橋梁維修加固工藝
一、前言
碳纖維布應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固已有十年以上,在國外已經(jīng)被普遍采用,在國內(nèi)碳纖維布加固工藝已成為重要工程的一個新領(lǐng)域。在最近幾年中,碳纖維布在公路橋梁結(jié)構(gòu)加固中得到大力推廣和應(yīng)用,而我市利用碳纖維布加固大型橋梁尚屬首次。本文所敘的加固工程是采用碳纖維布加固技術(shù)達到舊橋加固的事例。
二、工程概況
武漢長江二橋位于武漢長江大橋下游約5公里處,是武漢市跨越長江連接漢口與武昌的一座特大型城市橋梁,于1995年竣工通車。十年來,由于車輛嚴(yán)重超負荷運行(原長江二橋設(shè)計最大交通量為6萬量/日,但建成不久就超飽和運營,目前日平均約15萬量,其中高峰達到19萬量。),在2000年～2005年,橋梁管理部門對武漢長江二橋正引橋箱梁進行了線型監(jiān)測和全面檢測試驗。經(jīng)過十年的超負荷運營使用,本橋累積損傷使得橋梁的剛度已經(jīng)有了一定程度的下降,部分區(qū)段梁體因截面開裂發(fā)生應(yīng)力重分布,部分區(qū)段梁體可能進入塑性工作狀態(tài),不滿足結(jié)構(gòu)平截面彈性體設(shè)計假定,并且部分已有裂縫尚在繼續(xù)擴展。因此必須進行根本意義上的加固維護。本次長江二橋的加固維修運用了目前橋梁加固維修中所有的施工方法,分別是:1、箱內(nèi)外裂縫灌膠和裂縫封閉;2、箱體內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力;3、箱內(nèi)外腹板粘貼鋼板;4、箱梁外部底板、腹板粘貼碳纖維布;5、箱內(nèi)靠近腹板處增設(shè)縱向鋼桁架;6、缺陷修復(fù)。
本工程粘貼碳纖維布主要部位為箱梁頂板底面、底板底面、腹板內(nèi)外側(cè)。按碳纖維布粘貼層數(shù)分:三層、兩層、單層;按碳纖維布受力方向分:縱向、豎向。粘貼碳纖維布在橋面壓重的情況下展開施工。
本工程粘貼碳纖維布配套采用底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂及表面防護材料。
三、主要材料性能指標(biāo)
1、碳纖維布
碳纖維布規(guī)格300g/m2,根據(jù)設(shè)計要
求選用符合規(guī)范要求的合格產(chǎn)品,主要
力學(xué)性能指標(biāo)見表–1。
碳纖維布的抗拉強度應(yīng)按纖維的凈
截面面積計算,凈截面面積取碳纖維布的計算厚度乘以寬度。碳纖維布的計算厚度應(yīng)取碳纖維的單位面積質(zhì)量除以碳纖維密度。
表–1 加固用碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)
性能項目 抗拉強度 彈性模量 伸長率(%)
(MPa) (MPa)
碳纖維布 ≥3500 ≥2.1×105 ≥1.8
2、配套粘結(jié)材料
表–2 底層樹脂主要性能指標(biāo)
性能項目 性能要求 試驗方法標(biāo)準(zhǔn)
混合后初粘度(23℃)(Mpa.s) 6000～13000 GB/T 12007.4
膠體抗拉強度 ≥0 GB/T 2568
鋼-混凝土粘接正拉強度(Mpa) ≥max{2.5,1.2ftk｝;且為混凝土內(nèi)聚破壞 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范
可操作時間(25℃時)(min) 60～120 GB/T 14683
不揮發(fā)物含量(固體含量)(%) ≥99%
表–3 找平材料主要性能指標(biāo)
性能項目 性能要求 試驗方法標(biāo)準(zhǔn)
膠體抗拉強度 ≥25 GB/T 2568
膠體抗壓強度 ≥50 GB/T 2569
鋼-混凝土粘接正拉強度(Mpa) ≥max{2.5,1.2ftk｝;且為混凝土內(nèi)聚破壞 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范
四、施工方法
