橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)

張為民

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，廣東佛山528247)

大量應(yīng)用實例表明，在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫處理中應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)，既能有效提升橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，而且很大程度上也能降低橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理的成本。但我國對此方面的研究還有待進一步深入，因此本文基于工程實例，對橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)做了如下研究。

一、案例分析

佛(山)江(門)高速公路和順至陳村段起點位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)，與珠二環(huán)交叉處的南海區(qū)與花都區(qū)的行政邊界上，同規(guī)劃的紅棉大道對接；終點位于順德區(qū)陳村鎮(zhèn)，與廣明高速陳村互通對接。設(shè)計速度為100km/h,雙向八車道高速公路標準。

本標段路線起點樁號為K22+100，終點樁號為K31+300，路線全長9.2km。本標段含廣佛新干線立交、海八路立交、海五路立交等。在2016年6月發(fā)現(xiàn)海八路立交上兩片板之間有大量橫向裂縫，裂縫寬度在1.2～3.5mm，為控制裂縫繼續(xù)發(fā)展，采用沿板縱向通長粘貼碳纖維片，以達到受彎構(gòu)件受拉區(qū)不強的目的。通過查閱該橋梁的設(shè)計荷載，根據(jù)裂縫實際情況、碳纖維片抗拉試驗結(jié)果的綜合因素，確定碳纖維片粘貼三層，并用環(huán)氧樹脂進行灌漿，以控制裂縫繼續(xù)發(fā)展，到2017年6月裂縫明顯得到控制，同時沒有發(fā)生新的裂縫。

二、橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析

研究表明，導致橋梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因有很多，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就必須明確造成裂縫產(chǎn)生的主要原因，才能為加固和處理方案的制定提供真實有效的參考依據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）實際荷載超過設(shè)計荷載

橋梁在使用過程中，如果行駛車輛超過橋梁的設(shè)計荷載，則會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。通常情況下，在橋梁設(shè)計時難以對多種情況的發(fā)生進行全方位考慮。比如：如果在鋼筋材料選擇時沒有充分考慮鋼筋的剛度和韌性，或者在施工前沒有該橋梁車輛通行情況進行調(diào)查，就很難行之有效地對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計進行全面控制，造成橋梁在使用時超過設(shè)計荷載的車輛通過，就會導致橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

（二）溫度變化引發(fā)的裂縫

在橋梁工程施工時，需要澆筑多層混凝土才能保證橋梁質(zhì)量。在澆筑過程中，沒有采取一系列放松約束的措施，而是直接把新混凝土澆筑到原有混凝土表面上，就會造成增加混凝土內(nèi)部溫度，在混凝土層和層之間就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當溫度應(yīng)力超過混凝土韌性的臨界值時，就會形成裂縫。而且此種裂縫比較深，如果不進行及時處理，會對橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性造成嚴重影響。

（三）混凝土自身收縮產(chǎn)生的裂縫

由于混凝土存在水化反應(yīng)，在凝固過程中會發(fā)生收縮，從而形成相應(yīng)的收縮應(yīng)力，當收縮應(yīng)力超過混凝土自身強度時就會產(chǎn)生裂縫。而且混凝土配比不同，產(chǎn)生的收縮量也不盡相同，在外界溫度、濕度等因素的影響下就會產(chǎn)生不同程度的變形，從而導致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫。

（四）地基變形引發(fā)的裂縫

如果地基發(fā)生不同不均勻沉降或者發(fā)生水平位移，就會導致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生運動，在結(jié)構(gòu)之間就會形成巨大的壓力。當壓力超過橋梁結(jié)構(gòu)的抗壓強度時，就會導致發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

（五）鋼筋銹蝕造成的裂縫

鋼筋和混凝土都是橋梁工程施工的主要材料，如果鋼筋被銹蝕，則橋梁結(jié)構(gòu)勢必會發(fā)生裂縫。主要原因是一旦鋼筋出現(xiàn)銹蝕，則會對周圍的混凝土結(jié)構(gòu)造成巨大影響，混凝土中的水分和有機物會進一步腐蝕鋼筋，就會導致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫。

