應(yīng)用碳纖維技術(shù)加固涵洞蓋板
2015-07-29
0 前言
欽北鐵路修建于上個(gè)世紀(jì)90年代，北起廣西欽州市，南至北海市，是西南地區(qū)貨物進(jìn)出口的便捷通道之一，由廣西沿海鐵路股份有限公司欽州工務(wù)段負(fù)責(zé)保養(yǎng)和維修。
在日常養(yǎng)護(hù)工作中，我們發(fā)現(xiàn)該條線路經(jīng)過(guò)常年運(yùn)營(yíng)使用，有89座涵洞的蓋板出現(xiàn)了混凝土離析、開(kāi)裂、風(fēng)化露筋、鋼筋銹蝕等嚴(yán)重病害，涵洞蓋板的承載力下降。隨著近年來(lái)欽北線列車(chē)軸重增大及速度的提高，該病害嚴(yán)重地影響到列車(chē)的行車(chē)安全，急需對(duì)發(fā)生病害的涵洞蓋板進(jìn)行加固處理。
1 病害產(chǎn)生原因
產(chǎn)生此類(lèi)病害的原因是多方面的，主要有以下幾點(diǎn)：
（1）在涵洞建設(shè)施工時(shí)，存在質(zhì)量問(wèn)題，蓋板鋼筋保護(hù)層厚度不夠，混凝土震搗不密實(shí)，經(jīng)常年使用，表層混凝土容易風(fēng)化脫落，形成露筋；
（2）蓋板防水層開(kāi)裂失效，雨水不斷滲入與蓋板混凝土的主要成分硅酸鈣發(fā)生水化反應(yīng)，形成游離鈣、硅酸和氫氧根，在毛細(xì)壓作用下混凝土中的鹽份被水帶出淤積于混凝土表面，進(jìn)一步與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，在混凝土表面結(jié)晶形成白色硬塊，最后形成堿蝕。在這個(gè)過(guò)程中，如果結(jié)構(gòu)存在裂縫，就會(huì)引起鋼筋的銹脹，出現(xiàn)鋼筋銹蝕的情況；
（3）欽北線處于沿海地帶，空氣中和雨水中都含有一定的氯鹽成分，鹽水滲入到蓋板混凝土的縫隙里，引起堿骨
料反應(yīng)發(fā)生鹽腐蝕，加速了混凝土的離析。
2 施工方案的比較選擇
對(duì)該病害的處理方法，我們提出了兩種施工方案：
?。?）在以往對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程中經(jīng)常采用的施工方法，鑿除并清洗干凈原有蓋板混凝土表面的劣化層后，附著施工增加一定厚度的鋼筋混凝土保護(hù)層或噴射鋼纖維混凝土和外包鋼板，從而達(dá)到加固的目的。但由于許多涵洞孔徑較小，機(jī)械設(shè)備在窄小的空間內(nèi)難以展開(kāi)，如果采用該方法進(jìn)行加固涵洞蓋板工程，施工難度較大，施工人員、設(shè)備較多，預(yù)計(jì)工期需要10個(gè)月，并且新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度不高，真實(shí)的受力狀況很難與設(shè)計(jì)預(yù)想相符。
?。?）參考國(guó)內(nèi)外使用碳纖維加固橋梁的成功經(jīng)驗(yàn)，使用碳纖維加固技術(shù)對(duì)涵洞蓋板進(jìn)行加固。
?、偬祭w維加固技術(shù)的發(fā)展：碳纖維又稱(chēng)增強(qiáng)復(fù)合材料，用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固始于七八十年代的美國(guó)、日本。日本阪神大地震及臺(tái)灣“9.11”地震后，碳纖維加固技術(shù)被廣泛用于震后建筑重建和補(bǔ)強(qiáng)，這些都促進(jìn)了碳纖維在加固補(bǔ)強(qiáng)工程中的應(yīng)用。我國(guó)在這方面起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，進(jìn)展飛快，已經(jīng)有了許多橋梁加固成功的實(shí)例。如南京機(jī)場(chǎng)路高架橋空心板補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)、盧溝新橋的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)工程等等。
?、谔祭w維加固技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)及優(yōu)越性：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，是利用專(zhuān)門(mén)配制的粘結(jié)劑將碳纖維片粘貼在混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，使混凝土與碳纖維片形成一體，共同工作的加固修補(bǔ)方式。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度是普通Ⅱ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度的10倍以上，彈模也與鋼材相當(dāng)；碳纖維材料不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，適合于沿海地區(qū)空氣濕度大、鹽堿含量較高的特點(diǎn)；碳纖維的單位體積重量?jī)H為鋼材的l／4左右，制成板狀后，其厚度僅為1.4mm左右，幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和改變截面外形。