碳纖維布粘貼工藝流程為:施工準(zhǔn)備 → 混凝土表面處理(去除混凝土表面的粉刷層、把混凝土表面打平、將轉(zhuǎn)角打成圓弧狀) → 配置并涂刷底層樹脂(確認(rèn)混凝土表面滿足要求、涂敷基層樹脂工作)→ 配置找平材料并對不平整處修復(fù)處理(等底膠膠面收干前后,再用修平膠找平粘貼基面) → 配置并涂刷浸漬樹脂→粘貼碳纖維布 (繪制碳纖維布、剪切碳纖維布、鋪貼基準(zhǔn)放線、攪拌浸漬膠鋪貼碳纖維布) →表面保護(表面涂刷浸漬膠,點粘砂粒、噴膠砂等)。
1、混凝土表面處理
(1)施工前認(rèn)真閱讀設(shè)計施工圖,按設(shè)計圖紙,在粘布部位放線定位,并以一片梁為一個工作單元,進行粘貼碳纖維布施工。
(2)對梁體粘布部位的梁體進行打磨,清除粘布范圍內(nèi)梁體表面剝落、疏松、蜂窩、
腐蝕等劣化混凝土,露出混凝土新鮮層。
(3)梁體錯臺處將接縫凸出部分盡量鑿除,減少坡度,使錯臺部分盡量平順。
(4)對梁體粘布部位進行檢查,特別是施工接縫處,清除梁體缺陷,鑿除腐蝕等劣化混凝土。
(5)梁體原有油毛氈部分,先將油毛氈撕掉或打磨掉,對混凝土表面黑色繼續(xù)打磨,直至露出混凝土新鮮層。對油毛氈表面有不平部分,先將疏松混凝土鑿掉,然后將混凝土表面鑿毛。
(6)轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑不應(yīng)小于20mm。
2、梁體缺陷修平
對打磨后梁體出現(xiàn)大面積凹陷較大的缺陷位置用環(huán)氧類修平材料進行修平。修平前將其用酒精進行清理,待酒精完全揮發(fā)保持干燥后,在凹陷位置涂刷環(huán)氧樹脂基液,環(huán)氧樹脂基液指干后,用修平膠將其修平。對凹陷較深的位置應(yīng)分層修平時,待上次修平膠固化后再進行下一次修平,以此類推,直至修平完成,且每次修平的厚度不得大于5mm。梁體施工接縫或其它錯臺更高的位置采用放坡修平的方法,修平的坡度應(yīng)控制在10%左右,同時,要注意坡度的平整度,確保碳纖維布平順、平整與其結(jié)合。
3、配制并涂刷底膠
(1)當(dāng)梁體粘布區(qū)混凝土基面處理完成后,用酒精將混凝土基面清理干凈后,使其保持干燥。
(2)配制底膠時,嚴(yán)格按產(chǎn)品說明中規(guī)定的配比稱量并置于容器中,用攪拌器拌至色澤均勻。在攪拌用容器內(nèi)及攪拌器上不得有油污和雜質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境溫度確定樹脂的每次拌和量,并按要求嚴(yán)格控制使用時間。以一片梁為一個工作單元,每次拌和量以一片梁用量為準(zhǔn),必須配備足夠的人手,以保證底膠的使用時間。
(3)涂刷時應(yīng)力求薄而均勻,鋼筋及凹凸不平等難于涂刷部位須反復(fù)涂刷,但涂刷底層樹脂厚度不得超過1mm。宜在底層樹脂表面指觸干燥后,盡快進行下一工序的施工。
4、梁體混凝土基面局部找平
梁體缺陷較大的位置用修平膠大面積修平后,采用找平膠對局部小面積凹凸的混凝土基面進行找平。底層樹脂涂刷后應(yīng)間隔30～60分鐘,清除基層中氣泡?；炷粱娌课挥谜移讲牧咸钛a平整,并對碳纖維布拐角的地方須作圓弧處理,半徑不應(yīng)小于20mm。找平完成待其固化后,用鏟刀鏟除涂刷底膠及找平后產(chǎn)生的棱角,并保持基面干凈、干燥。同時,盡快進行下一工序的施工。
5、粘貼碳纖維布
(1)浸漬膠配制時,嚴(yán)格按產(chǎn)品說明中規(guī)定的配比稱量,置于容器中,并用專用攪拌器拌至色澤均勻。環(huán)氧底膠與找平膠指干后,用滾筒把浸漬膠滾涂在粘布區(qū)混凝土基面上。滾筒吸滿浸漬膠后應(yīng)在容器壁上輕輕刮過,以免浸漬膠在滾涂的過程中四處灑落,既造成不必要的浪費(浸漬膠較貴),又污染環(huán)境。浸漬膠應(yīng)均勻涂抹于需粘布的混凝土基面或已粘好的底層碳布上。浸漬膠層應(yīng)呈突起伏,平均厚度不應(yīng)小于2。如果個別位置浸漬膠滾涂過厚,成股下滴時,應(yīng)用滾筒來回滾動,使其均勻滾涂浸漬膠。
