粘贴纤维复合材料加固旧桥施工工法.doc

粘贴纤维复合材料加固旧桥施工工法 程依祖（杭州市交通工程集团有限公司、上海建工海外事业部）1、前言：我国现有大、中型钢筋混凝土桥梁总计有数十万座，在二、三十年以前修建的桥梁也有十多万座，由于当时设计荷载和建设标准较低造成的历史遗留问题，同时，随着我国经济和交通事业的飞速发展，现有桥梁中相当一部分桥梁已经不能满足承载能力和使用性能上的现行要求，只能实行限载通行或禁止载货车辆通行。所以，对部分旧桥通过结构加固、补强方法来提高其原有的承载能力。另外，由于设计、施工质量缺陷和车辆严重超载以及材料腐蚀、老化等原因造成部分桥梁安全性降低及耐久性不足。虽然，已经有一部分旧桥得到了加固补强，但仍有很大一部分仍在“带病”使用。由于，我国的经济状况不可能投入大规模资金对旧桥梁进行拆除重建，因此，必须通过结构加固、补强的办法对旧桥进行改造，使其满足功能要求和保证使用安全性及耐久性。我国已经积累了丰富的旧桥加固经验，大致有以下几种方法，加大截面法（缺点：湿作业、施工工期长）预应力加固法（缺点：施工技术要求高）、外包型钢加固法（缺点：需大型机械加工设备）、粘贴钢板加固法（缺点：施工质量难保证，需机械加工设备）、粘贴纤维复合材料加固法等。2、纤维复合材料加固工艺特点：2.1、材料特性：纤维复合材料具有高抗拉强度，高弹性模量，具有优良的耐腐蚀性，有良好的浸透性和均匀度。其技术指标见下表： 类别项目单向织物（布）（碳纤维复合材料）条形板（碳纤维复合材料）高强度级高强度级高强度级高强度级抗拉强度标准值Ffk（MPa）3400300024002000受拉弹性模量E1（MPa）2.41052.11051.61051.4105伸长率（%）1.71.51.71.52.2、纤维复合材料加固修复混凝土结构技术的优点2.2.1、高强高效。由于纤维复合材料具有优异的化学、物理力学性能，在加固修复混凝土结构中充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高桥梁及构件的承载力和延性，改善构件的受力性能，达到高效加固修补的目的，尤其用纤维复合材料加固混凝土柱不仅能提高承载力，并能提高混凝土柱的延性，所以在地震活动较频繁地区对桥梁墩台进行加固时，它更具优势。2.2.2、具有良好的耐腐蚀性能和耐久性能。纤维复合材料的化学性质稳定，不与酸、碱及盐等化学物质发生反应，可以抗拒常遇的各种酸、碱及盐的腐蚀及能阻止有害介质侵蚀。所以用纤维复合材料加固的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀和耐久性，特别是在腐蚀环境下进行加固更有优势，它不同粘钢加固法所需要的定期防锈维护，可节省大量维修费用。2.2.3、不增加构件的自重和体积。纤维复合材料的质量轻且薄，粘贴后每平方米重量（包括粘结胶）小于1公斤（0.01kn/m2），单层粘贴厚度只有1.0mm左右，经加固后的构件，基本上不增加结构的自重和尺寸，不减少建筑的使用空间，这对于有通水、通航要求的旧桥加固特别重要。2.2.4、纤维复合材料加固修补钢筋混凝土结构可广泛适用于各种结构类型（如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等）纤维复合材料布是一种柔性材料，可任意裁剪，可弯曲缠绕成型，各种结构形状（矩形、圆形、曲面结构等）、各种结构部位（梁、板、柱、节点、拱、壳等）。这种不改变结构形状、不影响结构外观的加固修补方法是任何其他结构加固方法所不可比拟的。尤其对于大型桥梁的桥墩、桥板等结构，更具有优越性，而粘贴纤维复合材料加固技术能顺利解决。