碳纤维复合材料在钢筋混凝土栈桥结构加固工程中的应用

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摘 要：淮北矿业集团淮北选煤厂皮带运输机栈桥因原设计采用的标准、规程、规范要求均较低、,施工质量存在缺陷及受环境污染等因素影响，使用30多年后，出现了严重的破坏现象，威胁安全生产。经方案比选，采用粘贴碳纤维复合材料的方法进行加固，收到了预期效果。重点介绍了混凝土结构碳纤维复合材料加固施工技术措施、施工程序及注意事项。
关键词：碳纤维复合材料；混凝土碳化；栈桥；加固中图分类号：TD223 文献标识码：B 文章编号：1002—6029(2005)03—4-0019-041 工程概况 淮北矿业集团淮北选煤厂3条皮带走廊栈桥始建于1971年，至今已有34年历史。其中3号皮带走廊栈桥钢筋混凝土托架跨度达36m，钢筋混凝土栈桥支架高达28m。由于当时设计采用的标准、规范、规程要求均较低(设计使用年限30年)，现栈桥外露的钢筋混凝土构件已发生了破坏，钢筋保护层大面积剥落，严重威胁安全生产，必须进行加固。
根据现场勘查和检测，钢筋混凝土栈桥结构破坏情况如下：
(1)钢筋混凝土托架上弦、下弦、腹杆及栈桥支架钢筋保护层大面积剥落，主筋和箍筋外露，锈蚀严重。有的主筋锈蚀量达到50 以上，部分区域箍筋基本锈蚀殆尽(见附图)。 (2)根据安徽省建筑工程质量监督检测站检测报告，该皮带走廊栈桥结构混凝土平均碳化深度达到40～60mm，均超过钢筋保护层厚度(25mm)，钢筋保护层已失去对钢筋的保护作用。2 钢筋混凝土结构破坏原因分析 (1)栈桥设计时间为1969—1971年，当时有关标准、规范、规程各项要求均较低，没有对混凝土耐久性提出明确要求。按现在的观点来看，主要表现在对混凝土强度等级、钢筋保护层厚度、使用环境类别等考虑不周。
(2)皮带走廊栈桥施工质量存在缺陷。检查中发现，栈桥部分钢筋混凝土构件钢筋保护层厚度不足，构件表面不平整，而且有多处蜂窝和露筋等现象。
(3)栈桥使用环境遭受严重污染，空气中存在对混凝土质量有影响的气体和粉尘(选煤厂东北2km处有1座焦化厂，炼焦生产时产生大量酸性废气。此外，选煤厂自身生产时也产生粉尘和废气)；再加上雨、雪和煤泥水的侵蚀，对混凝土耐久性有严重影响。
(4)选煤生产和铁路列车通过时产生的振动对混凝土耐久性产生了不利影响。
以上4条原因中，前2条是历史问题，无疑是引起栈桥混凝土结构破坏的重要因素。但后2条原因也是不可忽视的。因为在皮带走廊栈桥检查、检测中发现，该皮带走廊栈桥原设计混凝土强度等级和钢筋保护层厚度基本达到现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)3．4条关于混凝土耐久性规定中“环境类别二a”的要求，但混凝土碳化层深度仍达到40~60mm，仍有大量钢筋锈蚀。3 加固方案选择 由于皮带走廊栈桥是该选煤厂的生命线，加固工程必须在不停产的情况下施工。托换施工方案投资大、难度大、安全风险大，不宜采用。粘贴碳纤维结构加固技术比较成熟，能解决上述结构加固问题，有效延长皮带走廊栈桥服务年限，因此决定采用该项加固技术。
粘贴碳纤维结构加固技术自1997年在我国推广后已应用了多年，《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS：146：2003)已于2003—05—01起施行。
粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的承载能力(抗弯、抗剪)，从而达到对建筑物加固、补强的目的。用于建筑结构加固的碳纤维材料力学性能优良，其抗拉强度一般为建筑用钢材的10几倍。但是，碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低荷载时，一部分应力较高的碳纤维丝便会首先达到其抗拉强度极限并退出工作状态；依此类推，随着荷载的逐渐增高，各碳纤维丝会逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝便能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度。碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又要确保碳纤维布与结构共同工作。只有这样，才能达到加固目的。4 碳纤维复合材料加固结构的功能和特点 用碳纤维复合材料加固混凝土结构，可以起到以下作用：
(1)提高结构抗剪切能力。碳纤维包覆结构柱(方柱和圆柱等)或墩(桥墩和闸墩等)，由于碳纤维的横向约束作用改变了柱或墩的受力状态，可提高其抗剪切能力和轴压承载力，尤其是在发生地震时，能有效地防止柱或墩产生脆裂性破坏。
(2)提高结构抗弯曲能力。一般碳纤维布粘贴在梁或板的底部后，当梁或板产生弯曲变形时，碳纤维布与梁或板内的钢筋联合受力，共同工作，可有效地提高梁或板抵抗弯曲变形的能力。
(3)延长结构使用寿命。由于用碳纤维布包覆混凝土结构提高了结构的延性和承载能力，同时又对结构起到防护作用，因此可延长结构的使用年限。
(4)推迟裂缝出现，抑制裂缝继续扩展。混凝土结构被碳纤维布包覆后，抗裂能力有了很大提高，因此可推迟裂缝出现时间。对结构已产生的裂缝，可有效地抑制其继续发展。 碳纤维复合材料加固结构的特点如下：
(1)纤维布有单向、双向、任意方向和双向45。交叉布料，也可以根据主应力方向定制。单向碳纤维布纵(经)向铺设，有利于设计人员根据结构具体情况，将碳纤维布粘贴到受力补强最佳的部位。
(2)碳纤维布横(纬)向有尼龙线结连接，使纤维布在裁剪或粘贴时无松散、变形之忧，可保证每根纤维都不会受损，充分发挥纤维的强度。
(3)节约材料，降低成本。碳纤维布规格有很多种，便于结构补强设计时灵活掌握。同时碳纤维布也可以根据结构加固需要，很容易地裁剪成任意宽度和长度；且裁剪时不会有一根纤维会散落，纬向损耗为0。
(4)碳纤维重量轻，一般采用手工作业，不需要大型机械，施工空间小，粘合率可达100% ，施工简便，施工质量容易保证；同时施工进度也快，比粘钢补强加固工作效率提高4～5倍。
粘贴碳纤维结构加固技术在混凝土结构加固中应用已产生显著的经济效益和社会效益。该项技术适用于各种类型结构(梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构)和结构的各个部位加固修补，只要基层混凝土强度等级不低于C15即可。5 加固施工方法5．1 加固措施 针对不同混凝土结构构件和不同的破坏情况，采取相应的加固措施：
(1)对未出现钢筋外露或钢筋保护层锈胀裂缝的梁柱，以保护为主，阻止裂缝出现和钢筋锈蚀，延长构件使用寿命。具体加固措施是：托架上弦、下弦、腹杆及栈桥支架表面打磨清理后，刷WSP建筑防护涂料；柱根500mm段易接触水的部分增刷界面剂后，分两层抹1：2水泥砂浆20mm厚。
(2)对钢筋保护层脱落或出现锈胀顺筋裂缝的柱，如钢筋截面损失较少，具体加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮尘；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903渗透型钢筋阻锈剂；再刷WSP建筑防护涂料保护层和YJ一302界面剂各1层；最后分两层抹1：2水泥砂浆20mm厚。
(3)对纵向钢筋保护层脱落或出现锈胀顺筋裂缝的柱，如钢筋截面损失较多(5% 以上)，具体加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮尘；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903渗透型钢筋阻锈剂；再批环氧树脂胶找平；最后沿栈桥支架全长采用外包钢法(湿法)加固。
