有關碳纖維在橋梁加固中的應用探討

摘要:文章首先分析了碳纖維的加固機理和應用優點，接著探討了其在橋梁加固中的施工工藝。

關鍵詞:碳纖維布 橋梁加固 粘貼膠

0 引言

我國在過去幾十年修建了大量橋梁，許多設計載荷較低，而且大部分仍在服役，隨著行車密度和車輛載荷的增加，許多混凝土橋梁出現了不同程度的開裂現象，影響了橋梁的結構安全，降低了橋梁的使用壽命，甚至威脅到了人民的生命財產安全。由于橋梁建造費用高昂，要想將這些橋梁全部拆除重建，顯然是不現實的，因此，有必要采取一定的措施對它們進行加固處理。碳纖維加固就是一種理想的橋梁加固技術，在橋梁加固中應用比較成熟。下面筆者將簡要探討碳纖維在橋梁加固中的應用。

1 碳纖維加固機理和技術特點

1.1 碳纖維加固的機理 碳纖維布沿纖維方向具有很高的強度，它是一種正交異性材料，在單向加固情況下，通常沿加固混凝土梁體的縱向布置碳纖維布的主拉應力方向，這就與受力鋼筋方向一致，碳纖維布粘貼在梁底受拉區，其作用與受拉鋼筋作用相當。碳纖維布和混凝土加固構件通過粘結層傳遞剪應力和粘結正應力，以達到共同工作的目的。

1.2 碳纖維加固法的優點

①不增加恒載及斷面尺寸。碳纖維布的質量輕，設計厚度較薄，對整個結構重量及橋下凈空的影響可忽略不計。并且可根據要求將碳纖維布在一個部位重疊粘貼，達到補強的要求。②可適應不同構件形狀，成型方便。碳纖維布的隨型性極強，可任意對橋梁的斜、彎、坡及異型結構進行補強，從而降低施工難度，縮短施工工期，減少施工成本，這是其它加固方法無法比擬的。③施工簡便。碳纖維布加固方法工藝簡便，無需大型設備、模板及支撐，施工時所需工作面小，不受空間限制，操作起來簡單易行，當主梁內部的作業空間受到限制時，這種加固方法是最佳的選擇。④采用碳纖維加固補強，無需鉆孔及開鑿，不會對原結構造成二次損害。⑤能有效地封閉混凝土的裂縫。⑥碳纖維布具有優良的耐化學腐蝕性，在不利環境下的壽命也較長。⑦不影響結構的外觀。碳纖維布粘貼固化后其表面還可涂刷一層涂料，總體厚度薄，因而不會影響結構的外觀。

2 碳纖維在橋梁加固中的施工工藝

2.1 碳纖維增強塑料片材的制備 碳纖維布材是由許多彼此之間無粘結的極細的單絲纖維組成的，它們之間的應力分布不均勻，高應力區域的碳纖維絲會在低應力區域的碳纖維絲完全發揮強度之前斷裂。為了盡可能充分地利用碳纖維的高強度，可通過濕法將環氧樹脂浸潤到碳纖維布材中，使單絲粘結在一起，提高纖維單絲的共同工作性能。制備過程和要點如下:

①由于環氧樹脂固化后其有很強的粘結能力，為避免作臺表面與環氧樹脂發生粘結，可在制作臺表面覆蓋一層塑料。②為了使碳纖維布材中松弛的纖維單絲都被拉直，可通過機械對碳纖維布材施加幾十兆帕的拉力，使纖維單絲的平直程度基本一致，提高共同工作性能。③預先估計好膠的需求量，按規定的比例取用環氧樹脂粘貼膠的主劑和固化劑，倒入容器內并攪拌混和均勻，最好使用電動攪拌器以低速、單向攪拌，以避免產生氣泡。通常一次混和的底膠不宜超過1.5kg，以保證配好的膠在時限內用完以免浪費，若放置時間過久，應禁止使用。④用刷子將環氧樹脂粘貼膠均勻涂抹到碳纖維布材表面，使其完全滲透到碳纖維中，并擠出氣泡。當粘貼膠充分浸潤到纖維絲中后，還要在表面均勻涂抹一層粘貼膠作保護面層。⑤覆蓋一層塑料薄膜在制作好的碳纖維增強塑料片材上，以免受灰塵與水分的影響。當氣溫為20℃時一般要1周左右才能使環氧樹脂粘貼膠達到強度，10℃時一般要2周左右，必要時可使用加溫設備來縮短其固化時間。

