CFS在大堡橋維修加固中的應(yīng)用

朱曲平

（重慶交大道路橋梁技術(shù)研究有限公司，重慶 401122）

0 前言

采用外貼纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補強(qiáng)加固，是20世紀(jì)80年代在發(fā)達(dá)國家首先發(fā)展起來的一種高效的結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)。目前常用的材料主要有三種：碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer）、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer）、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物（Aramid Fiber Reinforced Polymer）。

其中，碳纖維布 (Carbon Fiber Sheet，簡稱CFS)由于具有高強(qiáng)輕質(zhì)、抗腐蝕、耐老化、物理性能穩(wěn)定等極其優(yōu)越的品質(zhì)，采用高性能粘結(jié)劑將其粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面，與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體共同受力，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，從而達(dá)到對混凝土結(jié)構(gòu)加固補強(qiáng)的目的。同時，粘貼CFS加固法無需大型施工機(jī)具、操作方便、施工工期短、工效高（比粘鋼加固工效提高5～6倍），尤其對于異形結(jié)構(gòu)、受惡劣環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)及抗震能力要求較高的結(jié)構(gòu)，在常規(guī)加固技術(shù)不能適用的情況下，采用該加固技術(shù)更顯出其不可取代的優(yōu)勢。

本文在分析了粘貼CFS加固法在大堡橋維修加固工程中的應(yīng)用成果，總結(jié)了粘貼CFS加固法的一般方法和注意事項。

1 工程概況

大堡橋為2×16 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心板簡支梁橋，橋梁全長55.6 m，1999年建成通車。整個橋面呈梯形，橋面寬度布置為：0.50 m（防撞護(hù)欄）+32.80 m（行車道）+0.50 m（防撞護(hù)欄），內(nèi)外半幅為分離式橋，橋面縱坡0%、橫坡2%。該橋上部承重結(jié)構(gòu)采用C40混凝土現(xiàn)澆，為16 m的預(yù)應(yīng)力空心板梁，板厚0.85 m；下部結(jié)構(gòu)為C30混凝土圓柱式橋墩和M7.5漿砌塊石重力式U型橋臺。設(shè)計荷載為汽-超20，掛-120。

為進(jìn)一步降低粉塵和噪音，提高行車舒適度和安全性，擬對該橋加鋪5 cm瀝青混凝土橋面鋪裝（下封層+2 mm潔凈碎石+粘結(jié)劑+5 mm橡膠瀝青膠粉+4cm改性瀝青AC-13C）。由于增加5cm瀝青混凝土鋪裝后，增加了橋梁恒載；再加上該橋原建設(shè)施工控制較差，以及交通流量大、重車通行等多種不利因素的影響，該橋在使用6 a后，本身存在較多病害。其中最為突出的是梁板底部出現(xiàn)很多縱橫交錯的裂縫，最大裂縫寬度在0.05 mm～0.30 mm之間，最大裂縫長度貫穿橋跨及板厚，且大部分存在滲水、甚至蓄水現(xiàn)象，危及橋梁安全。

2 加固方案

經(jīng)結(jié)構(gòu)驗算，該橋加鋪5 cm瀝青混凝土鋪裝后，在設(shè)計荷載等級汽-超20，掛-120作用下，橋跨結(jié)構(gòu)的正截面抗彎承載力不足，故決定采用粘貼CFS加固法進(jìn)行加固；即先對梁底混凝土界面進(jìn)行處理后，在梁底部跨中橫向B/11～10B/11范圍內(nèi)粘貼1層CFS、縱向L/5～4L/5范圍內(nèi)粘貼2層CFS進(jìn)行補強(qiáng)；其中橫向CFS寬度為20cm，縱向CFS寬度為30 cm，兩個方向的CFS間距均為10 cm。加固工程中所用的主要材料選擇及其各項性能參數(shù)如表1、表2所列。

表1 加固中所用CFS(日本UT70-30)的性能參數(shù)一覽表

表2 加固中所用配套粘結(jié)樹脂的性能參數(shù)一覽表

3 維修加固施工

3.1 工藝流程

3.1.1 界面處理

（1）首先將梁底面存在的疏松、脆裂及損傷的缺陷混凝土全部鑿除，露出新鮮堅實混凝土；如果缺陷部位混凝土鋼筋存在銹蝕，則利用人工除銹的方法對鋼筋進(jìn)行除銹處理。