(2)當(dāng)浸漬膠滾涂5m左右開始粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維布需6-8人配合作業(yè),1名作業(yè)人員舉起布圈沿粘布方向引導(dǎo)粘布,1-2名作業(yè)人員用手將碳纖維布輕輕的、平整的貼在混凝土基面上,2-3名作業(yè)人員用特制帶絲紋的滾筒(羅啦)沿碳纖維布粘貼方向反復(fù)滾壓,均勻平穩(wěn)壓實,使的浸漬膠從滾筒的絲紋中擠出,并擠除氣泡,并使浸漬膠充分浸漬碳纖維布,滲透出布表面,保證密實無空洞。1-2名作業(yè)人員在后面用刮板在碳纖維布表面來回刮動,刮走多余浸透過來的膠水,補至未完全浸透的位置,使碳纖維布達到完全浸透的效果。
(3)當(dāng)碳纖維布粘至凹凸及錯臺放坡位置時,引導(dǎo)粘布的作業(yè)人員應(yīng)放松碳纖維布,輕輕的、平緩的緊貼基面上,切勿緊繃,以免碳纖維布拉得太緊,不能與混凝土基面完全緊貼,形成空鼓現(xiàn)象。
(4)粘貼碳纖維布時應(yīng)注意接頭的控制,沿粘布方向為縱向,搭接頭不得小于10cm,橫向搭接不得小于5 cm。
(5)多層粘貼碳纖維布時,注意清理已粘布的表面,并保持其干燥,重復(fù)上述步驟,在最后一層的碳纖維布表面涂抹浸漬樹脂。
(6)粘貼碳纖維布施工結(jié)束后的現(xiàn)場驗收以評定碳纖維布與混凝土間的粘結(jié)質(zhì)量為主。用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面,以回聲來判斷粘結(jié)效果,如出現(xiàn)空鼓等粘結(jié)不密實現(xiàn)象,應(yīng)采取補救措施。若粘結(jié)密實面積小于95%,則須重新施工。當(dāng)碳纖維布的空鼓面積不大于10000mm2時,可用針管注膠的方法進行修補,當(dāng)空鼓面積大于10000mm2時,將空鼓部位的碳纖維布切除,重新搭接貼上等量的碳纖維布,搭接長度不應(yīng)小于100mm。
6、碳纖維布表面防護
為了避免碳纖維布遭到紫外線的照射,箱外面碳纖維布表面采用噴水泥膠砂的方案對其進行防護,箱內(nèi)由于無紫外線照射,故不采用任何防護方案。
(1)箱外粘貼碳纖維布表面防護施工順序:打磨碳布表面→清理碳布表面→涂刷浸漬膠→植入碎石顆?！鷩娡凯h(huán)氧水泥膠砂。
(2)箱外施工采用現(xiàn)有外掛平臺進行施工,施工時對腳手架應(yīng)進行全面檢查,確保外掛平臺的結(jié)構(gòu)安全后方可使用。首先采用砂紙打磨碳布表面;再用毛刷或棉紗對碳布表面進行清理干凈,清理表面灰層和污垢;清理干凈后采用滾筒或毛刷將調(diào)配好的浸漬膠均勻的涂刷在碳布表面1mm厚;涂刷完成后立即植入粒徑2.5～3.5mm帶棱角的碎石,碎石應(yīng)潔凈,不帶有泥土等污漬。每平米植入碎石顆粒控制在5萬～6萬,碎石材料的標(biāo)號不低于25號。
(3)待植入碎石的浸漬膠完全固化后,噴涂水泥膠砂。水泥膠砂的重量配合比為:107膠:水泥:中砂=1:1:1,施工時可根據(jù)現(xiàn)場噴涂粘貼效果適當(dāng)調(diào)整。水泥膠砂的標(biāo)號不低于7.5號。砂子采用潔凈的河砂。
(4)配制噴涂水泥膠砂時,要根據(jù)原梁體的顏色選用不同的水泥,盡量使配制出的水泥膠砂與原梁體的顏色保持一至。
(5)噴涂水泥膠砂采用類似于噴涂真實漆的方法。在空壓機的氣管上接一個鐵屬斗,斗內(nèi)裝滿水泥膠砂,以空壓機壓縮出的空氣為動力,將斗中的水泥膠噴至碳纖維布表面的碎石上,防護層的總厚度不小于4mm。
五、碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量現(xiàn)場檢測方法
1、設(shè)備及試樣
(1)粘結(jié)強度檢測儀
(2)取樣規(guī)則
現(xiàn)場檢驗應(yīng)在已完成碳纖維片材粘結(jié)加固的結(jié)構(gòu)表面上進行。按實際粘結(jié)碳纖維片材的加固結(jié)構(gòu)表面面積計,500以下工程取一組試樣,500至1000工程取兩組試樣,1000以上工程每1000取兩組試樣。試樣由檢測人員隨即抽取,試樣間距不得小于500mm.
