碳纖維復(fù)合材料在鋼筋混凝土棧橋結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用
2006-04-26 00:00
摘 要：淮北礦業(yè)集團(tuán)淮北選煤廠皮帶運(yùn)輸機(jī)棧橋因原設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)、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(yán)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(fù)合材料的方法進(jìn)行加固，收到了預(yù)期效果。重點(diǎn)介紹了混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料加固施工技術(shù)措施、施工程序及注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；混凝土碳化；棧橋；加固
中圖分類號(hào)：TD223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002—6029(2005)03—4-0019-04
1 工程概況
淮北礦業(yè)集團(tuán)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(hào)皮帶走廊棧橋鋼筋混凝土托架跨度達(dá)36m，鋼筋混凝土棧橋支架高達(dá)28m。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程要求均較低(設(shè)計(jì)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(hù)層大面積剝落，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)，必須進(jìn)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(hù)層大面積剝落，主筋和箍筋外露，銹蝕嚴(yán)重。有的主筋銹蝕量達(dá)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(bào)告，該皮帶走廊棧橋結(jié)構(gòu)混凝土平均碳化深度達(dá)到40～60mm，均超過鋼筋保護(hù)層厚度(25mm)，鋼筋保護(hù)層已失去對鋼筋的保護(hù)作用。
2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞原因分析
(1)棧橋設(shè)計(jì)時(shí)間為1969—1971年，當(dāng)時(shí)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程各項(xiàng)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(diǎn)來看，主要表現(xiàn)在對混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋保護(hù)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(hù)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(yán)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(shí)產(chǎn)生大量酸性廢氣。此外，選煤廠自身生產(chǎn)時(shí)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(yán)重影響。
(4)選煤生產(chǎn)和鐵路列車通過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)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?yàn)樵谄ё呃葪驒z查、檢測中發(fā)現(xiàn)，該皮帶走廊棧橋原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋保護(hù)層厚度基本達(dá)到現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dá)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(fēng)險(xiǎn)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(wù)年限，因此決定采用該項(xiàng)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(yīng)用了多年，《碳纖維片材加固修復(fù)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(dá)到對建筑物加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料力學(xué)性能優(yōu)良，其抗拉強(qiáng)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(shí)，一部分應(yīng)力較高的碳纖維絲便會(huì)首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)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(huì)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(qiáng)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(shí)又要確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作。只有這樣，才能達(dá)到加固目的。
4 碳纖維復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)的功能和特點(diǎn)
用碳纖維復(fù)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(shí)，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(dāng)梁或板產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，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(shí)又對結(jié)構(gòu)起到防護(hù)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(kuò)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(shí)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(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(yīng)力方向定制。單向碳纖維布縱(經(jīng))向鋪設(shè)，有利于設(shè)計(jì)人員根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況，將碳纖維布粘貼到受力補(bǔ)強(qiáng)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(shí)無松散、變形之憂，可保證每根纖維都不會(huì)受損，充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)靈活掌握。同時(shí)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(shí)不會(huì)有一根纖維會(huì)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(jī)械，施工空間小，粘合率可達(dá)100% ，施工簡便，施工質(zhì)量容易保證；同時(shí)施工進(jìn)度也快，比粘鋼補(bǔ)強(qiáng)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(yīng)用已產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該項(xiàng)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(gè)部位加固修補(bǔ)，只要基層混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(yīng)的加固措施：
(1)對未出現(xiàn)鋼筋外露或鋼筋保護(hù)層銹脹裂縫的梁柱，以保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)涂料保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jì)算)。
(6)對僅有箍筋保護(hù)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(xiàng)
施工時(shí)必須嚴(yán)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(fù)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?yàn)槊鎸犹幚硪浑[蔽工程驗(yàn)收(非常重要)一斷面復(fù)舊一不平整修正一底漆涂布一碳纖維粘貼一養(yǎng)護(hù)一面層保護(hù)噴涂(完工后)一竣工驗(yàn)收。
施工注意事項(xiàng)如下：
(1)溫度。在低溫條件下，底漆及環(huán)氧樹脂粘度會(huì)增加，硬化反應(yīng)較遲緩，會(huì)造成硬化反應(yīng)不良缺陷。冬季氣溫低于5℃ 時(shí)，不宜施工。
(2)濕度。水分的存在會(huì)阻礙底漆及環(huán)氧樹脂粘著。有漏水時(shí)，要先止水和導(dǎo)水，然后方可施工。有可能結(jié)露的時(shí)候不可施工。
(3)結(jié)構(gòu)表面不平處或角落部位粘貼強(qiáng)化纖維時(shí)容易浮起，因此粘貼前應(yīng)進(jìn)行修整。結(jié)構(gòu)表面高差應(yīng)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(bǔ)，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(jī)溶劑等來稀釋。主劑與硬化劑混合后，要嚴(yán)格控制有效使用時(shí)間；超過使用時(shí)間的，不可再使用。
(5)腳手架搭設(shè)和操作時(shí)，不得使鋼筋混凝土托架上弦、下弦和腹桿受力。
(6)施工任務(wù)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(dān)。
(7)建筑物加固工程是百年大計(jì)，應(yīng)選用中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)全國建筑物鑒定與加固委員會(huì)推薦的材料或國內(nèi)信譽(yù)好的廠家產(chǎn)品，切不可貪圖便宜而選擇價(jià)格較低的劣質(zhì)產(chǎn)品。
6 結(jié) 語
淮北選煤廠3號(hào)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(fù)合材料的方法進(jìn)行加固，收到了預(yù)期效果。通過實(shí)踐，有以下認(rèn)識(shí)：
(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(shí)振動(dòng)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(jì)中應(yīng)嚴(yán)格遵守《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)適當(dāng)提高。此外，設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意減小振動(dòng)設(shè)備對相鄰構(gòu)件的影響，必要時(shí)應(yīng)加強(qiáng)振動(dòng)設(shè)備周圍構(gòu)件的減振防護(hù)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(yīng)加強(qiáng)混凝土構(gòu)件防護(hù)。建筑物的梁、板、柱構(gòu)件應(yīng)刷建筑防護(hù)涂料(如WSP)來封閉混凝土表面細(xì)小裂縫，減慢混凝土碳化速度。建筑物外應(yīng)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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