การปรับปรุงสะพาน

ปัจจุบัน สะพานที่มีอยู่หลายแห่งในประเทศจีนไม่สามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานได้ด้วยเหตุผลหลายประการ จึงจำเป็นต้องเสริมความแข็งแกร่ง การบำรุงรักษา ซ่อมแซม และเสริมแรงโครงสร้างและสิ่งอำนวยความสะดวกคอนกรีตกลายเป็นเรื่องเร่งด่วน วัสดุแบบดั้งเดิมมักถูกนำมาใช้เพื่อเสริมแรงที่มีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ ใช้เครื่องจักรกลระดับสูง และมักพบปัญหาความทนทานต่ำ เรซินชนิดพิเศษและผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับพื้นผิวคอนกรีตตามข้อกำหนดการออกแบบ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเสริมแรงของโครงสร้าง คุณสมบัติเชิงกลของคาน ท่อระบายน้ำ และคานอื่นๆ ก่อนและหลังการเสริมแรงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ จากการศึกษาทดลอง พบว่าคุณสมบัติการดัดของคาน แผ่นพื้น และท่อระบายน้ำที่เคลือบด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียวสามารถปรับปรุงได้ 5-8% เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการเสริมแรงอื่นๆ เช่น การยึดเหล็กและคอนกรีตพ่น เทคนิคนี้มีคุณสมบัติคือน้ำหนักตายตัวต่ำ การก่อสร้างเรียบง่าย ระยะเวลาก่อสร้างสั้น และมีความทนทานสูง เนื่องด้วยข้อได้เปรียบของความแข็งแรงสูง ประสิทธิภาพสูง ทนต่อการกัดกร่อน และน้ำหนักเบา ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการเสริมความแข็งแรงโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก

1 ภาพรวมโครงการ

ทางด่วนช่วงจากหนานชางถึงจิ่วเจียง (ช่วง) เป็นเส้นทางหลักในมณฑลเจียงซี มีความยาวรวม 133 กิโลเมตร การก่อสร้างได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงมากมาย เช่น การปรับปรุงทางหลวงสายรอง การขยายทางหลวงพิเศษสำหรับรถยนต์ และอื่นๆ หลังจากใช้งานมานานกว่าสิบปี ผิวทางได้ปรากฏให้เห็นถึงความเสียหายที่ร้ายแรงและหลากหลายมากขึ้น ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัย ด้วยเหตุนี้ เจ้าของจึงตัดสินใจดำเนินการปรับปรุงทางเทคนิคครั้งใหญ่ของทางด่วนฉางเก้า สาระสำคัญของการปรับปรุงทางเทคนิคนี้คือการเพิ่มความหนาของชั้นโครงสร้างผิวทางขึ้นอีก 16-25 เซนติเมตร โดยอาศัยการเสริมความแข็งแรงของชั้นโครงสร้างผิวทางเดิม ในขณะเดียวกัน ทางลาดยางเดี่ยวสองด้านที่มีอยู่ในบางช่วงก็ถูกเปลี่ยนเป็นลาดยางด้านเดียว เพื่อแก้ปัญหาพื้นฐานด้านอันตรายจากการระบายน้ำขวางของทางหลวงฉางจิ่ว เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์การเปลี่ยนแปลงทางเทคนิคที่กล่าวข้างต้น โครงสร้างสะพานและท่อระบายน้ำทั้งหมดตามแนวเส้นทางจะต้องได้รับการบำบัดและปฏิรูปตามข้อกำหนดข้างต้น และควรกำจัดโรคที่มีอยู่ของโครงสร้างต่างๆ พร้อมกัน