2.2.5、施工便捷且施工工效高。纤维复合材料用于加固钢筋混凝土桥梁，在施工时没有湿作业，不需要大型施工机械设备，施工占用场地少，所以工效极高。2.2.6、施工质量有保证。由于纤维复合材料固化前是柔软的，即使被加固的结构表面不是非常平整，也可以保证有效粘贴率近100%，即使在粘贴固化后发现局部有气泡，也很易于修补，只要用粘结剂注射入气泡中将空气赶走就可以了，而粘钢板则很难达到有效粘贴面为100%。3、适用范围：3.1建筑工程专业领域工业、民用建筑工程专业：钢筋砼结构梁、柱、面板，屋架及钢筋砼墙、砖砌墙体等。桥梁、市政建筑工程专业：T型梁、板梁、箱梁及桥墩（台），横梁、钢筋砼结构弦杆、斜撑、拱脚（肋）等。隧道、港口、水利等建筑工程专业的钢筋砼结构的构造物，砼、钢筋砼坝体、壳体、筒体等。3.2建筑构造物缺陷加固、补强范围建筑构造物使用荷载增加的加固、补强及抗震加固处理。建筑构造物的使用功能改变和改造的加固、补强。建筑构造物局部受损和缺陷的修复、加固和补强处理。砼强度等级低于设计要求加固、补强。钢筋砼、砼、砖体等建筑的裂缝修复和材料老化加固、补强。受盐腐蚀的工业、民用建筑、桥梁、水工构造物的防腐保护和加固处理。4、工艺原理纤维复合材料由环氧树脂预浸成复合增强材料（单向连续纤维）具有高强度、高弹性模量，重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十几倍，弹性模量亦高于普通钢筋的弹性模量。同时，采用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝运动方向，粘贴于被补强的建筑构造物上，形成一个新的复合体，使粘贴纤维复合材料和原有钢筋砼共同受力，共同工作，从而大大增强了复合体的结构的抗裂、抗弯和抗剪性能以及防震、防腐的能力，达到了对结构物的加固和补强目的，使原建筑构造物使用的安全性、耐久性得以保证。5、施工工艺及操作要点5.1、施工工艺流程胶粘剂储存、自检、供应系统配制结构胶粘剂配制修补胶配制底胶施工准备涂刷底胶有涂底胶刷胶、粘贴纤维材料及养护及养护防护面层施工施工质量检验修整原构件界面处理修补找平免底涂胶5.2操作要点5.2.1、施工准备现场检测建筑构造物裂缝，缺损状况及了解施工作业环境。落实施工机械、材料、劳动力组织及施工安全措施。5.2.2、混凝土表面处理（1）采用喷砂或砂轮打磨混凝土表面对其进行处理，将混凝土表面的残缺、疏松及破损部分铲除干净，同时，将油脂及附着杂物清除干净。（2）用高压空气清除打磨时产生的尘土，如采用清水冲洗干净后，需待充分干燥后才能施工。对经过剔凿，清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。（3）对外露钢筋和生锈部分，涂刷防锈剂并进行修补，对有裂缝进行封闭处理，缝宽小于0.1mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷封闭，缝宽大于0.1mm的裂缝采用环氧树脂压力灌注封闭。（4）对粘贴纤维复合材料处混凝土表面凸出和不平整部分采用打磨凿除和打磨平整且清洗干净、干燥。5.2.3、补修工序（1）确认材料的数量并按照设计要求尺寸裁切。（2）涂刷底层环氧树脂（底胶），其作用是保证纤维复合材料与混凝土构件有足够的粘结，使之共同工作，涂刷时应该均匀，全面，避免厚度不一和局部漏刷。（3）粘贴纤维复合材料：用浸润环氧树脂（面胶）把纤维复合材料粘贴平顺紧密，可采用专用工具，沿着纤维复合材料方向在其表面滚压多次，挤出其中的气泡且使用树脂渗进入纤维复合材料中。