（六）冰凍情況下膨脹造成的裂縫

如果混凝土在施工過程中，周圍溫度過低，則會導致混凝土中的水凝結(jié)成冰。由于水具有反常膨脹的物理特性，水變?yōu)楸篌w積會大幅度增加，使得混凝土結(jié)構(gòu)跟著膨脹，就會引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，并逐漸向外作用，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)強度，難以達到設(shè)計標準，在使用時就會發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫。

三、碳纖維加固技術(shù)的特性

處理橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的方法有很多，碳纖維加固技術(shù)是一種新型加固方法。其主要特征為：先用膠帶把碳纖維粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫表面，可大幅度提升原橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，提升橋梁的承載力。碳纖維片組成示意圖如圖1所所示：

圖1 碳纖維片組成示意圖

在具體應(yīng)用時，為切實橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在裂縫加固處理中要盡量采用高強度、高彈性的碳纖維。同時，碳纖維的排布要盡量成片狀，經(jīng)過樹脂等高黏度材料的浸泡下，牢牢粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)表面，可促使橋梁原有結(jié)構(gòu)和碳纖維緊密結(jié)合到一起。片狀的碳纖維的強度、彈力都非常高，抗拉強度也比較大，可達到2400MPa，是鋼材拉伸度的10～15倍，而碳纖維的理化性質(zhì)比較穩(wěn)，不會輕易被腐蝕，且耐寒性和耐熱性都比較好。因此，被廣泛應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理中。

四、碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫中的應(yīng)用

（一）橋梁結(jié)構(gòu)裂縫表層處理

對于橋梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度在0.15mm以上的裂縫，可采用壁可法裂縫粘貼碳纖維片進行封閉處理，碳纖維片的各項性能和指標要符合《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/TJ122-2008)中規(guī)定，并經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理審核通過后才能應(yīng)用到裂縫處理中。所選擇的碳纖維要滿足以下兩點要求：第一，粘貼性好、可滲透性強，具有一定的可灌性；第二，固化后收縮性小，固化時間可調(diào)節(jié)，操作工藝簡單便捷，固化后不能發(fā)生遺留化學物質(zhì)。具體操作流程如圖2所示：

圖2 碳纖維加固技術(shù)流程圖

施工要求和方法：先對裂縫進行全方位調(diào)查，對裂縫的數(shù)量、長度、寬度等情況進行現(xiàn)場核對，并最好記錄。橋梁混凝土構(gòu)件裂縫處理應(yīng)根據(jù)不同構(gòu)件、不同部位、不同的裂縫形態(tài)選擇適當?shù)男扪a方法、修補材料和修補順序。對裂縫縫口進行全面處理，確保碳纖維加固工作片平順、干燥、無油污，處理范圍要沿裂縫走向?qū)?0mm～50mm。

（二）環(huán)氧碳纖維封閉裂縫加固技術(shù)

環(huán)氧碳纖維封閉裂縫加固技術(shù)的應(yīng)用流程為：表面處理→清潔表面→沿裂縫開6mm～8mm深的v形槽→環(huán)氧樹脂膠泥封閉裂縫→涂刷環(huán)氧樹脂膠液→養(yǎng)護→檢查質(zhì)量。為最大限度上保證橋梁裂縫加固處理質(zhì)量，要先用鋼絲刷清除原混凝土表面浮漿，并打毛裂縫周圍2cm～5cm內(nèi)的混凝土，沿著裂縫的方向開6mm～8mm深的V形槽，通過高壓壓縮空氣吹掉裂縫的浮塵，通過甲苯溶液對裂縫口清洗。根據(jù)實際情況配置環(huán)氧樹脂膠泥和碳纖維片，均勻涂抹在裂縫表面，把裂縫全部封閉。當環(huán)氧樹脂固化后，在碳纖維表面再涂刷一層環(huán)氧樹脂，提高對裂縫的保護作用。帶環(huán)氧樹脂和碳纖維全部固化后，再進行表面平滑處理。

