粘贴碳纤维布法加固桥梁后病害分析

赵柏冬,张杨柳

(沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044)

粘贴碳纤维布法加固桥梁后病害分析

赵柏冬,张杨柳

(沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044)

提出了碳纤维布加固方法对桥梁加固的有效性,阐述了粘贴碳纤维布法加固桥梁后易出现的病害,并且提出了病害的防治措施,工程实例验证了防治措施的可行性.

桥梁加固;原理分析;加固后病害;防治措施

随着我国社会经济的不断发展,交通流量的增长,对桥梁结构的承载性能提出越来越高的要求.过去建造的部分桥梁设计载荷标准偏低,并且运营年限过长,再加上超载、重载车辆不断增加,以及施工技术水平的落后,大批桥梁技术状况已经不能满足当前行车安全和日益增长的交通量需求.为保证桥梁的正常运营,急需对这些不能满足车辆安全通行的桥梁进行维修加固或重建.

截止到2008年,我国公路桥梁达到了59.46万座,2 524.70万延米.其中特大桥梁1 457座,250.18万延米;大桥3.94万座,884.37万延米;中小桥梁55.37万座,1 390.15万延米.以上数据表明,中小型桥梁占据着我国公路桥梁的绝大部分,但这些中小型桥梁建造时间大部分在20世纪80—90年代,长期在上部载荷的作用下运行,普遍老化,大多数桥梁都出现了不同程度上的 病害,严重影响了我国交通运输行业的发展.

而国外方面,以美国为例.据相关资料表明:截止2002年美国公路桥梁约为58.5万座,其中需要进行加固改造的桥梁就有17万座,约占桥梁总数的1/3,并且至少有13万座公路桥梁限制车辆的载重,5 000座桥梁未能达到使用标准,从而被封闭禁止使用.因此合理有效的桥梁加固方法不仅能改善旧桥的运行状态,而且能够减少资金的投入[1].

采用粘贴碳纤维布法加固桥梁,能够有效的提高危桥的承载能力及通行能力,增加桥梁的使用寿命,从而保证桥梁正常运营.但桥梁在长时间的运营状态下,采用粘贴碳纤维布法加固后的桥梁也会出现一些不可避免的病害.

1 碳纤维布加固原理及优点

粘贴碳纤维布法加固桥梁是一种用化学粘贴剂从结构外部粘贴补强材料的施工方法.常用的补强材料有:碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP).根据不同材料加固构件的力学性能,一般情况下选取碳纤维布法加固,从而最大限度的保证构件的抗弯刚度(如表1[2]).常用的化学粘结剂有:环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂.

表1 CFRP、GFRP和AFRP的力学性能Table 1 Mechanical properties of CFRP,GFRP and AFRP

纤维布材料具有高效高强、施工便捷操作简单、耐腐蚀、抗疲劳性能好的优点,高效高强:利用高强度或高弹性模量的特点,来提高混凝土构件的承载力,从而达到改善结构受力性能与加固补强的目的;施工便捷:由于FRP材料质量较轻,无需大型机械的安装,使用小型轻便的工具便可以完成FRP材料的加固;耐腐蚀:可以在碱性环境以及潮湿环境下抵抗化学腐蚀;抗疲劳性能:桥梁经常受到上部结构的移动载荷作用,研究表明,采取纤维材料加固混凝土构件后,能够承受一定次数的循坏载荷,强度及延性并没有明显降低,纤维材料具有一定的 抗疲劳性能.并且碳纤维布具有良好的抗拉性能,使其加固在梁体的受拉区域,能够与梁体共同承受拉力,从而提高桥梁的承载力;在梁体混凝土裂缝处,粘贴碳纤维布并设置锚固端,能够有效的约束混凝土开裂,防止梁体混凝土裂缝的进一步扩大,从而提高梁体的抗弯刚度,改善梁体的受力性能.一般可用于抗弯、抗剪、受压(大偏心受压,对于小偏心受压构件,由于纵向受拉钢筋达不到屈服强度,采用粘贴纤维布会造成材料的浪费)及抗震等多种形式的加固.该方法适合混凝土梁、板桥的加固,提高抗弯承载力,对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥,加固效果尤显著.

