Cải tạo cầu

Hiện nay, nhiều cầu hiện có ở Trung Quốc không đáp ứng được yêu cầu sử dụng vì nhiều lý do khác nhau và cần được gia cố. Việc bảo trì, sửa chữa và gia cố các kết cấu và công trình bê tông đã trở thành một vấn đề cấp bách. Các vật liệu gia cố truyền thống thường được sử dụng để gia cố với hiệu quả tương đối thấp, mức độ cơ giới hóa cao, và thường xuất hiện sau khi độ bền kém. Nhựa đặc biệt và vải sợi carbon được phủ lên bề mặt bê tông theo yêu cầu thiết kế, nhằm đạt được hiệu quả gia cố cho kết cấu. Các tính chất cơ học của dầm, cống và các loại dầm khác trước và sau khi gia cố đã được cải thiện đáng kể. Theo nghiên cứu thực nghiệm, tính chất uốn của dầm, bản sàn và cống khi được gia cố bằng một lớp vải sợi carbon đơn hướng có thể được cải thiện từ 5-8%. So với các kỹ thuật gia cố khác như thép liên kết và bê tông phun, kỹ thuật này có đặc điểm là trọng lượng riêng nhỏ, thi công đơn giản, thời gian thi công ngắn và độ bền tốt. Nhờ những ưu điểm về cường độ cao, hiệu quả cao, khả năng chống ăn mòn và trọng lượng riêng nhẹ, vải sợi carbon đã được sử dụng rộng rãi để gia cố các kết cấu bê tông cốt thép.

1 Tổng quan dự án

Tuyến đường cao tốc từ Nam Xương đến Cửu Giang (đoạn) là tuyến đường trục chính của tỉnh Giang Tây, với tổng chiều dài 133 km. Quá trình xây dựng đã trải qua nhiều thay đổi, chẳng hạn như cải tạo đường cao tốc thứ cấp, mở rộng đường cao tốc chuyên dụng cho ô tô, v.v. Sau hơn mười năm vận hành và sử dụng, mặt đường đã xuất hiện hiện tượng hư hỏng muộn nghiêm trọng và đa dạng hơn, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Trước tình hình này, chủ đầu tư đã quyết định tiến hành cải tạo kỹ thuật toàn diện quy mô lớn đường cao tốc Trường Cửu. Nội dung chính của việc cải tạo kỹ thuật này là tăng độ dày lớp kết cấu mặt đường thêm 16-25 cm trên cơ sở gia cố lớp kết cấu mặt đường hiện có. Đồng thời, mái dốc hai bên mặt đường đơn hiện có ở một số đoạn được chuyển đổi thành mái dốc một bên, nhằm giải quyết cơ bản nguy cơ tiềm ẩn về thoát nước ngang của đường cao tốc Trường Cửu. Để đạt được mục đích cải tạo kỹ thuật nêu trên, tất cả các kết cấu cầu và cống dọc theo tuyến đường cần được xử lý và cải tạo theo các yêu cầu nêu trên, đồng thời loại bỏ các vấn đề hiện có của các kết cấu khác nhau.

Tổng cộng có 849 cầu và cống dọc theo đường cao tốc Chang-Jiu, bao gồm 79 cầu chính và 26 cầu nhánh. Phần kết cấu thượng tầng chủ yếu bao gồm các bản rỗng đơn giản được gia cố trước dài 13m, 16m và 20m. Có một số ít bản rỗng đơn giản được gia cố bằng bê tông cốt thép thông thường dài 8m và 10m, dầm hộp liên tục và cầu dầm composite hình chữ I. Có 303 cống ống tròn, 441 cống vòm và các lối đi có tấm che, khối xây hộp và vữa. Trong số đó, có gần 200 cống hở và cống có mái che với một lượng nhỏ vật liệu lấp ở phía trên. Qua điều tra, không tìm thấy khuyết tật kết cấu rõ ràng nào trong kết cấu và khả năng chịu lực tổng thể của tất cả các kết cấu vẫn tốt, chỉ ở một số bộ phận cụ thể như mặt cầu liên tục, mặt đường mặt cầu, gối cao su và các vị trí yếu khác xuất hiện nhiều hư hỏng hơn. Do đó, ngoài việc loại bỏ các loại bệnh hiện có, trọng tâm của việc tái thiết này là gia cố và gia cường đường dây chính và cầu vượt, cống, tấm lợp và cống bằng một lượng đất đắp nhỏ, những nơi chịu ảnh hưởng lớn từ việc tái thiết mặt đường, để đạt được mục tiêu đảm bảo an toàn giao thông.