如为多层粘贴则重复前面步骤。保证纤维复合材料与原结构物紧密、牢固形成整体而共同工作。5.2.4、施工质量管理及检验（1）按照国家现行规范和生产厂家的产品质量检查表对质量进行确认。（2）纤维复合材料的抗拉强度，弹性模量须符合设计要求和产品标准。（3）粘结剂要有足够的粘结性能，施工过程中各部份使用环氧树脂胶结料的种类、规格、型号。应根据施工时的温度、湿度进行选择，并正确掌握主剂和固化的配比，使环氧树脂胶结渗透性，粘稠度，固结速度等方面满足不同季节施工的需要。（4）粘结树脂的主剂，固化剂应按规定比例称量准确，装入容器搅拌均匀，且一次调和量应在规定的时间内用完。现场制作粘结剂的试验片及现场制作使用产品的试验片，以提供材料检查试验用。（5）粘贴纤维复合材料与混凝土的粘接剂（施工性），除目测或敲打检查外。根据需要，在施工时，预先准备好的粘贴实验块上用建筑研究用的实验器进行确认。（6）环氧树脂干燥时间因气温不同而有差异，一般在3小时到1天时间内变化：要了解并根据施工部位的环境及表面的温度、湿度选择适当的底层涂料。在气温5以下，相对湿度RH85%。混凝土表面含水率在6%以上，有结露可能而无有效措施时，不得施工。（7）为防止纤维复合材料受损，在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受到弯折。纤维复合材料裁切每段材料长度一般不以超过6m为宜，纤维复合材料沿纤维顺长方向的塔接长度须20cm以上。5.2.5、保养：在固化期内，不施加外力进行保养及外界干扰，碰撞，粘贴纤维复合材料后，需自然养护1-3小时达到初期固化。5.2.6、表面加工：待保养期结束后，根据需要可在纤维复合材料外面刷一层防晒漆或防火漆，以缓减粘接剂的老化或增加结构的防火性能。6、主要施工机具及劳动力组织6.1施工机具6.1.1清理、打磨机具；空气压缩机，角向磨光机，角向砂轮机，吸尘器，高压水枪，金刚石切割机。6.1.2裁切、检测、试验机具；红外线裂缝观测仪，电子天平称，裁切剪刀容器，称重衡器。6.1.3压浆、注浆机具；压力注射针筒，空气压缩机，电动低速搅拌机。6.1.4涂刷，粘贴机具；毛刷，专业滚筒，温度仪，湿度仪，橡皮刮刀。6.2劳动力组织以每100m2粘贴纤维复合材料作为用工计算单位，根据现场实际施工工效及经验如下：6.2.1技术工人45人/100m2工作内容：粘贴剂调试，检测，检验，裂缝压力灌注修补、纤维复合材料粘贴、涂装、养护等。6.2.2普通工人45人/100m2工作内容：清理、清洗打磨、修补砼6.2.3辅助工23人/100m2工作内容：脚手架塔设，材料储存，搬运平均施工用工标准约68m2/工日7、质量控制标准及控制措施7.1质量控制标准7.1.1 GB50367-2006混凝土结构加固设计规范7.1.2 CECS146：2003纤维复合材料片材加固混凝土结构技术规范7.2质量控制措施7.2.1转角粘贴处，应将截面棱角打磨或圆弧半径不小于25mm的圆角，对打磨后混凝土表面，全部进行观察触摸及靠尺检查。7.2.2粘贴纤维复合材料部位混凝土其表面含水率不宜大于6%。对于每根梁、柱检查数量不少于1处，对100m2（或小于100m2）的板、墙不少于3处。7.2.3底涂和环氧腻子静置固化达到指触干燥时，才能继续施工。监理人员应监督共配置底胶并检查粘度检查报告。7.2.4纤维复合材料与混凝土之间的粘结质量可用锤击法进行检查，总有效粘结面积不应小于总粘结面积的95%。探测时，应将粘贴的纤维复合材料分区，逐区测定空鼓面积（即无效粘接面积），若单个空鼓面积不大于10000mm2，允许采用注射法充胶修复，若空鼓面积大于10000 mm2，应割除修补，重新粘贴等量纤维复合材料。