纤维间的搭接均要在纤维方向行进；考虑到稳定性要求，碳纤维沿纤维受力方向的搭接长度需达到100mm及以上，同时不可在主要受力区搭接。（2）按照自上而下的顺序依次完成立面碳纤维的粘贴作业，然后利用胶辊沿碳纤维方向反复碾压，通过外部施加压力的方式改善材料的分布状态，使树脂胶液充分浸渍碳纤维，有利于提高碳纤维和底层黏结的稳定性[2]。

4.6 固化与养护

（1）碳纤维粘贴工作完成后，安排5d的自然养护时间，使其达到初步固化的状态，遇极端天气时，可以利用塑料薄膜覆盖，起到防护的作用。（2）树脂固化过程中，鉴于材料对温度较为敏感的特性，应当根据现场气温选择合适的处理方法，主要工作思路如下：①在气温低于5℃时，可以更换材料，即选用低温固化树脂；②若仍使用常规材料，则要采取加温措施，确保全过程中温度不低于5℃。（3）养护环节加强对温度的检测与控制，若气温在10℃以下，养护时间应达到2周；气温在10～20℃时，可以适当缩短养护时间，以1～2周为宜，具体根据现场气温以及材料成型情况而定；当平均气温达到20℃以上时，正常情况下仅需养护1周即可。（4）待碳纤维材料完全固化后，对其做详细的检查，若有空鼓或是气泡，则利用刀片小范围地将碳纤维划开，调制黏结胶后，利用注射器针管将其注入，通过材料的应用，使空气或气泡部位得到有效的填充处理，从而转变为密实的状态。最终，应确保黏结面积达到95%以上。

4.7 表面的修饰

经碳纤维加固处理后，对已成型且满足质量要求的碳纤维予以保护涂装，此阶段需重点考虑保护涂料的性能。在操作时，工作人员应践行精细化的作业理念，做细微的修饰，使整个裂缝病害修复范围均具有完整性与稳定性[3]。

5 碳纤维加固施工的注意事项

（1）涂装施工前落实准备工作，即详细清理基层的杂物。待裂缝等病害得到有效的处理后，安排足够的时间使其干燥，通常为2h，使土层转变为干燥状态为止。加强现场安全管理，禁止场内人员吸烟，以免出现安全事故。（2）逐步完成各道工序的施工以及质量检验工作，若存在问题则及时处理，直至满足要求为止，以免因前期质量问题处理不到位而影响后续的施工质量。（3）按规范做好现场验收工作，要求黏结密实面积至少达到95%，否则需做进一步的处理。（4）碳纤维的竖向、环向搭接量分别需达到100mm、200mm，也可根据实际情况适当增加，保证碳纤维材料具有足够的稳定性。（5）如前文所述，碳纤维对环境温度较为敏感，即现场温度需达到5℃及以上，若在5℃以下，则需采取加温措施或更换其他优质的材料。此外，还需做到远离火源、避免阳光直射。