2 Tính chất vật liệu

Hiện nay, tình trạng kỹ thuật của việc gia cố, tái thiết và sửa chữa kết cấu nói chung có thể được chia thành phương pháp làm dày bê tông cốt thép, phương pháp thêm thể tích trước, phương pháp gia cố tấm, phương pháp cô lập và phương pháp hấp thụ động đất. Phương pháp gia cố sợi carbon có các đặc điểm là mật độ tương đối thấp, cường độ mỏi cao, độ bền tốt, chống mài mòn, thi công thuận tiện, chi phí thấp và không bị hạn chế bởi điều kiện thi công về cơ bản không ảnh hưởng đến hình dạng của kết cấu ban đầu. Kết quả thử nghiệm dầm bê tông được gia cố bằng FRP cho thấy độ cứng uốn tăng 17%-99% và cường độ uốn tăng 28%-97% dưới tải trọng thông thường. Trong thử nghiệm gia cố cắt, khả năng uốn của các cấu kiện được gia cố được cải thiện đáng kể, khoảng 65%-95%, đáp ứng các yêu cầu về động đất của uốn mạnh và cắt yếu.

3 Giả định cơ bản của thiết kế cốt thép

(1) Vai trò của bê tông trong vùng chịu kéo là không đáng kể.

(2) Khi dầm bị uốn, biến dạng của bê tông, thanh thép và sợi carbon tuân theo giả định về tiết diện phẳng.

(3) Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu sợi carbon là đàn hồi tuyến tính: σcf=Ecf×εcf vàεcf<0,01.

(4) Trước khi đạt đến trạng thái chịu uốn cực hạn, không có hiện tượng bong tróc liên kết giữa CFRP và bê tông.

4 Kết cấu gia cố bằng sợi carbon

4.1 Cấu hình keo dán

(1) Nguyên liệu được cân chính xác theo tỷ lệ pha trộn khác nhau, sau đó phân bổ lần lượt chất lót, chất làm phẳng và chất kết dính. Chất pha loãng được thêm vào vật liệu polyme chính và khuấy đều, sau đó thêm chất độn để tiếp tục khuấy cho đến khi đều, và cuối cùng thêm chất đóng rắn, có thể sử dụng sau khi khuấy đều.

(2) Cần lưu ý những điểm sau khi trộn chất kết dính: 1-2 kg cho mỗi lần trộn chất lót, 0,5-1 kg cho mỗi lần trộn chất làm phẳng và 1-2 kg cho mỗi lần trộn chất kết dính.

(3) Tất cả các thành phần phải được hoàn thành trong 1 giờ.

4.2 Xử lý bề mặt

(1) Cần loại bỏ các hư hỏng bề mặt bê tông như bong tróc, lõm, rỗ tổ ong và ăn mòn. Các vết nứt có chiều rộng nhỏ hơn 0,2 mm cần được phủ nhựa epoxy và bịt kín. Các vết nứt lớn hơn 0,2 mm cần được chà ron bằng nhựa epoxy.

(2) Máy mài góc bê tông, giấy nhám và các thiết bị khác để loại bỏ bề mặt vữa bê tông, dầu mỡ và các tạp chất khác, đánh bóng phẳng phần đế của cấu kiện bê tông, đặc biệt là bề mặt các phần lồi, vát mép và đánh bóng theo hình vòng cung (R < 30mm).

(3) Máy thổi sẽ làm sạch bề mặt bê tông và giữ cho bề mặt khô ráo.

4.3 Sơn lót

(1) Keo nền được phân bổ theo tỷ lệ chất chính: chất đóng rắn = 3:1. Chất chính và chất đóng rắn được cho vào thùng chứa, cân bằng cân lò xo và khuấy đều bằng máy khuấy. Tùy thuộc vào nhiệt độ thực tế tại công trường, xác định liều lượng và kiểm soát chặt chẽ thời gian sử dụng. Thông thường, sử dụng hết 60ml.

(2) Trải đều keo dán lên bề mặt bê tông bằng cọ lăn hoặc cọ quét, độ dày không quá 0,4mm, không để keo bị rò rỉ hoặc bọt khí. Thời gian đóng rắn từ 3 đến 24 giờ.

4.4 San lấp mặt bằng

(1) Nên sử dụng bột trét epoxy sửa chữa để lấp đầy các phần lõm trên bề mặt bê tông, và nên sử dụng chất trám vá để lấp đầy các phần có chiều cao thấp như mối nối mẫu, nhằm giảm thiểu chênh lệch chiều cao.