2 碳纤维布加固后病害

经调研发现,当采用碳纤维布加固桥梁梁体时,一般碳纤维布不会发生破坏,只有在少许的情况下,才会发生碳纤维布断裂的情况,如桥梁上部载荷超出其设计值,导致受力破坏;以及环境的因素导致碳纤维布的断裂.更多的时候一般是由于环氧树脂层老化以及施工原因等导致碳纤维布梁体的粘结处开裂.其一般的破坏表现为碳纤维布与混凝土粘结面空洞;碳纤维布与梁体表面开裂,以及碳纤维布的断裂.除此之外,碳纤维布不能与梁体共同受力作用的原因还存在碳纤维布内部气泡,粘贴不平,受潮腐蚀等原因.

2.1碳纤维布与混凝土粘贴面空洞

桥梁在长期承受恒载、汽车的活载荷,导致梁体混凝土开裂,部分区域混凝土块脱落.而在使用碳纤维粘贴法加固桥梁梁体时,施工过程中,未对梁体混凝土表面进行有效的清理、打磨、填充,使碳纤维布与混凝土表面连接处出现空洞现象,导致桥梁无法达到预期加固效果,影响桥梁的正常使用.

图1粘贴面空洞
Fig.1 Empty of the paste surface

防治措施:施工过程中,严格按照施工工序进行处理.清除梁底混凝土表面不符合施工要求的劣质混凝土,如剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等,使混凝土结构层暴露,并用修补胶将表面修复平整,并保证混凝土保护层厚度不小于15 mm.被粘贴混凝土表面应打磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出集料新面[3].对于出现混凝土脱落导致混凝土空洞,要进行有效的修补,以达到粘贴纤维布加固的技术要求.并满足碳纤维复合材料施工质量检验验收标准(如表2[4]),以确保工程的质量.

表2 施工质量检验及验收标准Table 2 Construction quality inspection and acceptance standard

2.2碳纤维布与梁体接缝处开裂

碳纤维布与梁体之间粘结处开裂形式分为以下3种:

(1) 化学粘结剂与碳纤维布之间的开裂;化学粘结剂与混凝土表面之间的粘结处开裂.以上开裂形式在工程加固中出现的较少.其原因是施工过程中,未能够有效的处理好粘结面的问题,即混凝土、碳纤维布表面有污染物,施工时未能有效的清除,导致粘结不紧密,梁体受到上部载荷的作用时,粘结面开裂.除此之外,在施工过程中,化学粘结剂未能有效均匀的涂抹到梁体表面及碳纤维布表面,达不到施工要求,从而导致粘结面的开裂.如图2.

图2粘结面开裂
Fig.2 Cracking of the bonding surface

防治措施:在施工工程中,按照施工流程进行有效合理的施工:混凝土表面处理—裂缝修补—涂刷底胶—配制浸渍胶—粘贴碳纤维布—表面防护.避免粘贴时有其他污染物在混凝土、碳纤维布的表面;另外涂抹树脂胶的过程中,避免涂抹不均匀这一现象的发生,严格按照施工要求进行.

(2) 粘结剂的老化开裂,导致碳纤维布与梁体表面的开裂.施工工程中,对于不同粘结剂的选取问题,由于原材料质量、工艺操作不同,不同厂家生产出来的结构胶的质量也不相同,若质量较差,粘贴碳纤维布加固受力时,易导致碳纤维布撕脱破坏.故现场使用的结构胶应及时检验,其强度指标应不低于混凝土强度.若不满足粘结剂的基本性能选取要求(表3[4]),则会导致碳纤维布与梁体之间的开裂.此种开裂形式在一定程度上可以有效的避免.

表3 粘贴碳纤维粘结剂的基本性能要求Table 3 The basic performance requirement of pasted carbon fiber binder

防治措施:根据规范及设计要求,合理选择粘结剂,以保证碳纤维布受力时,不发生粘结剂的损坏.另外,要考虑加固对象所处的环境因素,一般选用碳纤维法加固桥梁,其所处的环境是干燥,适温的条件下,避免漏水、冻融环境对纤维布树脂层的腐蚀,以及外部高温对粘结剂的软化作用.

