应用碳纤维技术加固涵洞盖板
2015-07-29
0 前言
钦北铁路修建于上个世纪90年代，北起广西钦州市，南至北海市，是西南地区货物进出口的便捷通道之一，由广西沿海铁路股份有限公司钦州工务段负责保养和维修。
在日常养护工作中，我们发现该条线路经过常年运营使用，有89座涵洞的盖板出现了混凝土离析、开裂、风化露筋、钢筋锈蚀等严重病害，涵洞盖板的承载力下降。随着近年来钦北线列车轴重增大及速度的提高，该病害严重地影响到列车的行车安全，急需对发生病害的涵洞盖板进行加固处理。
1 病害产生原因
产生此类病害的原因是多方面的，主要有以下几点：
（1）在涵洞建设施工时，存在质量问题，盖板钢筋保护层厚度不够，混凝土震捣不密实，经常年使用，表层混凝土容易风化脱落，形成露筋；
（2）盖板防水层开裂失效，雨水不断渗入与盖板混凝土的主要成分硅酸钙发生水化反应，形成游离钙、硅酸和氢氧根，在毛细压作用下混凝土中的盐份被水带出淤积于混凝土表面，进一步与空气中的二氧化碳发生反应，在混凝土表面结晶形成白色硬块，最后形成碱蚀。在这个过程中，如果结构存在裂缝，就会引起钢筋的锈胀，出现钢筋锈蚀的情况；
（3）钦北线处于沿海地带，空气中和雨水中都含有一定的氯盐成分，盐水渗入到盖板混凝土的缝隙里，引起碱骨
料反应发生盐腐蚀，加速了混凝土的离析。
2 施工方案的比较选择
对该病害的处理方法，我们提出了两种施工方案：
（1）在以往对钢筋混凝土结构的加固工程中经常采用的施工方法，凿除并清洗干净原有盖板混凝土表面的劣化层后，附着施工增加一定厚度的钢筋混凝土保护层或喷射钢纤维混凝土和外包钢板，从而达到加固的目的。但由于许多涵洞孔径较小，机械设备在窄小的空间内难以展开，如果采用该方法进行加固涵洞盖板工程，施工难度较大，施工人员、设备较多，预计工期需要10个月，并且新旧混凝土界面的粘结强度不高，真实的受力状况很难与设计预想相符。
（2）参考国内外使用碳纤维加固桥梁的成功经验，使用碳纤维加固技术对涵洞盖板进行加固。
①碳纤维加固技术的发展：碳纤维又称增强复合材料，用于混凝土结构的加固始于七八十年代的美国、日本。日本阪神大地震及台湾“9.11”地震后，碳纤维加固技术被广泛用于震后建筑重建和补强，这些都促进了碳纤维在加固补强工程中的应用。我国在这方面起步较晚，但发展势头迅猛，进展飞快，已经有了许多桥梁加固成功的实例。如南京机场路高架桥空心板补强修复、卢沟新桥的补强修复工程等等。
②碳纤维加固技术的工作原理、特点及优越性：碳纤维增强复合材料加固修补混凝土结构技术，是利用专门配制的粘结剂将碳纤维片粘贴在混凝土构件需补强加固部位表面，使混凝土与碳纤维片形成一体，共同工作的加固修补方式。碳纤维复合材料具有优越的力学性能，其抗拉强度是普通Ⅱ级钢筋抗拉强度的10倍以上，弹模也与钢材相当；碳纤维材料不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，适合于沿海地区空气湿度大、盐碱含量较高的特点；碳纤维的单位体积重量仅为钢材的l／4左右，制成板状后，其厚度仅为1.4mm左右，几乎不增加结构自重和改变截面外形。由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，且不改变结构形状及不影响结构外观，很适合于加固涵洞盖板这类施工面较小的工程；施工简便、工序简单，由于其自重较轻，可用小型电动工具操作，操作空间要求较宽松。不像传统补强方法需要众多工种、大量劳力及大型施工设备，可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施。
通过对两种施工方案各自特点的研究比较，我们段技术人员认为第二种方案更加适合本次涵洞盖板加固工程。
3 施工过程
本次涵洞盖板加固工程的施工日期安排在雨季后9～12月施工，以减少雨水对工程的影响。其施工工序为施工准备―混凝土表面处理―配置―涂刷底胶―配置找平胶并找平面层―粘贴碳纤维片材―保护。
3.1 施工准备
认真阅读设计图纸，根据实际情况拟定施工计划，备齐施工所需的各种材料及机具。
3.2 混凝土表面处理
清除涵洞盖板底面剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，对于较大面积的劣质层在凿除后用环氧砂浆进行修复。用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，将混凝土面层打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，转角粘贴处进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥20mm)。用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
3.3 配置、涂刷底胶
按主剂:固化剂=2:1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。
3.4 配置找平胶（FE胶）并找平面层
混凝土盖板表面凹陷部位用FE胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补，转角处用FE胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10mm。
3.5 粘贴碳纤维片材
按尺寸裁剪碳纤维布，调配、搅拌粘贴碳纤维材料的加固专用胶（FR胶），搅拌至色泽均匀，然后用滚筒刷均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸，将碳纤维布拉紧展平并铺在涂有FR胶基面上，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使FR胶充分浸透碳纤维。碳纤维沿纤维方向的搭接长度不小于100mm，碳纤维端部固定用横向碳纤维固定。多层粘贴重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维的表面均匀涂抹FR胶，其厚度为1～2 mm。
3.6 保护
在加固后的碳纤维表面喷防火涂料进行保护。
4 整治效果
本次涵洞盖板加固工程经过4个月的紧张施工于2004年底完成，由于施工工艺简单，施工周期短，较原施工方案节省了大量的人力、物力，工期也缩短了6个月，施工中对线路未造成影响，保证了列车的正常运行。经过这两年多的观测，已加固的涵洞盖板未产生风化、变形及开裂等病害，碳纤维布与混凝土盖板粘结良好。盖板底面光滑平整，涵洞整体外观技术状态极佳。通过试验证明，加固后的涵洞盖板各项力学性能得到显著的提高，承载力提升了25％～30％，取得了预期设计的效果。
