碳纖維復合材料在鋼筋混凝土棧橋結(jié)構(gòu)加固工程中的應用
2006-04-26 00:00
摘 要：淮北礦業(yè)集團淮北選煤廠皮帶運輸機棧橋因原設(shè)計采用的標準、規(guī)程、規(guī)范要求均較低、,施工質(zhì)量存在缺陷及受環(huán)境污染等因素影響，使用30多年后，出現(xiàn)了嚴重的破壞現(xiàn)象，威脅安全生產(chǎn)。經(jīng)方案比選，采用粘貼碳纖維復合材料的方法進行加固，收到了預期效果。重點介紹了混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維復合材料加固施工技術(shù)措施、施工程序及注意事項。
關(guān)鍵詞：碳纖維復合材料；混凝土碳化；棧橋；加固
中圖分類號：TD223 文獻標識碼：B 文章編號：1002—6029(2005)03—4-0019-04
1 工程概況
淮北礦業(yè)集團淮北選煤廠3條皮帶走廊棧橋始建于1971年，至今已有34年歷史。其中3號皮帶走廊棧橋鋼筋混凝土托架跨度達36m，鋼筋混凝土棧橋支架高達28m。由于當時設(shè)計采用的標準、規(guī)范、規(guī)程要求均較低(設(shè)計使用年限30年)，現(xiàn)棧橋外露的鋼筋混凝土構(gòu)件已發(fā)生了破壞，鋼筋保護層大面積剝落，嚴重威脅安全生產(chǎn)，必須進行加固。
根據(jù)現(xiàn)場勘查和檢測，鋼筋混凝土棧橋結(jié)構(gòu)破壞情況如下：
(1)鋼筋混凝土托架上弦、下弦、腹桿及棧橋支架鋼筋保護層大面積剝落，主筋和箍筋外露，銹蝕嚴重。有的主筋銹蝕量達到50 以上，部分區(qū)域箍筋基本銹蝕殆盡(見附圖)。
(2)根據(jù)安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站檢測報告，該皮帶走廊棧橋結(jié)構(gòu)混凝土平均碳化深度達到40～60mm，均超過鋼筋保護層厚度(25mm)，鋼筋保護層已失去對鋼筋的保護作用。
2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞原因分析
(1)棧橋設(shè)計時間為1969—1971年，當時有關(guān)標準、規(guī)范、規(guī)程各項要求均較低，沒有對混凝土耐久性提出明確要求。按現(xiàn)在的觀點來看，主要表現(xiàn)在對混凝土強度等級、鋼筋保護層厚度、使用環(huán)境類別等考慮不周。
(2)皮帶走廊棧橋施工質(zhì)量存在缺陷。檢查中發(fā)現(xiàn)，棧橋部分鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋保護層厚度不足，構(gòu)件表面不平整，而且有多處蜂窩和露筋等現(xiàn)象。
(3)棧橋使用環(huán)境遭受嚴重污染，空氣中存在對混凝土質(zhì)量有影響的氣體和粉塵(選煤廠東北2km處有1座焦化廠，煉焦生產(chǎn)時產(chǎn)生大量酸性廢氣。此外，選煤廠自身生產(chǎn)時也產(chǎn)生粉塵和廢氣)；再加上雨、雪和煤泥水的侵蝕，對混凝土耐久性有嚴重影響。
(4)選煤生產(chǎn)和鐵路列車通過時產(chǎn)生的振動對混凝土耐久性產(chǎn)生了不利影響。
以上4條原因中，前2條是歷史問題，無疑是引起棧橋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的重要因素。但后2條原因也是不可忽視的。因為在皮帶走廊棧橋檢查、檢測中發(fā)現(xiàn)，該皮帶走廊棧橋原設(shè)計混凝土強度等級和鋼筋保護層厚度基本達到現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)3．4條關(guān)于混凝土耐久性規(guī)定中“環(huán)境類別二a”的要求，但混凝土碳化層深度仍達到40~60mm，仍有大量鋼筋銹蝕。
3 加固方案選擇
由于皮帶走廊棧橋是該選煤廠的生命線，加固工程必須在不停產(chǎn)的情況下施工。托換施工方案投資大、難度大、安全風險大，不宜采用。粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)比較成熟，能解決上述結(jié)構(gòu)加固問題，有效延長皮帶走廊棧橋服務年限，因此決定采用該項加固技術(shù)。
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)自1997年在我國推廣后已應用了多年，《碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS：146：2003)已于2003—05—01起施行。