(3)現(xiàn)場試樣制備
a、表面處理:被測部位的加固表面應(yīng)清除污漬并保持干燥。
b、切割預(yù)切縫:從加固表面向混凝土基體內(nèi)部切割預(yù)切縫,切入混凝土深度2～3mm,寬度1～2mm。預(yù)切縫為40×40mm的正方形。
c、粘貼鋼標(biāo)準(zhǔn)塊:采用取樣粘結(jié)劑粘結(jié)40×40mm的正方形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊。取樣粘結(jié)劑的正拉粘結(jié)強度應(yīng)大于碳纖維片材粘結(jié)樹脂的正拉粘結(jié)強度。鋼標(biāo)準(zhǔn)塊粘結(jié)后應(yīng)及時固定。
2、試驗步驟
按照粘結(jié)強度檢測儀生產(chǎn)廠提供的使用說明書,連接鋼標(biāo)準(zhǔn)塊。以1500～2000N/min的速度進行加載,記錄試樣破壞時的荷載,并觀察破壞形式。
3、試驗結(jié)果
(1)強度計算f=P/A
式中 f―正拉粘結(jié)強度,Mpa;
P―試樣破壞時的荷載值,N;
A―鋼標(biāo)準(zhǔn)塊的粘結(jié)面面積,mm2.
(2)破壞形式
A、混凝土破壞:混凝土試塊破壞,以Af表示。
B、層間破壞:樹脂與混凝土間復(fù)合涂層界面破壞,以Bf表示。
C、碳纖維片材破壞:碳纖維內(nèi)部破壞,以Cf表示。
D、粘結(jié)失效:碳纖維片材與鋼標(biāo)準(zhǔn)塊之間破壞,以Df表示。
(3)試驗結(jié)果的表示
每組取3個被測試樣,以算術(shù)平均值作為該組正拉粘結(jié)強度的試驗結(jié)果。
試驗結(jié)果包括破壞形式、3個試樣的正拉粘結(jié)強度值和該組正拉粘結(jié)強度的試驗平均值。
(4)按照下列判斷對施工質(zhì)量進行判定:
A、破壞形式為Af時,施工質(zhì)量判定為合格;
B、破壞形式為Bf、Cf、Df時,如滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強度試驗平均值不小于2.5Mpa,且其中單個試樣的正拉粘結(jié)強度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工質(zhì)量判定為合格;
C、破壞形式為Bf、Cf,如不能滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強度試驗平均值不小于2.5Mpa, 且其中單個試樣的正拉粘結(jié)強度最小值不小于2.25Mpa的要求,施工質(zhì)量判定為不合格,或根據(jù)實際工程情況加大樣品數(shù)量重新檢驗;
D、破壞形式為Df,如不能滿足每組試樣的正拉粘結(jié)強度試驗平均值不小于2.5Mpa, 且其中單個試樣的正拉粘結(jié)強度最小值不小于2.25Mpa的要求,應(yīng)重新制備試樣和檢驗。
六、施工質(zhì)量效果
武漢長江二橋維修工程粘貼碳纖維布過程中,按實際粘結(jié)碳纖維布的加固結(jié)構(gòu)表面面積計,500以下工程取一組試樣,500至1000工程取兩組試樣,1000以上工程每1000取兩組試樣。試樣由檢測人員及監(jiān)理工程師隨即抽取,做碳纖維布粘結(jié)強度正拉試驗,試驗結(jié)果均為混凝土破壞,合格率達100%。
粘貼碳纖維布完成后經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計的嚴(yán)格檢查評定,武漢長江二橋粘貼碳纖維布施工質(zhì)量一次性驗收合格,工程按時并順利的進入了下一道工序。
七、結(jié)論
1、通過荷載試驗驗證,碳纖維布加固武漢長江二橋,使舊橋基本恢復(fù)原來的承載水平。
2、碳纖維布加固橋梁是一項新技術(shù),碳纖維布材料輕,現(xiàn)場粘結(jié)無需重型設(shè)備,設(shè)施簡便,便于在橋梁高空作業(yè),可在公路橋梁加固工程中廣泛推廣。
3、目前,粘貼碳纖維布加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
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