江阴大桥北引桥碳纤维布粘贴技术.doc

江阴大桥北引桥碳纤维布粘贴技术李永鳞 （江苏扬子大桥股份有限公司 江苏 靖江 214500）摘要：碳纤维片材加固混凝土结构技术是新兴的桥梁加固方法，江阴大桥北引桥加固工程采用该技术，并应用碳纤维布正拉粘结试验方法，对工程质量进行了检验，较好地控制了工程质量。关键词：桥梁 加固 碳纤维 试验碳纤维布粘贴技术自1997年引入国内以来，作为一种新兴的桥梁加固方法，其应用日益广泛。碳纤维布正拉粘结试验对于碳纤维布粘贴质量控制具有重要意义。江阴大桥北引桥预应力连续箱梁桥加固工程对碳纤维布粘贴质量进行了正拉粘结试验，较好地控制了工程质量。2008年，交通运输部发布了公路桥梁加固设计规范(JTG/T J22-2008)，将碳纤维布粘贴技术及正拉粘结试验纳入其中，为推广该项技术创造了条件。1. 江阴长江大桥北引桥概况江阴大桥北引桥预应力连续箱梁桥位于沂（江苏新沂）锡（江苏无锡）高速K347+247K347+568.5处，为350m+50m+75m+46.5m（北南）六跨两联（三孔一联）三向（纵、横、竖）预应力混凝土等截面直腹板连续箱梁（24#墩30#墩），全长321.5m，南接主桥，北接预应力简支T梁桥。该桥采用分离式单箱单室截面，分东西两幅。两联箱梁箱室内除在墩顶及边跨端部设横隔板外，其余均不设，其中边跨端部各一道，中跨两支墩处各设两道。箱梁梁体采用C50混凝土。该桥设计、验算荷载为：汽超20、挂120，于1999年9月建成通车。2、原桥病害基本情况及加固方案2004年8月，在检查中发现，北引桥预应力连续箱梁梁体多处存在裂缝等病害，部分裂缝宽度大于规范规定0.2mm的限值，最大宽度为2.0mm。2005年5月至9月，对该桥进行了加固处理，主要方案为：裂缝封闭及灌浆；底板底面、顶板底面粘贴碳纤维布；底板顶面、腹板内外侧及横隔板双面粘贴钢板；50m+75m+46.5m联设置体外预应力（锚固座、转向器及减震器均为钢结构）；75m跨箱室内设置钢桁架等，取得了较好的效果。2.1原桥病害基本情况北引桥预应力连续箱梁桥梁体裂缝等病害基本情况如下所述。2.1.1裂缝（1）50m+75m+46.5m联箱梁节段界面及预应力锯齿块附近多条规则底板横缝及腹板斜缝，其中底板横缝裂穿底板，腹板斜缝多数裂穿腹板，最严重处底板横缝和腹板斜缝连通至梗肋，最大裂缝宽度达1.2mm。350m联箱梁节段界面及预应力锯齿块附近多条规则腹板斜缝，最大裂缝宽度达2.0mm，最大裂缝深度达64mm。（2）顶板底面纵向裂缝，分布于梗肋内外及顶板中央，沿桥轴向断续出现。（3）50m+75m+46.5m联75m跨及50m跨近墩台处顶板底面横向裂缝多条，多延伸至腹板内侧面。其余箱室多处腹板内外侧竖向裂缝，同一箱室内呈对称状态。（4）50m+75m+46.5m联跨中底板横向裂缝多数裂穿底板，350m联跨中底板横向裂缝最大深度达57mm。（5）横隔板竖向裂缝，同一横隔板呈两侧对称状态。2.1.2跨中下挠50m+75m+46.5m联东幅跨中下挠达62mm，西幅跨中下挠达56mm。2.2加固方案2.2.1加固方案比选根据江阴大桥病害情况，提出两种加固方案：加固方案一：混凝土裂缝，缝宽0.15mm的灌浆处理，缝宽0.15mm的，封缝处理；加大腹板截面尺寸并增加设横隔板；底板底面、顶板底面粘贴玻璃纤维布；底板顶面、腹板内、外侧面及横隔板双面粘贴钢板；50m+75m+46.5m联设置体外预应力。加固方案二：混凝土裂缝，缝宽0.15mm的灌浆处理，缝宽0.15mm的，封缝处理；箱室内增设纵、横向钢桁架；底板底面、顶板底面粘贴碳纤维布；底板顶面、腹板内、外侧面及横隔板双面粘贴钢板；50m+75m+46.5m联设置体外预应力。设计计算结果表明，加大腹板截面尺寸、增设横隔板增加桥梁自重过大；玻璃纤维布虽比碳纤维布便宜，但其弹性模量、抗拉能力等性能与碳纤维布差异明显。基于“安全可靠、快速、经济合理”的设计原则，考虑到江阴大桥的重要性和社会影响，加固设计考虑适当富余，兼顾强度与耐久性两方面，选择方案二。3 碳纤维布粘贴施工3.1材料选用本工程选用日本东丽牌30型碳纤维布（厚度0.167mm），粘结剂选用台湾巨翰粘贴树脂。碳纤维布性能指标见表1。 