（2）用砂輪機(jī)對備粘貼CFS部位混凝土表面全面打磨，以將原混凝土表面的風(fēng)化劣化層、浮漿、灰塵、油污等清除干凈，并用壓縮空氣吹凈，確保備粘貼CFS部位堅固、密實。

（3）對梁底部寬度小于0.15mm的裂縫，用525#水泥拌制的環(huán)氧水泥封閉；寬度大于等于0.15 mm的裂縫用“壁可法”低速低壓連續(xù)自動壓注環(huán)氧樹脂修復(fù)。

（4）將實施了裂縫封閉及灌漿處治的混凝土表面凸起處打磨平整；同時，對混凝土凹陷部位，當(dāng)破損面積較小時用環(huán)氧砂漿修補，當(dāng)破損面積很大時用環(huán)氧混凝土修補。

（5）將找平過的混凝土表面清理干凈，并確保干燥。

3.1.2 粘貼CFS

（1）按照產(chǎn)品使用說明的規(guī)定用量，并結(jié)合實際需用量，按比例及產(chǎn)品配置工藝要求調(diào)配好配套樹脂，并確保隨配隨用。

（2）用滾筒刷將底層樹脂均勻地涂抹在處理好的混凝土表面。待樹脂表面指觸干燥后即進(jìn)行碳纖維浸漬樹脂的涂刷。

（3）均勻涂刷浸漬樹脂于碳纖維表面后，用特制的滾筒沿纖維方向多次滾壓，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布。注意滾壓時不得損傷碳纖維布。

（4）在所配置樹脂的固化允許時間內(nèi)，將CFS置于處治平整的混凝土表面。用專用滾筒將其壓到樹脂膠液中，順纖維方向連續(xù)滾壓，直到膠液由CFS周邊被擠出，確保粘貼密實無空洞。

（5）在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進(jìn)行該層碳纖維布端部壓條的粘貼，其施工工藝與粘貼主受力CFS相同。

（6）該項加固共需粘貼3層CFS，重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一層CFS的粘貼。

（7）用木錘輕輕敲打，進(jìn)行粘貼CFS的空鼓檢驗。若發(fā)現(xiàn)存在氣泡，則用針管注射膠液修補，確保CFS與混凝土之間的總有效粘結(jié)面積不小于95%。

3.1.3 表面防護(hù)

在CFS粘貼完成并指觸凝膠后，再在CFS表面均勻體刷一層浸漬樹脂，作為加固部位粘貼CFS的表面防護(hù)。也可以采用涂刷環(huán)氧砂漿或聚氨酯防護(hù)油漆進(jìn)行防護(hù)。

3.2 施工技術(shù)要點

3.2.1 界面處理

（1）對混凝土破損凹陷部位的修補，當(dāng)破損面積較小時用環(huán)氧砂漿修補，為避免修補過程中砂漿流淌或脫落，涂抹時宜分層進(jìn)行，每層厚度3～5mm為宜。當(dāng)破損面積很大時應(yīng)采用環(huán)氧混凝土進(jìn)行修補，其施工工藝與普通混凝土基本相同。

（2）對存在較大破損的混凝土缺陷修復(fù)時，為使新增部分的混凝土（或砂漿）能與老混凝土良好地結(jié)合，在修補之前應(yīng)首先在待修補混凝土缺陷表面涂刷一層環(huán)氧基液，其涂刷厚度以不超過1 mm為宜，且應(yīng)涂刷均勻。涂刷可采用人工涂刷或噴槍噴射，為求涂刷薄而均勻，可在基液中加入少量丙酮(一般為3%～5%)。對于鋼筋和凹凸難于涂刷的部位，應(yīng)反復(fù)多刷幾次。

（3）基液涂刷完成后，隔一定時間，使基液樹脂將原混凝土表面充分浸潤，同時確?；褐械臍馀菀严?，方可涂抹環(huán)氧砂漿或澆筑環(huán)氧混凝土，時間間隔一般為30～60 min。