（三）碳纖維布粘貼和養(yǎng)護技術(shù)

應(yīng)用實例表明，碳纖維布的粘貼質(zhì)量和粘貼技術(shù)有很大關(guān)系，在橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理過程中，要根據(jù)裂縫的實際情況、形成原因等具體情況進行全面設(shè)計，選擇與之相適碳纖維布，然后對需要加固的裂縫進行合理處理和涂刷。比如：在橋梁結(jié)構(gòu)的受力區(qū)域，要進行受彎件加固，則要采用U形碳纖維布，并增加涂刷厚度，才能最大限度上保證加固效果。同時，還要保證碳纖維粘貼方向和受拉方向的一致性。在碳纖維布粘貼過程中，要嚴格按照國家規(guī)定的標準進行加固處理，在施工前還要參照概率理論對碳纖維的極限狀態(tài)進行計算，以保證橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固效果。

五、碳纖維加固技術(shù)在應(yīng)用時需要注意的幾個關(guān)鍵技術(shù)

（一）保證施工工藝可靠性

大量橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理實例表明，科學、合理、規(guī)范的施工工藝和先進的管理方法，可大幅度提升碳纖維片和混凝土粘貼的牢固性。因此，在應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)時，要充分做好以下幾點：

第一，全面處理裂縫表面。把裂縫周圍疏松、脆裂、松脫的混凝土全部剔除，必要時還要做防銹處理。當裂縫寬度在0.20mm以下時，用環(huán)氧樹脂涂抹封閉即可；當裂縫寬度在0.20mm以上時，則需要用環(huán)氧樹脂灌縫處理。

第二，合理處理粘貼碳纖維片基層，對混凝土殘缺用高于原混凝土強度等級的砂漿進行修補平整，切除風化劣化層、浮漿等污染，保證修補表面的清潔性。

第三，粘貼碳纖維片，在經(jīng)過處理的混凝土表面，先涂刷一層TR型環(huán)氧樹脂，并根據(jù)裂縫實際情況，裁剪碳纖維片。當碳纖維片粘貼完成后，還要在表面涂刷一層環(huán)氧樹脂，各項工作要嚴格按照操作規(guī)程和質(zhì)量控制標準開展，最大限度上保證橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理的質(zhì)量。

第四，碳纖維片養(yǎng)護和涂裝。一般情況下，碳纖維片粘貼要養(yǎng)護10～15天，才能達到預期標準。養(yǎng)護完成后，還要在表面涂刷各種性能和不同顏色的涂裝，進一步提高橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固效果。

（二）保證碳纖維材料的可靠性

碳纖維普遍具有較高的力學性能，和碳纖維片本身的材料屬性、加工工藝具有極為密切的關(guān)系。碳纖維規(guī)格和性格指標如附表1所示。

比如：碳纖維片只有分布均勻后，才能充分發(fā)揮整體受力的作用。如果碳纖維片的材質(zhì)均勻性不足，則會很大程度上降低橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固的效果，所以在選擇碳纖維材料時，要盡量選擇材質(zhì)均質(zhì)的碳纖維片。

綜上所述，本文結(jié)合工程實例，深入研究了橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)。研究結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫是橋梁工程中最常見的病害，如果不進行科學合理的加固處理，則會對橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量造成嚴重影響。通過應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)，既能有效抑制裂縫繼續(xù)發(fā)展，而且還能大幅度提升橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時還具有施工便捷、施工速度快、施工效果比較好等優(yōu)點，值得大范圍推廣應(yīng)用。

附表1 碳纖維規(guī)格和性格指標

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