7.2.5纤维复合材料与基材混凝土的正拉粘结强度，必须进行见证抽样检验，其检验结果应符合下表的要求，若不合格，应揭去重贴，并重新检查验收。检验项目原构件实测混凝土强度等级检验合格指标检验方法正拉粘结强度及其破坏形式C15C301.5Mpa且为混凝土内聚破坏粘结材料粘合固材与基材的正拉粘结强度现场测定方法及评定标准C452.5Mpa（注：C30C45之间，允许按换算35度等级以线性插值发确定共合格指标。）8、安全措施8.1在加固施工期间，应在桥梁二端设置禁止车辆通行标志，8.2在高空作业时，应设置脚手架或吊缆设备及防护栏杆等。8.3纤维复合材料为导电材料，施工纤维复合材料时应原理电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。8.4纤维复合材料的粘结剂，即底胶、面膜或配套树脂的原料应密封，远离火源，避免阳关直接照射。8.5现场施工人员应采取相应的劳动保护措施，如保护眼镜和口罩，当粘贴纤维复合材料结束后，应用肥皂洗干净手和皮肤。9、环保措施9.1施工环境温度应符合结构胶粘剂产品使用说明书的规定。若未作规定，应按不低于15进行控制。9.2作业场地应无粉尘，且不受日晒雨淋和化学介质污染。9.3对报废的粘结剂，底胶、面胶及纤维复合材料的边角废料，应倒入密闭的废料桶内集中处理。10、经济效益分析10.1采用粘贴纤维复合材料对旧桥及钢筋砼构筑物裂缝，缺陷进行修补、加固和补强。将原有砼构筑物砼裂缝封闭和限制裂缝进一步发展，改善了旧桥、钢筋砼构筑物的受力状态、加强了结构刚度及整体性，提高了结构的抗弯能力，抗剪能力和抗裂能力。从而，大大增强了旧桥，钢筋砼构筑物的使用安全性和耐久性，恢复了旧桥及钢筋砼构筑物的使用功能，无论在社会效益和经济效益等方面都十分显著。10.2纤维复合材料加固施工便捷，工效高，没有湿作业和施工占用场地少，纤维复合材料加固高强高效，质量保证且不增加结构自重，纤维复合材料加固经济合理。就目前粘贴纤维复合材料的综合单价约300500元/m2，较其他加固方法经济合理，且施工简便，工期短、工效高，经济效益十分明显。10.3纤维复合材料加固材料其化学、物理性能稳定，具有轻质、高强、抗腐蚀、耐老化及耐久性好的优点。采用纤维复合材料加固、补强钢筋砼结构形成整体共同工作，不仅起到增强构件的承载能力，保证构件的安全性、耐久性。同时，不需要进行往常的维护保养，所以节约了较多的维护保养费用。11、工程实例：11.1 江苏省盐城市四岔河桥11.1.1 盐城市四岔河桥工程简况盐城市四岔河桥工程位于大丰204省道K184+527桥梁结构：510m钢筋砼空心板梁，梁高55cm，梁宽105cm设计荷载：汽15级，挂80建成通车日期：1978年6月11.1.2桥梁缺陷情况钢筋砼空心板梁碳化现场较为严重且存在裂缝现象设计荷载等级偏低（汽15，挂80）11.1.3加固目的配合204省道改造，提高桥梁设计荷载等级到：汽20标准封闭及限制裂缝发展提高桥梁的使用安全性及耐久性11.1.4加固施工方案采用粘贴纤维复合材料加固施工工艺及压力注射环氧树脂封闭、修补裂缝。11.1.5加固后桥梁检测情况依据设计荷载汽20等级的标准及相关的试验荷载的检测结果整体最大残余变形为：3%跨中最大挠度值为：1.84mm空心板梁抗弯能力安全系数为1.46 应力分析：钢筋的应力校验系数为：0.600.75 纤维复合材料应力系数为：0.580.9 混凝土的应力校验系数为：0.650.8611.1.6结论纤维复合材料加固、补强的盐城四岔河桥