มีสะพานและท่อระบายน้ำรวมทั้งสิ้น 849 แห่ง ตามแนวทางด่วนฉางจิ่ว ซึ่งรวมถึงสะพานหลัก 79 แห่ง และสะพานสาขา 26 แห่ง โครงสร้างส่วนบนประกอบด้วยแผ่นพื้นกลวงรับน้ำหนักแบบดึงล่วงหน้าขนาด 13 เมตร 16 เมตร และ 20 เมตร แผ่นพื้นกลวงรับน้ำหนักแบบคอนกรีตเสริมเหล็กธรรมดาขนาด 8 เมตร และ 10 เมตร คานกล่องต่อเนื่อง และสะพานคานประกอบรูปตัว I จำนวนเล็กน้อย มีท่อระบายน้ำแบบท่อกลม 303 แห่ง ท่อระบายน้ำโค้ง 441 แห่ง และทางเดินพร้อมแผ่นปิด ก่อด้วยอิฐกล่องและปูน ในจำนวนนี้ มีท่อระบายน้ำแบบเปิดและท่อระบายน้ำแบบมีหลังคาเกือบ 200 แห่ง ที่มีวัสดุอุดเติมเล็กน้อยที่ด้านบน จากการตรวจสอบไม่พบข้อบกพร่องทางโครงสร้างที่เห็นได้ชัด และความสามารถในการรับน้ำหนักโดยรวมของโครงสร้างทั้งหมดยังคงดีอยู่ มีเพียงบางส่วนเท่านั้น เช่น พื้นสะพานที่ต่อเนื่องกัน พื้นผิวพื้นสะพาน แบริ่งยาง และจุดอ่อนอื่นๆ ที่พบความเสียหายมากขึ้น ดังนั้น นอกจากการกำจัดโรคภัยไข้เจ็บที่มีอยู่แล้วทุกประเภทแล้ว การฟื้นฟูครั้งนี้ยังเน้นการเสริมกำลังและเสริมความแข็งแรงให้กับสะพานสายหลัก สะพานลอย ท่อระบายน้ำ แผ่นหลังคา และท่อระบายน้ำ โดยเติมวัสดุถมเล็กน้อย ซึ่งได้รับผลกระทบอย่างมากจากการปรับปรุงพื้นผิวถนน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายในการสร้างความปลอดภัยในการจราจร

2 คุณสมบัติของวัสดุ

ปัจจุบัน สถานะทางเทคนิคของการเสริมแรงโครงสร้าง การก่อสร้างใหม่ และการซ่อมแซมโดยทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็นวิธีการเสริมความหนาคอนกรีตเสริมเหล็ก วิธีการเพิ่มปริมาตรก่อนการเติม วิธีการเสริมแผ่นเหล็ก วิธีการแยกส่วน และวิธีการดูดซับแรงแผ่นดินไหว วิธีการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ต่ำ ความแข็งแรงต่อความล้าสูง ความทนทานสูง ความต้านทานการสึกหรอ การก่อสร้างที่สะดวก ต้นทุนต่ำ และไม่ได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดของสภาพการก่อสร้าง โดยพื้นฐานแล้วไม่ส่งผลกระทบต่อรูปร่างของโครงสร้างเดิม ผลการทดสอบคานคอนกรีตเสริมแรงด้วย FRP พบว่าความแข็งแรงดัดเพิ่มขึ้น 17%-99% และความแข็งแรงดัดเพิ่มขึ้น 28%-97% ภายใต้แรงกดปกติ ในการทดสอบการเสริมแรงเฉือน ความสามารถในการดัดของชิ้นส่วนที่เสริมแรงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ประมาณ 65%-95% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านแผ่นดินไหวสำหรับการดัดที่แข็งแรงและแรงเฉือนที่อ่อน

3 สมมติฐานพื้นฐานของการออกแบบการเสริมแรง

(1) บทบาทของคอนกรีตในพื้นที่รับแรงดึงนั้นแทบไม่มีนัยสำคัญ

(2) เมื่อคานถูกดัด ความเครียดของคอนกรีต เหล็กเส้น และเส้นใยคาร์บอนจะสอดคล้องกับสมมติฐานของหน้าตัดระนาบ

(3) ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์มีความยืดหยุ่นเชิงเส้น: σcf=Ecf×εcf และεcf<0.01

(4) ก่อนที่จะถึงสถานะความสามารถในการดัดสูงสุด จะไม่มีการหลุดลอกพันธะระหว่าง CFRP และคอนกรีต

4. โครงสร้างเสริมคาร์บอนไฟเบอร์

4.1 การกำหนดค่ากาว

(1) วัตถุดิบจะถูกชั่งน้ำหนักอย่างแม่นยำตามอัตราส่วนการผสมที่แตกต่างกัน และจัดสรรไพรเมอร์ สารยึดเกาะ และสารยึดเกาะตามลำดับ เติมสารเจือจางลงในวัสดุพอลิเมอร์หลักและคนให้เข้ากัน จากนั้นเติมสารตัวเติม คนต่อจนส่วนผสมเข้ากันดี และเติมสารบ่ม ซึ่งสามารถใช้งานได้หลังจากคนจนทั่วแล้ว