(3) 混凝土表层到钢筋保护层之间,混凝土发生剥离破坏.产生这种现象的原因是碳纤维布与粘结剂的粘结强度以及粘结剂与混凝土粘结强度高于混凝土的抗拉强度,剥离破坏是碳纤维布粘结处的混凝土局部应力达到混凝土的抗拉强度,混凝土被拉裂后被碳纤维布粘结下来.影响剥离破坏的因素有[5]:①混凝土强度;对于强度较低的混凝土,其发生剥离破坏现象越容易;而对于长期受到上部载荷导致混凝土表面开裂、内部钢筋锈蚀等现象的梁体,混凝土表层出现横向和纵向裂缝,也容易发生剥离破坏.②锚固长度以及锚固方式:锚固长度越短,混凝土构件的局部粘结应力越大越容易产生剥离破坏,但当锚固超过一定长度时,粘结应力将不再增加;另外,横向用U形箍锚固防止纵向碳纤维布剥离的效果较为明显.③加固材料的性质以及加固量:树脂粘结剂的刚性较大,碳纤维布的柔性好,可以有效地降低剥离应力从而降低了剥离破坏的可能性;加固量越大,碳纤维布的厚度、刚度较大,将导致剥离应力增大,易于剥离.

防治措施:在一定的范围增加锚固长度,使混凝土局部粘结应力分散,避免集中应力对混凝土的破坏.严格选取材料和控制施工质量,避免使用质量较差的材料对加固的影响,并控制好粘贴碳纤维布的层数,防止碳纤维布层数过多导致的剥离应力过大.

2.3碳纤维布断裂

据调研发现,桥梁经过碳纤维布法加固后,一般纤维布断裂分为自然因素、外部载荷因素导致的断裂.

自然因素:在雨季来临的时候,桥梁净空较低,河水上涨,从而导致梁底浸泡在水中,水上的杂物(如树枝)对碳纤维布的碰撞作用,从而导致纤维布断裂(图3所示).

图3碳纤维布受水浸泡后断裂
Fig.3 Broken CFRP after being soaked in water

载荷因素:碳纤维布粘贴在梁底混凝土表面,受到外部重载荷的作用,混凝土表面会产生裂缝,碳纤维布缓慢参与受力,长时间的载荷,裂缝趋势增大,混凝土内部钢筋屈服;随着载荷的不断增加,碳纤维布拉断,混凝土压碎,碳纤维布加固失效[6].

防治措施:对于自然因素所产生的碳纤维布断裂,尽量避免河水淹没桥梁梁底加固部分,保证水面杂物不影响到碳纤维布的正常使用,以及避免河水对粘结剂的影响.对于上部载荷因素导致碳纤维布断裂,可以采取对桥梁进行有效的限重,避免超载、重载汽车对桥梁的破坏,允许在承受载荷设计值内的车辆通行.

2.4工程实例

现对某工程桥梁进行施工加固,该桥建成于1993年.全桥共8孔,单孔跨径20 m,桥梁全长163.5 m.桥面净宽为18.8 m,两侧各设1.5 m人行道.上部结构:17片装配式带翼缘钢筋混凝土空心板,无中横隔梁,有两个端横隔梁.沥青混凝土桥面.支座采用橡胶支座.下部结构:五柱式墩,肋板式桥台,钻孔灌注桩基础.设计载荷为汽-20,挂-100.据当地交通部门调查资料显示,2006年上半年年平均日交通量为14 000台.

(1) 本桥维修设计为先简支,后结构连续的体系,即施工时,一期恒载和部分二期恒载时结构为简支体系,部分二期恒载与活载作用时为连续体系;全桥共8孔,4孔1联,共2联.

(2) 全桥空心板采用粘贴纤维布的方法进行斜截面抗剪维修.

(3) 为了提高结构的横向刚度,减小空心板的横向分配系数,使空心板受力更加均匀,横向连接变铰接为刚性连接.

(4) 对墩盖梁、墩柱、台盖梁表面混凝土蜂窝、剥皮、麻面部位,采用水泥砂浆进行修补.

(5) 新建防撞墙:为保证防撞墙具有一定的抗冲击作用,防撞墙部分钢筋植入空心板中,同时部分钢筋应与桥面铺装钢筋进行绑扎连接.

根据规范要求,以及施工过程的严格把关,对桥梁进行有效的加固.