碳纤维布的性能指标 表1碳纤维布纤维方向单位面积重量（g/m2）比重（g/m2）设计厚度（mm）抗拉强度（Mpa）弹性模量（Mpa）30型单方向3001.80.16730002.11053.2碳纤维布粘贴工艺流程工艺流程为：施工准备混凝土表面处理配置并刷涂底层树脂配置找平材料并对不平整处修复配置并刷涂浸渍树脂或粘贴树脂粘贴碳纤维布表面防护。3.3碳纤维布粘贴施工要点3.3.1基层处理要点混凝土的粘合面，先对粘合面打磨除去12mm厚表层，直至完全露出新面，用压缩空气除去粉尘或用清水冲洗干净，待完全干燥后机喷丙酮或用脱脂棉沾丙酮擦洗；对混凝土表面孔洞，先凿除其表面混凝土的薄弱层及松动石子，配置强度等级比原混凝土高一等级的环氧混凝土修补。3.3.2粘贴碳纤维布施工要点：（1）按实际要求裁剪碳纤维布。（2）配置并刷涂浸渍树脂。树脂配置时按使用说明中规定的配比称量并置于容器中，用搅拌器搅拌至色泽均匀。根据现场实际温度确定树脂的每次拌和量，并按要求严格控制使用时间。（3）用专用滚筒顺纤维方向多次滚压，挤去气泡，使浸渍树脂充分浸透纤维布。滚压时不得损伤纤维布。（4）多层粘贴重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后方可进行下一层粘贴。（5）最后一层碳纤维布表面均匀涂抹浸渍树脂，并喷涂耐候涂料，以避免碳纤维布直接暴露在紫外线照射下。3.3.3碳纤维布粘贴质量检查及施工环境 碳纤维布粘贴质量检查方法为：用小锤轻轻敲击或用手压粘贴后的碳纤维布表面，粘贴完成后应表面平整，无明显起鼓或凹凸现象。粘贴完成后检查碳纤维布与混凝土表面的密实程度，总有效粘贴面积不低于95%，如低于95%，则必须重新粘贴。空鼓面积小于100cm2时，用针管注胶的办法补灌粘贴剂，如空鼓面积大于100cm2，则切除空鼓处碳纤维布，重新粘贴等量碳纤维布，搭接长度不小于100mm。施工环境温度应大于5，当环境温度低于5时，选用低温粘结剂，或采取加温措施。当环境温度长期低于5时，暂停施工；此外，当空气湿度大于80%时也暂停施工。碳纤维布粘结剂远离火源，避免阳光直接照射，粘结剂配置场所保持良好的通风。4 碳纤维布正拉粘结试验方法、要求4.1试验设备及试样4.1.1粘结强度检测仪对粘结强度检测仪的要求，参照数显式粘结结构强度检测仪（JG3056）的规定。粘结强度检测仪应每年检测一次。4.1.2取样规则在已经完成粘贴的碳纤维布加固结构表面进行。按实际粘贴面积计：500m2取一组试样，500m21000m2取两组试样，1000m2以上每1000m2取两组试样。试样随机抽取，试样间距不小于500mm。4.1.3试样制备（1）表面处理：被测表面应清除污渍并保持干燥。（2）切割预切缝：从加固表面向混凝土基体内部切割切缝，切入混凝土深度为23 mm，宽度为23 mm。预切缝形状为直径40 mm的圆形。（3）粘贴钢标准块：采用取样粘结剂粘贴直径为40 mm的圆形钢标准块。取样粘结剂应大于碳纤维布粘贴树脂的强度。钢标准块粘贴后应及时固定。4.2试验步骤（1）按粘结强度检测仪使用说明书，连接钢标准块。（2）以15002000N匀速加载，记录破坏时的荷载值，并观察破坏形态。4.3试验结果4.3.1强度计算正拉粘结强度按下式计算：式中 f正拉粘结强度，MPa； P试样破坏时的荷载值，N； A钢标准块的粘结面面积，mm2。4.3.2破坏形式（1）混凝土破坏：混凝土试块破坏，以Af表示。（2）层间破坏：树脂与混凝土间复合涂层破坏，以Bf表示。（3）碳纤维布破坏：碳纤维布内部破坏，以Cf表示。（4）粘结失效：碳纤维布与钢标准块之间破坏，以Df表示。4.3.3试验结果的表示（1）每组取3个试样，以算术平均值作为该组正拉粘结强度的试验结果。（2）试验结果应包括破坏形式、3个试样的正拉粘结强度值及该组正拉粘结强度的试验平均值。5 碳纤维布粘贴现场质量判定标准参照中国工程建设标准化协会2003年制定的碳纤维片材加固混凝土结构技术规程结合江阴大桥北引桥加固工程实际情况，提出了碳纤维布粘贴现场质量检验标准。