(4)对仅有箍筋保护层脱落或出现锈胀顺箍筋裂缝的柱，如箍筋截面损失在5 以上，具体加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮尘；然后按0．3～O．5kg／m2 用量刷西卡903渗透型钢筋阻锈剂；再批环氧树脂胶找平；最后在箍筋损失范围内缠绕横贴L200碳纤维1层。
(5)对纵向钢筋保护层脱落或出现锈胀顺筋裂缝的梁，如钢筋截面损失在5 以上，具体加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮尘；然后按0．3～0．5kg／m2 用量刷西卡903渗透型钢筋阻锈剂；再批环氧树脂胶找平；最后沿下弦和受拉腹杆全长纵贴L200碳纤维(按计算)。
(6)对仅有箍筋保护层脱落或出现锈胀顺箍筋裂缝的梁，如箍筋截面损失在5 以上，具体加固措施是：先剔除空鼓混凝土，清除浮尘；然后按0．3～0．5kg／m2用量刷西卡903渗透型钢筋阻锈剂；再批环氧树脂胶找平；最后在箍筋损失范围内环向贴50mm 宽L200碳纤维1层，间距lOOmm。5．2 施工程序及注意事项 施工时必须严格按照《混凝土结构加固技术规范》(CECS25：90)和《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS：146：2003)的有关规定操作。施工程序为面层处理一隐蔽工程验收(非常重要)一断面复旧一不平整修正一底漆涂布一碳纤维粘贴一养护一面层保护喷涂(完工后)一竣工验收。
施工注意事项如下：
(1)温度。在低温条件下，底漆及环氧树脂粘度会增加，硬化反应较迟缓，会造成硬化反应不良缺陷。冬季气温低于5℃ 时，不宜施工。
(2)湿度。水分的存在会阻碍底漆及环氧树脂粘着。有漏水时，要先止水和导水，然后方可施工。有可能结露的时候不可施工。
(3)结构表面不平处或角落部位粘贴强化纤维时容易浮起，因此粘贴前应进行修整。结构表面高差应修整在lmm 以内；凸角要做成20mm 以上半径的圆角；凹角要用树脂砂浆填补，使其平滑。
(4)底漆及环氧树脂的处理。粘度以加温方式来调整，不可用有机溶剂等来稀释。主剂与硬化剂混合后，要严格控制有效使用时间；超过使用时间的，不可再使用。
(5)脚手架搭设和操作时，不得使钢筋混凝土托架上弦、下弦和腹杆受力。
(6)施工任务必须由具有国家特种专业工程专业承包资质的企业承担。
(7)建筑物加固工程是百年大计，应选用中国工程建设标准化协会全国建筑物鉴定与加固委员会推荐的材料或国内信誉好的厂家产品，切不可贪图便宜而选择价格较低的劣质产品。6 结 语 淮北选煤厂3号皮带走廊栈桥钢筋混凝土构件破坏后，采用粘贴碳纤维复合材料的方法进行加固，收到了预期效果。通过实践，有以下认识：
(1)矿井、选煤厂皮带走廊栈桥是煤炭生产所需的重要建筑物，设备多、跨度大，选煤生产中使用的多种药剂、腐蚀性粉尘伴随着室内外湿度较大的空气均可对混凝土结构产生不利影响，造成混凝土碳化程度加深、钢筋锈蚀。同时振动比较大的设备也影响混凝土结构的耐久性。因此，栈桥设计中应严格遵守《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)3．4条的规定，混凝土结构的环境类别建议选用“二a”，且《规范》3．4．2条关于“结构混凝土耐久性的基本要求”应适当提高。此外，设计中还应注意减小振动设备对相邻构件的影响，必要时应加强振动设备周围构件的减振防护措施。
(2)针对厂房乃至厂区内存在对混凝土结构有侵蚀性的气体和酸性粉尘的情况，应加强混凝土构件防护。建筑物的梁、板、柱构件应刷建筑防护涂料(如WSP)来封闭混凝土表面细小裂缝，减慢混凝土碳化速度。建筑物外应避免用易空鼓或积尘积水的材料(如贴面砖、水刷石等)装饰装潢，最好用防水外墙涂料施涂。

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