(1) 碳纤维布及其配套树脂类粘结材料性能要求:

① 碳纤维布主要力学性能指标:抗拉强度标准值不小于3 000 MPa;弹性模量不小于2.1×105MPa;伸长率不小于1.5%;且单层碳纤维布单位面积碳纤维布质量为300 g/m2.

② 底层树脂的性能指标:正拉粘结强度不小于2.5 MPa.

③ 找平层材料的性能指标:正拉粘结强度不小于2.5 MPa.

(2) 粘贴碳纤维布施工工艺及注意事项[7]:

① 施工宜在5 ℃以上环境温度条件下进行,并应符合配套树脂的施工使用温度.当环境温度低于5 ℃时,应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施.

② 在表面处理和粘贴碳纤维布前,应按维修设计部位放线定位.

③ 树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中,用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀.搅拌用容器内不得有油污及杂质.宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量,并严格控制使用时间.

④ 粘贴前板底首先要打磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出结构新面,混凝土表面应清理干净并保持干燥;钢筋露出部位须做防锈处理,如损坏程度严重,须采取其他措施,以确保安全;若腹板底为直角,则在转角粘贴处要进行倒角处理打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20 mm.

⑤ 按比例准确配制好底胶并搅拌均匀,注意一次调和量在可使用时间内用完,超过时间的绝对不能使用,以确保粘接质量;底胶硬化后,在表面有凸起部分时,要用磨光机或砂纸打光.

⑥ 粘贴碳纤维布时要从中间向两侧进行粘贴,可避免施工时产生气泡影响粘贴效果.

⑦ 碳纤维布配套树脂的原料应密封储存,远离火源,避免阳光直接照射.

⑧ 树脂的配置和使用场所,应保持通风良好,现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施.

⑨ 粘贴完纤维布后要涂一层水泥浆,并依原砼颜色适当调整胶的配合比.

通过以上的规范严格要求施工,能够最大限度地保证施工质量,提高加固效果,提高桥梁的承载能力.

3 结 语

(1) 碳纤维布加固技术的关键是保证碳纤维布发挥其高强度的作用,而可靠的粘结面将会保证其高强度充分发挥.因此,碳纤维布加固技术的施工质量将直接影响其加固效果,施工时应采取有效的措施,保证质量与安全,并依照相关规范进行施工与验收.

(2) 粘结面对于碳纤维加固混凝土有很大的影响.若粘结面处理较好,可充分发挥碳纤维布的利用率,提高加固效果;若处理较差,将影响碳纤维布的受力导致过早剥离,从而丧失加固效果.选择有效的粘结剂将会提高粘结面的抗剪强度.

[1] 段与坤.粘贴钢板和碳纤维在桥梁加固中的应用研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.

DUAN Y K.Study on Application of Bonding Steel and CFRP in bridge strengthening[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2011.

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[3] 刑积华,庞洪炜.空心板梁裂缝处理及碳纤维布补强浅析[J].中国西部科技,2007(6):19-20.

XING J H,PANG H W.Hollow slab beam crack treatment and carbon fiber cloth reinforcement analysis[J].Science and Technology of West China,2007(6):19-20.

[4] 建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会.粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定[S].2002.

Building Management Committee for Appraisal and Strengthening of Buildings.Provisional regulations for construction and acceptance of concrete reinforced with fiber cloth reinforced composite[S].2002.

[5] 张岩俊.碳纤维布加固混凝土受弯构件正截面承载力分析[D].成都:西南交通大学,2002.

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[6] 周乐,王晓初,刘晓星.FRP钢骨混凝土梁抗剪性能[J].沈阳大学学报(自然科学版),2012:24(3):67-69.

ZHOU L,WANG X C,LIU X X.Shear performance of FRP steel reinforced concrete beam[J].Journal of Shenyang University(Natural Science),2012,24(3):67-69.

[7] 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程:CECS146-2003[S].2003.

National Industrial Building Diagnosisand Retrofit Engineering Technology Research Center.Technical specification for strengthening concrete structures with carbon fiber reinforce polymer laninate:CECS146-2003[S].2003.

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

赵柏冬(1962-),男,河北交河人,沈阳大学教授,博士.

2095-5456(2017)05-0410-05

TU 973+2

A

【责任编辑:肖景魁】