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力(抗彎、抗剪)，從而達到對建筑物加固、補強的目的。用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料力學性能優(yōu)良，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的10幾倍。但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低荷載時，一部分應力較高的碳纖維絲便會首先達到其抗拉強度極限并退出工作狀態(tài)；依此類推，隨著荷載的逐漸增高，各碳纖維絲會逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲便能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度。碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對碳纖維布的加固起著關(guān)鍵作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又要確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作。只有這樣，才能達到加固目的。
4 碳纖維復合材料加固結(jié)構(gòu)的功能和特點
用碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)，可以起到以下作用：
(1)提高結(jié)構(gòu)抗剪切能力。碳纖維包覆結(jié)構(gòu)柱(方柱和圓柱等)或墩(橋墩和閘墩等)，由于碳纖維的橫向約束作用改變了柱或墩的受力狀態(tài)，可提高其抗剪切能力和軸壓承載力，尤其是在發(fā)生地震時，能有效地防止柱或墩產(chǎn)生脆裂性破壞。
(2)提高結(jié)構(gòu)抗彎曲能力。一般碳纖維布粘貼在梁或板的底部后，當梁或板產(chǎn)生彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內(nèi)的鋼筋聯(lián)合受力，共同工作，可有效地提高梁或板抵抗彎曲變形的能力。
(3)延長結(jié)構(gòu)使用壽命。由于用碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的延性和承載能力，同時又對結(jié)構(gòu)起到防護作用，因此可延長結(jié)構(gòu)的使用年限。
(4)推遲裂縫出現(xiàn)，抑制裂縫繼續(xù)擴展?；炷两Y(jié)構(gòu)被碳纖維布包覆后，抗裂能力有了很大提高，因此可推遲裂縫出現(xiàn)時間。對結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生的裂縫，可有效地抑制其繼續(xù)發(fā)展。
碳纖維復合材料加固結(jié)構(gòu)的特點如下：
(1)纖維布有單向、雙向、任意方向和雙向45。交叉布料，也可以根據(jù)主應力方向定制。單向碳纖維布縱(經(jīng))向鋪設(shè)，有利于設(shè)計人員根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況，將碳纖維布粘貼到受力補強最佳的部位。
(2)碳纖維布橫(緯)向有尼龍線結(jié)連接，使纖維布在裁剪或粘貼時無松散、變形之憂，可保證每根纖維都不會受損，充分發(fā)揮纖維的強度。
(3)節(jié)約材料，降低成本。碳纖維布規(guī)格有很多種，便于結(jié)構(gòu)補強設(shè)計時靈活掌握。同時碳纖維布也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)加固需要，很容易地裁剪成任意寬度和長度；且裁剪時不會有一根纖維會散落，緯向損耗為0。
(4)碳纖維重量輕，一般采用手工作業(yè)，不需要大型機械，施工空間小，粘合率可達100% ，施工簡便，施工質(zhì)量容易保證；同時施工進度也快，比粘鋼補強加固工作效率提高4～5倍。
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固中應用已產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。該項技術(shù)適用于各種類型結(jié)構(gòu)(梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu))和結(jié)構(gòu)的各個部位加固修補，只要基層混凝土強度等級不低于C15即可。
5 加固施工方法
5．1 加固措施
針對不同混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和不同的破壞情況，采取相應的加固措施：
(1)對未出現(xiàn)鋼筋外露或鋼筋保護層銹脹裂縫的梁柱，以保護為主，阻止裂縫出現(xiàn)和鋼筋銹蝕，延長構(gòu)件使用壽命。具體加固措施是：托架上弦、下弦、腹桿及棧橋支架表面打磨清理后，刷WSP建筑防護涂料；柱根500mm段易接觸水的部分增刷界面劑后，分兩層抹1：2水泥砂漿20mm厚。
(2)對鋼筋保護層脫落或出現(xiàn)銹脹順筋裂縫的柱，如鋼筋截面損失較少，具體加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮塵；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903滲透型鋼筋阻銹劑；再刷WSP建筑防護涂料保護層和YJ一302界面劑各1層；最后分兩層抹1：2水泥砂漿20mm厚。
