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應用碳纖維技術加固涵洞蓋板

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發布時間:2012-11-19

 摘 要:欽北線多座涵洞的蓋板出現了混凝土離析、開裂、風化露筋、鋼筋銹蝕等病害,嚴重地影響到列車的行車安全。采用碳纖維技術加固涵洞蓋板,并簡介了該項技術的工作原理、特點及施工工藝流程。

一、前言 

    欽北鐵路修建于上個世紀90年代,北起廣西欽州市南至北海市,是西南地區貨物進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段負責保養和維修。在日常養護工作中,我們發現該條線路經過常年運營使用有89座涵洞的蓋板出現了混凝土離析、開裂、風化露筋、鋼筋銹蝕等嚴重病害,涵洞蓋板的承載力下降。隨著近年來欽北線列車軸重增大及速度的提高,該病害嚴重地影響到列車的行車安全,急需對發生病害的涵洞蓋板進行加固處理。

  
二、 病害產生原因 
    產生此類病害的原因是多方面的,主要有以下幾點:(1)在涵洞建設施工時,存在質量問題,蓋板鋼筋保護層厚度不夠,混凝土震搗不密實,經常年使用,表層混凝土容易風化脫落,形成露筋。(2)蓋板防水層開裂失效,雨水不斷滲入與蓋板混凝土的主要成分硅酸鈣發生水化反應,形成游離鈣、硅酸和氫氧根,在毛細壓作用下混凝土中的鹽份被水帶出淤積于混凝土表面,進一步與空氣中的二氧化碳反應在混凝土表面結晶形成白色硬塊,最后形成堿蝕。在這個過程中,如果結構存在裂縫,就會引起鋼筋的銹脹,出現鋼筋銹蝕的情況。(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,引起堿骨料反應發生鹽腐蝕,加速了混凝土的離析。

  
三、 施工方案的比較選擇  
    對該病害的處理方法,我們提出了兩種施工方案:  
    一是在以往對鋼筋混凝土結構的加固工程中經常采用的施工方法,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層或噴射鋼纖維混凝土和外包鋼板,從而達到加固的目的。但由于許多涵洞孔徑較小,機械設備在窄小的空間內難以展開,如果采用該方法進行加固涵洞蓋板工程,施工難度較大,施工人員、設備較多,預計工期需要10個月,并且新舊混凝土界面的粘結強度不高,真實的受力狀況很難與設計預想相符。  
     二是參考國內外使用碳纖維加固橋梁的成功經驗,使用碳纖維加固技術對涵洞蓋板進行加固。  
    碳纖維加固技術的發展:碳纖維又稱增強復合材料,用于混凝土結構的加固始于70—80年代的美國、日本。日本阪神大地震及臺灣“9.11”地震后,碳纖維加固技術被廣泛用于震后建筑重建和補強,這些都促進了碳纖維在加固補強工程中的應用。我國在這方面起步較晚,但發展勢頭迅猛,進展飛快,已經有了許多橋梁加固成功的實例。如濟寧機場路高架橋空心板補強修復;盧溝新橋的補強修復工程等等。  
    碳纖維加固技術的工作原理、特點及優越性:碳纖維增強復合材料加固修補混凝土結構技術,是利用專門配制的粘結劑將碳纖維片粘貼在混凝土構件需補強加固部位表面,使混凝土與碳纖維片形成一體,共同工作的加固修補方式。(1)碳纖維復合材料具有優越的力學性能,其抗拉強度是普通Ⅱ級鋼筋抗拉強度的10倍以上,彈模也與鋼材相當;(2)碳纖維材料不與酸堿鹽等化學物質發生反應,因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕性及耐久性,適合于沿海地區空氣濕度大,鹽堿含量較高的特點;(3)碳纖維的單位體積重量僅為鋼材的l/4左右,制成板狀后,其厚度僅為1.4mm左右,幾乎不增加結構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構的裂縫,且不改變結構形狀及不影響結構外觀,很適合于加固涵洞蓋板這類施工面較小的工程。(4)施工簡便、工序簡單,由于其自重較輕,可用小型電動工具操作,操作空間要求較寬松。不像傳統補強方法需要眾多工種、大量勞力及大型施工設備,可以在傳統技術無法施工的有限作業空間內實施。 
    通過對兩種施工方案各自特點的研究比較,我們技術人員認為第二種方案更加適合本次涵洞蓋板加固工程。

四、施工過程 
    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,以減少雨水對工程的影響。其施工工序為施工準備 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  
   (1) 施工準備 認真閱讀設計圖紙,根據實際情況擬定施工計劃,備齊施工所需的各種材料及機具。  
   (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,露出混凝土結構層,對于較大面積的劣質層在鑿除后用環氧砂漿進行修復。用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質,將混凝土面層打磨平整,尤其把表面的凸起部位磨平,轉角粘貼處進行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20mm)。用吹風機將混凝土表面清理干凈,并保持干燥。  
   (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,用彈簧秤計量,電動攪拌器均勻攪拌,根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后再進行下一工序施工。一般固化時間為2~3d。  
   (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,模板接頭等出現高度差的部位應用FE膠填補,轉角處用FE膠修補成光滑的圓弧,半徑不小于10mm。  
   (5) 粘貼碳纖維片材 按尺寸裁剪碳纖維布,調配、攪拌粘貼碳纖維材料的加固專用膠(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誤后剝去離型紙,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。多層粘貼重復上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥進行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維的表面均勻涂抹FR膠。其厚度為1~2 mm。  
   (6) 保護在加固后的碳纖維表面噴防火涂料進行保護。 
五、整治效果 
    本次涵洞蓋板加固工程經過4個月的緊張施工于2004年底完成,由于施工工藝簡單,施工周期短,較原施工方案節省了大量的人力、物力,工期也縮短了6個月,施工中對線路未造成影響,保證了列車的正常運行。經過這兩年多的觀測,已加固的涵洞蓋板未產生風化、變形及開裂等病害,碳纖維布與混凝土蓋板粘結良好。蓋板底面光滑平整,涵洞整體外觀技術狀態極佳。通過試驗證明,加固后的涵洞蓋板各項力學性能得到顯著的提高,承載力提升了25%~30%,取得了預期設計的效果。  
六、結束語 
    2005年我們在南防線K89+661翁農坪中橋裂紋整治、加固的工程中再次運用了這項技術,也取得了良好的效果。實踐證明碳纖維具有高強高效、材質薄、重量輕、施工便捷、耐久耐腐蝕性好等特點,因此該項技術具有重要的社會意義,并蘊藏著巨大的經濟效益。采用碳纖維加固修補混凝土結構具有廣闊的應用前景。

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