(2) เมื่อผสมสารยึดเกาะ ควรคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้: 1-2 กิโลกรัมสำหรับแต่ละไพรเมอร์, 0.5-1 กิโลกรัมสำหรับแต่ละสารยึดเกาะ และ 1-2 กิโลกรัมสำหรับแต่ละสารยึดเกาะ

(3) ส่วนผสมทั้งหมดต้องผสมเสร็จภายใน 1 ชั่วโมง

4.2 การประมวลผลพื้นผิว

(1) ควรขจัดความเสื่อมสภาพของพื้นผิวคอนกรีต เช่น การแตกร้าว การสึกกร่อน รอยรังผึ้ง และการกัดกร่อน รอยแตกที่มีความกว้างน้อยกว่า 0.2 มม. ควรเคลือบด้วยเรซินอีพอกซีและปิดผนึก รอยแตกที่มีขนาดใหญ่กว่า 0.2 มม. ควรยาแนวด้วยเรซินอีพอกซี

(2) เครื่องเจียรคอนกรีต กระดาษทราย และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อขจัดคราบคอนกรีต จาระบี และสิ่งสกปรกอื่นๆ บนพื้นผิว ขัดฐานของส่วนประกอบคอนกรีตให้เรียบ โดยเฉพาะพื้นผิวของส่วนนูนให้เรียบ ขัดมุมและขัดมุมให้โค้งเป็นรูปวงกลม (R < 30 มม.)

(3) เครื่องเป่าลมจะทำความสะอาดพื้นผิวคอนกรีตและรักษาให้แห้ง

4.3 อันดับแรก

(1) กาวพื้นฐานจะถูกจัดสรรตามอัตราส่วนของสารหลัก: สารบ่ม = 3:1 นำสารหลักและสารบ่มใส่ภาชนะ ตวงด้วยเครื่องชั่งสปริง และคนให้เข้ากันอย่างสม่ำเสมอด้วยเครื่องกวน คำนวณปริมาณการใช้และควบคุมระยะเวลาการใช้งานให้เป็นไปตามอุณหภูมิจริงของพื้นที่ใช้งาน โดยทั่วไปจะใช้กาวประมาณ 60 นาที

(2) ทากาวให้ทั่วพื้นผิวคอนกรีตด้วยแปรงลูกกลิ้งหรือแปรง ความหนาไม่เกิน 0.4 มม. เพื่อไม่ให้มีแปรงรั่วซึมหรือฟองอากาศไหลออกมา ระยะเวลาบ่มประมาณ 3-24 ชั่วโมง

4.4 การปรับระดับ 

(1) ควรใช้อีพ็อกซีพัตตี้ซ่อมแซมเพื่ออุดส่วนที่เว้าของพื้นผิวคอนกรีต และใช้สารอุดรอยต่อเพื่ออุดส่วนที่ความสูงต่ำ เช่น รอยต่อแม่แบบ เพื่อลดความแตกต่างของความสูงให้น้อยที่สุด

(2) ใช้มุมของมุมเพื่อซ่อมแซมส่วนโค้งที่เรียบ มีรัศมีไม่น้อยกว่า 30 มม. เมื่อสัมผัสพื้นผิวของสารอุดรอยต่อและแห้งแล้ว ขั้นตอนต่อไปก็สามารถทำได้

4.5 การยึดติดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์

(1) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นผิวกาวแห้ง อุณหภูมิต่ำกว่า 5 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์ RH สูงกว่า 85% หากไม่ปฏิบัติตามวิธีที่ถูกต้อง จะไม่สามารถผลิตผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ได้

(2) ผสมวัสดุกาว (ใช้วิธีเดียวกับกาวฐาน) แล้วทาให้ทั่วบริเวณที่ต้องการติด แล้วทาทับบริเวณรอยต่อ มุมคอนกรีต และส่วนอื่นๆ ความหนาของแปรงจะหนากว่ากาวฐานเล็กน้อย ห้ามมิให้เกิดการรั่วซึมและรอยต่อ และควรใส่ใจเป็นพิเศษกับการติดขอบคาร์บอนไฟเบอร์