(3)對縱向鋼筋保護層脫落或出現(xiàn)銹脹順筋裂縫的柱，如鋼筋截面損失較多(5% 以上)，具體加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮塵；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903滲透型鋼筋阻銹劑；再批環(huán)氧樹脂膠找平；最后沿棧橋支架全長采用外包鋼法(濕法)加固。
(4)對僅有箍筋保護層脫落或出現(xiàn)銹脹順箍筋裂縫的柱，如箍筋截面損失在5 以上，具體加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮塵；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903滲透型鋼筋阻銹劑；再批環(huán)氧樹脂膠找平；最后在箍筋損失范圍內(nèi)纏繞橫貼L200碳纖維1層。
(5)對縱向鋼筋保護層脫落或出現(xiàn)銹脹順筋裂縫的梁，如鋼筋截面損失在5 以上，具體加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮塵；然后按0．3～0．5kg／m2 用量刷西卡903滲透型鋼筋阻銹劑；再批環(huán)氧樹脂膠找平；最后沿下弦和受拉腹桿全長縱貼L200碳纖維(按計算)。
(6)對僅有箍筋保護層脫落或出現(xiàn)銹脹順箍筋裂縫的梁，如箍筋截面損失在5 以上，具體加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮塵；然后按0．3～0．5kg／m2用量刷西卡903滲透型鋼筋阻銹劑；再批環(huán)氧樹脂膠找平；最后在箍筋損失范圍內(nèi)環(huán)向貼50mm 寬L200碳纖維1層，間距l(xiāng)OOmm
。
5．2 施工程序及注意事項
施工時必須嚴格按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS25：90)和《碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS：146：2003)的有關(guān)規(guī)定操作。施工程序為面層處理一隱蔽工程驗收(非常重要)一斷面復舊一不平整修正一底漆涂布一碳纖維粘貼一養(yǎng)護一面層保護噴涂(完工后)一竣工驗收。
施工注意事項如下：
(1)溫度。在低溫條件下，底漆及環(huán)氧樹脂粘度會增加，硬化反應較遲緩，會造成硬化反應不良缺陷。冬季氣溫低于5℃ 時，不宜施工。
(2)濕度。水分的存在會阻礙底漆及環(huán)氧樹脂粘著。有漏水時，要先止水和導水，然后方可施工。有可能結(jié)露的時候不可施工。
(3)結(jié)構(gòu)表面不平處或角落部位粘貼強化纖維時容易浮起，因此粘貼前應進行修整。結(jié)構(gòu)表面高差應修整在lmm 以內(nèi)；凸角要做成20mm 以上半徑的圓角；凹角要用樹脂砂漿填補，使其平滑。
(4)底漆及環(huán)氧樹脂的處理。粘度以加溫方式來調(diào)整，不可用有機溶劑等來稀釋。主劑與硬化劑混合后，要嚴格控制有效使用時間；超過使用時間的，不可再使用。
(5)腳手架搭設(shè)和操作時，不得使鋼筋混凝土托架上弦、下弦和腹桿受力。
(6)施工任務必須由具有國家特種專業(yè)工程專業(yè)承包資質(zhì)的企業(yè)承擔。
(7)建筑物加固工程是百年大計，應選用中國工程建設(shè)標準化協(xié)會全國建筑物鑒定與加固委員會推薦的材料或國內(nèi)信譽好的廠家產(chǎn)品，切不可貪圖便宜而選擇價格較低的劣質(zhì)產(chǎn)品。
6 結(jié) 語
淮北選煤廠3號皮帶走廊棧橋鋼筋混凝土構(gòu)件破壞后，采用粘貼碳纖維復合材料的方法進行加固，收到了預期效果。通過實踐，有以下認識：
(1)礦井、選煤廠皮帶走廊棧橋是煤炭生產(chǎn)所需的重要建筑物，設(shè)備多、跨度大，選煤生產(chǎn)中使用的多種藥劑、腐蝕性粉塵伴隨著室內(nèi)外濕度較大的空氣均可對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，造成混凝土碳化程度加深、鋼筋銹蝕。同時振動比較大的設(shè)備也影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，棧橋設(shè)計中應嚴格遵守《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)3．4條的規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別建議選用“二a”，且《規(guī)范》3．4．2條關(guān)于“結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求”應適當提高。此外，設(shè)計中還應注意減小振動設(shè)備對相鄰構(gòu)件的影響，必要時應加強振動設(shè)備周圍構(gòu)件的減振防護措施。
(2)針對廠房乃至廠區(qū)內(nèi)存在對混凝土結(jié)構(gòu)有侵蝕性的氣體和酸性粉塵的情況，應加強混凝土構(gòu)件防護。建筑物的梁、板、柱構(gòu)件應刷建筑防護涂料(如WSP)來封閉混凝土表面細小裂縫，減慢混凝土碳化速度。建筑物外應避免用易空鼓或積塵積水的材料(如貼面磚、水刷石等)裝飾裝潢，最好用防水外墻涂料施涂。
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