（4）環(huán)氧砂漿的養(yǎng)護(hù)最重要的是控制溫度。一般，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20±5℃，養(yǎng)護(hù)溫差不超過5℃為宜。養(yǎng)護(hù)時間一般為夏季2 d即可，冬季7 d以上。

3.2.2 膠液配置

（1）所用環(huán)氧樹脂的選擇及膠液的配置應(yīng)符合規(guī)范及設(shè)計的要求。根據(jù)施工能力，固化劑用量、一次配膠量不宜過大，一般不宜超過1～2kg，并盡可能隨用隨配，以免因涂刷不及時，反應(yīng)熱不能及時釋放、施工環(huán)境溫度高等引起膠液過快固化，來不及施工。

（2）按比例正確配置主劑、固化劑時，用低速電動攪拌器攪拌，并盡可能少的帶入空氣，待攪拌至色澤均勻時即開始使用；一般，混合量越大，使用時間越短，為在較高溫度下得到更長的使用時間，可將混合的膠粘劑分成幾個部分，或是在混合之前降低組分的溫度。

3.2.3 粘貼CFS

（1）粘貼CFS應(yīng)在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并且應(yīng)符合配套樹脂的施工使用環(huán)境。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采取升溫的措施處理。

（2）對按設(shè)計要求裁剪好的CFS浸漬時，應(yīng)使膠液充分滲透到纖維單絲間的空隙中，以提高單絲共同工作的能力。

（3）將CFS置于加固設(shè)計的放線定位處時，可由一人拉緊CFS一端，另一人將浸透的CFS用手輕壓到放線部位，用專用滾筒沿梁底粘貼方向由一端向另一端連續(xù)滾壓。過程中應(yīng)確保CFS被平直拉緊，無褶皺、無氣泡。

（4）整個橋面呈梯形，CFS的最大粘貼長度達(dá)到33.80 m，需進(jìn)行順纖維方向的搭接。鑒于粘貼CFS的粘結(jié)應(yīng)力主要集中于端部100 mm范圍內(nèi)，且其粘結(jié)破壞呈脆性，加上粘結(jié)應(yīng)力一般不會擴(kuò)展，故搭接長度不得小于100 mm，且搭接端部應(yīng)平整、無翹曲。

（5）該項加固為多層粘貼CFS，各層CFS的搭接接口應(yīng)錯開布置，錯開凈距200 mm以上為宜。

3.2.4 其他

（1）環(huán)氧樹脂材料易揮發(fā)、毒性大，因此施工現(xiàn)場必須通風(fēng)，避免有害氣體對人體的不良影響，同時要嚴(yán)格注意防火和勞動保護(hù)，操作人員必須戴口罩和橡皮手套。

（2）考慮到汽車行駛荷載引起的振動對粘貼強(qiáng)度的影響，施工時，為使CFS與環(huán)氧樹脂緊密結(jié)合，如條件允許，最好在施工及養(yǎng)生過程中加強(qiáng)交通管制，剛施工的部位禁止車輛通行。

（3）施工過程及施工完畢后，不容許將用過的器具，以及殘液等隨便拋棄或投入河中，以防止水質(zhì)污染和發(fā)生中毒事故。

4 結(jié)語

該橋維修加固于2007年4月進(jìn)行，由于交通制約，加固時沒有中斷交通；加固施工完成后全數(shù)檢查CFS，粘貼質(zhì)量達(dá)到設(shè)計及規(guī)范要求。行車至今復(fù)查，發(fā)現(xiàn)CFS與梁底表面粘結(jié)良好，有效封閉梁底裂縫、成功防水，加固效果明顯。

[1]CECS 146：2003，碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]付麗琴.碳纖維技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2006，（6）.

[3]王雷，曾德榮，等.碳纖維加固鋼筋混凝土梁撓度的一種計算方法[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2005，（5）.

[4]盧玉華，劉娟.CFRP加固鋼筋混凝土簡支梁橋的設(shè)計計算 [J].山東科技大學(xué)學(xué)報，2006，（6）.