2.2 混凝土橋梁結構構件表面處理 由于在橋梁結構構件表面常存在灰塵、油污和凸凹不平等情況，為了增加被粘物的表面積，提高膠結力，應除去橋梁構件妨礙膠結表面的疏松層和污染物，以便膠粘劑的浸潤。根據橋梁構件表面的新舊程度、干濕程度和堅實程度，可分以下幾種情況來處理加固構件的結合表面:

①若橋梁加固處表面很臟，并且橋梁修建時間已很久，當其表面有舊涂層、植物生長或其它污物時，應用硬毛刷粘高效洗滌劑刷除表面油污;當構件表面有較厚的松散層，則先用壓縮空氣吹掉灰塵和顆粒，或刮出塊狀物，然后對粘合面進行打磨，除去2～3mm厚表層，再用15%左右的鹽酸溶液涂于表面，放置1分鐘，用壓力冷水沖洗，完全干燥后即可涂膠。②對于表面不是很臟很舊的構件，可直接對粘合面打磨，用壓縮空氣除去粉塵后用脫脂棉沾丙酮擦拭表面即可。③新混凝土粘合面的處理，應先用鋼絲刷刷去表面松散浮渣，再用硬毛刷沾洗滌劑刷洗表面，用稀鹽酸涂刷至表面起泡為止，20min后用水洗凈。

另外，當碳纖維布要繞過構件轉角粘貼時，宜對轉角進行倒角處理并打磨出半徑不小于10mm的圓弧，再用鋼絲刷打掉表面浮渣;當構件表面有較多裂縫時，宜先灌注環氧樹脂將其填充修補。

2.3 涂刷底膠 在將構件表面處理潔凈后，為增強構件和碳纖維之間的粘結效果，應在構件表面涂刷一層底膠，配置底膠的方法與配置粘貼膠差不多。用刷子或輥子將底膠均勻涂抹到構件表面，使其完全滲透到混凝土中。當氣溫較低時，一次涂抹的膠不宜太多，因為此時膠的粘度有所增大，涂抹太多可能造成膠層薄厚不均。如底膠硬化后有凸起部位，應用砂紙或磨光機打平并清潔干凈。

2.4 進一步修補粘貼面 通常橋梁構件表面常存在凹陷、空洞等缺陷，并且僅靠打磨難以完全消除表面的凹凸不平，從而導致鋪貼碳纖維布時產生氣泡和褶皺，降低其加固效果。一般在底膠干燥后，要在打磨的基礎上使用粘結膩子等材料來修補構件表面。按規定的比例取用整平膩子的主劑和固化劑，置于拌膠板上并用刮刀混和均勻，控制每次混和的總量低于0.5kg，對混和后放置時間超過時限的材料應予以廢棄。要重點注意混凝土澆筑時留下的氣泡空洞和模板錯位造成的高差部位的修補，當構件表面存在較大的轉角時，應當分層進行修補，以免材料用量較多而出現膩子的流淌現象，要待到上一層的膩子干燥后才刮涂下一層。

2.5 粘貼碳纖維增強塑料 修補好構件表面并干燥之后，就可以開始粘貼碳纖維布。首先根據加固構件的需要裁剪碳纖維布，用輥子、塑料刮刀和刷子將配制好的粘貼樹脂均勻涂抹于構件與碳纖維布的粘貼面，將構件表面與碳纖維的粘貼表面緊密粘在一起，用滾筒沿同一方向滾壓以去除碳纖維布下面的氣泡，滾壓時防止損失碳纖維布。為保證橋梁加固構件的正常使用，避免碳纖維加固材料遭受外界損傷，應在加固層表面加一層防護層，對表面進行密閉防護處理。若采用水泥砂漿作為封閉層，增強加固層與水泥砂漿之間的粘結，應先涂刷一層界面處理劑在加固層外的表面，且外罩的水泥砂漿層厚度不得少于20mm。

3 結束語

隨著我國橋梁建設和交通事業的發展，相信以后會有大量的橋梁需要修復和加固，碳纖維以其施工簡單、加固效果好、施工費用低等優點，必將在橋梁加固工程當中得到越來越多的應用。

參考文獻:

[1]陳樹忠，碳纖維布在橋梁加固處理中的應用[J].公路與汽運.2009，(6).

[2]劉來君，趙小星，橋梁加固設計施工技術[M].北京:人民交通出版社，2004.