（1）破坏形式为Af时，施工质量判定为合格；（2）破坏形式为Bf、Cf、Df时，如满足每组试样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5Mpa，且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25 Mpa的要求，施工质量判定为合格；（3）破坏形式为Bf、Cf时，如不能满足每组试样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5 Mpa，且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25 Mpa的要求，对未达要求组加倍样本数量重新检验；（4）破坏形式为Df时，如不能满足每组试样的正拉粘结强度试验平均值不小于2.5 Mpa，且其中单个试样的正拉粘结强度最小值不小于2.25 Mpa的要求，对未达要求组加倍样本数量重新检验；（5）重新检验中，如组内试样均达到要求，则该组施工质量判定为合格，且各组均达到要求，该批施工质量判定为合格；组内仍有一试样未达要求，则该组施工质量判定为不合格，且该批施工质量判定为不合格。6 施工现场质量检验情况加固工程现场对碳纤维布粘贴质量共检验24组，试验结果均满足正拉粘结试验要求，质量合格，现就底板底面及顶板底面各举一组现场检验数据记录如表所示：碳纤维布粘贴质量现场检验记录表 表2工程部位西幅24#25#墩底板底面时间2005.8.31试样数量3个试样编号7、8、9仪器名称碳纤维布粘贴强度检测仪仪器型号TJ10粘结面积仪器量程10KN检验数值试样编号压力表示值（MPa）平均值（MPa）破坏形式72.422.91Af83.69Af92.63Af结论质量合格碳纤维布粘贴质量现场检验记录表 表3工程部位西幅27#28#墩顶板底面时间2005.7.27试样数量3个试样编号4、5、6仪器名称碳纤维布粘贴强度检测仪仪器型号TJ10粘结面积仪器量程10KN检验数值试样编号压力表示值（MPa）平均值（MPa）破坏形式43.433.12Af52.79Af63.16Af结论质量合格7 碳纤维布加固特点及探讨意见（1）碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利，便于桥下的高空作业，可在公路桥梁上推广应用。（2）加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，也能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观（3）有极好的耐久性，因加固只使用碳纤维和配套树脂，故不会出现锈蚀现象，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，因此碳纤维布有极好的抗化学作用。（4）目前工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，仍以国外进口材料为主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距，所以进口的材料单价就显高，往往影响技术的经济决策。因此，除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外，在碳纤维片材加固技术应用中，应当更多从加固效果，耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。（6）用碳纤维布加固的桥梁，一旦发生破坏具有突发性。因此，其承载力极限状态不能按普通刚进混凝土的定义，应按碳纤维抗拉强度的2/3设计。（7）碳纤维布用量过多时，构件延性将有所降低。因此，碳纤维布用于桥梁加固补强时，应按规范计算，合理使用。8 结语江阴大桥北引桥预应力连续箱梁桥加固工程完成后的几年来，我们多次进行桥梁检查，发现桥梁运营情况良好。粘贴碳纤维布结合其他加固方法取得了良好的效果。本工程成功地应用了碳纤维布粘贴技术及正拉粘结试验，为该技术及正拉粘结试验方法应用于桥梁加固工程碳纤维布粘贴质量控制积累了一些经验。碳纤维布粘贴正拉粘结试验结合小锤敲击、指压等方法对于碳纤维布粘贴质量控制具有重要意义，可操作性强，有利于对工程质量进行定量分析，减少了质量检验中的人为误差，应大力推广。参 考