(3) หลังจากติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แล้ว จะใช้เครื่องมือพิเศษกลิ้งไปตามทิศทางของเส้นใยซ้ำๆ เพื่อกำจัดฟองอากาศและทำให้กาวซึมผ่านผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ได้อย่างทั่วถึง และใช้เกรียงขูดพื้นผิวของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ให้เรียบเสมอกัน การวางผ้าหลายชั้นควรทำซ้ำขั้นตอนข้างต้น และสามารถวางผ้าชั้นถัดไปได้จนกว่าผ้าคาร์บอนไฟเบอร์จะแห้ง

(4) ทากาวติดให้ทั่วพื้นผิวของชั้นสุดท้ายของ CFRP กลิ้งไปตามทิศทางของเส้นใยซ้ำๆ ด้วยเครื่องมือ และขูดพื้นผิวของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ให้เรียบเสมอกัน

(5) ความยาวทับซ้อนของ CFRP ตามทิศทางของเส้นใยไม่ควรน้อยกว่า 10 ซม. ควรเคลือบเรซินบนส่วนนี้ และควรดำเนินการเคลือบป้องกันฟองและเรซินตามปกติ

5 มาตรการการประกันคุณภาพ

(1) การควบคุมวัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์

ความสม่ำเสมอของวัสดุ: เส้นใยคาร์บอนจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอเท่านั้น เมื่อผ่านกระบวนการขึ้นรูปเป็นแผ่น จะสามารถให้แรงโดยรวมที่สม่ำเสมอ

ปริมาณเรซินที่ชุบไว้ล่วงหน้าในแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์: เรซินที่ชุบไว้ล่วงหน้ามีบทบาทในการยึดเกาะซึ่งกันและกันของเส้นใย ทำให้เกิดแรงยึดเกาะร่วมกันของเส้นใยทั้งหมด แต่ปริมาณเรซินที่มากเกินไป ชุบไว้หนาเกินไป แต่ไม่เอื้อต่อการซ่อมแซมและเสริมแรง เนื่องจากโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก CFRP อาศัยเรซินอีพอกซีที่เคลือบด้านบนและด้านล่างของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อให้การแทรกซึมซ้ำๆ เสร็จสมบูรณ์ หากปริมาณเรซินที่ชุบไว้ล่วงหน้าในแผ่นเส้นใยมากเกินไป ประสิทธิภาพของเรซินที่แทรกซึมจะลดลงเมื่อนำแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มาติด ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการก่อสร้าง

เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์สามารถปรากฏเป็นเส้นได้ง่ายมากเนื่องจากมีเส้นใยละเอียดและมีขนาดเพียง 7 ไมโครเมตร ดังนั้น การลดการแตกหักของเส้นใยให้เหลือน้อยที่สุดและเพื่อให้มั่นใจถึงความต่อเนื่องและความสมบูรณ์ของแผ่นเส้นใยจึงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลการเสริมแรงขั้นสุดท้าย

(2) ควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในสถานที่ก่อสร้างอย่างเคร่งครัด อุณหภูมิในการก่อสร้างอยู่ระหว่าง 5-35 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน 85%

(3) โครงการยึดติดคาร์บอนไฟเบอร์: ความยาวหน้าตัดของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ตามแนวเส้นใยไม่ควรน้อยกว่า 100 มม. ควรติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง หากไม่สามารถกำจัดสิ่งกีดขวางได้และจำเป็นต้องตัดทอน ในส่วนที่ถูกตัดทอนควรได้รับการดูแลอย่างเหมาะสม และควรกำหนดมาตรการเฉพาะตามสถานการณ์ที่แตกต่างกัน

(4) การประเมินคุณภาพการยึดเกาะหลังการก่อสร้างส่วนใหญ่มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินคุณภาพการยึดเกาะระหว่างแผ่น CFRP และคอนกรีต โดยพิจารณาจากเสียงสะท้อนของพื้นผิว CFRP ที่ถูกเคาะเบาๆ ด้วยค้อนและเครื่องมืออื่นๆ หากปัญหาการยึดเกาะไม่หนาแน่น ควรใช้วิธีฉีดกาวแบบเข็มเพื่อแก้ไขปัญหา หากพื้นที่ยึดเกาะน้อยกว่า 90% ถือว่าการยึดเกาะไม่สมบูรณ์และต้องสร้างใหม่

6 บทสรุป

ข้อดีของการเสริมความแข็งแรงโครงสร้างคอนกรีตด้วย CFRP นั้นชัดเจนมาก และมีแนวโน้มการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในสะพานทางหลวงและการเสริมความแข็งแรงท่อระบายน้ำ