由于碳纖維布是一種柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，很適合于加固涵洞蓋板這類(lèi)施工面較小的工程；施工簡(jiǎn)便、工序簡(jiǎn)單，由于其自重較輕，可用小型電動(dòng)工具操作，操作空間要求較寬松。不像傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方法需要眾多工種、大量勞力及大型施工設(shè)備，可以在傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法施工的有限作業(yè)空間內(nèi)實(shí)施。
通過(guò)對(duì)兩種施工方案各自特點(diǎn)的研究比較，我們段技術(shù)人員認(rèn)為第二種方案更加適合本次涵洞蓋板加固工程。
3 施工過(guò)程
本次涵洞蓋板加固工程的施工日期安排在雨季后9～12月施工，以減少雨水對(duì)工程的影響。其施工工序?yàn)槭┕?zhǔn)備―混凝土表面處理―配置―涂刷底膠―配置找平膠并找平面層―粘貼碳纖維片材―保護(hù)。
3.1 施工準(zhǔn)備
認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)圖紙，根據(jù)實(shí)際情況擬定施工計(jì)劃，備齊施工所需的各種材料及機(jī)具。
3.2 混凝土表面處理
清除涵洞蓋板底面剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)。用混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，將混凝土面層打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20mm)。用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。
3.3 配置、涂刷底膠
按主劑:固化劑=2:1的比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計(jì)量，電動(dòng)攪拌器均勻攪拌，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時(shí)間為2～3d。
3.4 配置找平膠（FE膠）并找平面層
混凝土蓋板表面凹陷部位用FE膠填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用FE膠填補(bǔ)，轉(zhuǎn)角處用FE膠修補(bǔ)成光滑的圓弧，半徑不小于10mm。
3.5 粘貼碳纖維片材
按尺寸裁剪碳纖維布，調(diào)配、攪拌粘貼碳纖維材料的加固專(zhuān)用膠（FR膠），攪拌至色澤均勻，然后用滾筒刷均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在確定所粘貼部位無(wú)誤后剝?nèi)ルx型紙，將碳纖維布拉緊展平并鋪在涂有FR膠基面上，用特制滾子反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維。碳纖維沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不小于100mm，碳纖維端部固定用橫向碳纖維固定。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥進(jìn)行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維的表面均勻涂抹FR膠，其厚度為1～2 mm。
3.6 保護(hù)
在加固后的碳纖維表面噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。
4 整治效果
本次涵洞蓋板加固工程經(jīng)過(guò)4個(gè)月的緊張施工于2004年底完成，由于施工工藝簡(jiǎn)單，施工周期短，較原施工方案節(jié)省了大量的人力、物力，工期也縮短了6個(gè)月，施工中對(duì)線路未造成影響，保證了列車(chē)的正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)這兩年多的觀測(cè)，已加固的涵洞蓋板未產(chǎn)生風(fēng)化、變形及開(kāi)裂等病害，碳纖維布與混凝土蓋板粘結(jié)良好。蓋板底面光滑平整，涵洞整體外觀技術(shù)狀態(tài)極佳。通過(guò)試驗(yàn)證明，加固后的涵洞蓋板各項(xiàng)力學(xué)性能得到顯著的提高，承載力提升了25％～30％，取得了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。