(2) Cũng nên sử dụng một góc của góc để sửa chữa một đường cong nhẵn có bán kính không nhỏ hơn 30mm. Khi bề mặt chất sửa chữa được chạm vào và khô, có thể tiến hành bước tiếp theo.

4.5 Dán tấm sợi carbon

(1) Đảm bảo bề mặt keo khô, nhiệt độ dưới 5°C và độ ẩm tương đối (RH) trên 85%. Nếu không có biện pháp hiệu quả, vải sợi carbon không thể được thi công.

(2) Trộn đều vật liệu keo (sử dụng cùng phương pháp với keo nền), sau đó thoa đều lên phần cần dán, và quét nhiều hơn vào mối nối chồng mí, góc bê tông và các bộ phận khác. Độ dày của cọ dày hơn một chút so với keo nền. Nghiêm cấm hiện tượng rò rỉ và quét, đặc biệt chú ý dán sát mép sợi carbon.

(3) Sau khi dán vải sợi carbon, sử dụng dụng cụ chuyên dụng lăn nhiều lần theo chiều sợi để loại bỏ bọt khí và giúp keo thấm đều vào vải sợi carbon, đồng thời dùng dao cạo để cạo bề mặt vải sợi carbon cho đều. Dán nhiều lớp nên lặp lại các bước trên và có thể dán lớp tiếp theo cho đến khi bề mặt vải sợi carbon khô.

(4) Bôi đều keo dán lên bề mặt lớp CFRP cuối cùng. Dùng dụng cụ lăn liên tục theo hướng sợi, và dùng dao cạo để cạo bề mặt vải sợi carbon cho đều.

(5) Chiều dài chồng lên nhau của CFRP theo hướng sợi không được nhỏ hơn 10 cm. Nên phủ nhựa lên phần này, và tiến hành thao tác chống tạo bọt và phủ nhựa thông thường.

5 Biện pháp đảm bảo chất lượng

(1) Kiểm soát nguyên liệu sợi carbon.

Tính đồng nhất của vật liệu: Các bó sợi carbon chỉ phân bố đều, được xử lý thành các tấm có thể đóng vai trò tạo lực tổng thể đồng đều.

Hàm lượng nhựa tẩm trước trong tấm sợi carbon: Nhựa tẩm trước có vai trò kiềm chế lẫn nhau của sợi, liên kết lẫn nhau thành một lực chung của toàn bộ, nhưng hàm lượng của nó quá nhiều, tẩm quá dày sẽ không có lợi cho việc sửa chữa và gia cố. Bởi vì kết cấu bê tông cốt thép CFRP phụ thuộc vào nhựa epoxy được phủ ở mặt trên và mặt dưới của các tấm sợi carbon để hoàn thiện. Nếu hàm lượng nhựa tẩm trước trong tấm sợi quá nhiều, hiệu quả thẩm thấu của nhựa sẽ kém khi dán tấm sợi carbon, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thi công.

Tỷ lệ sợi filament của sợi carbon rất dễ xuất hiện do sợi sợi mịn và chỉ 7μm. Do đó, việc giảm thiểu sự đứt gãy của sợi và đảm bảo tính liên tục và toàn vẹn của tấm sợi là một thông số quan trọng để đảm bảo hiệu quả gia cố cuối cùng.

(2) Kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và độ ẩm tại công trường. Nhiệt độ thi công nằm trong khoảng 5~35°C và độ ẩm tương đối không quá 85%.

(3) Dự án liên kết sợi carbon: Chiều dài chồng lớp vải sợi carbon theo hướng sợi không được nhỏ hơn 100mm. Vải sợi carbon nên được dán càng xa càng tốt để tránh chướng ngại vật. Nếu không thể loại bỏ chướng ngại vật và cần cắt bớt, cần xử lý đúng cách phần bị cắt bớt, các biện pháp cụ thể cần được xác định tùy theo từng trường hợp.

(4) Việc nghiệm thu tại công trường sau khi thi công chủ yếu là đánh giá chất lượng liên kết giữa CFRP và bê tông, và hiệu quả liên kết được đánh giá bằng cách gõ nhẹ bề mặt CFRP bằng búa và các dụng cụ khác. Nếu hiện tượng dính kết không đặc, nên sử dụng phương pháp tiêm keo kim để khắc phục. Nếu diện tích liên kết nhỏ hơn 90%, liên kết không hợp lệ và cần được xây dựng lại.

6 Kết luận

Ưu điểm của việc gia cố kết cấu bê tông bằng CFRP rất rõ ràng và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong gia cố cầu đường bộ và cống.