碳纖維新技術在橋梁加固工程中的應用

白海斌

(山西省交通建設工程監理總公司，山西太原 030012)

改革開放30年以來，隨著我國經濟建設的快速發展，交通量快速增長，道橋建設蓬勃發展，道橋面貌日新月異。但是我國在20世紀60年代～70年代修筑的橋梁因設計標準及負荷較低，在車行密度及載重量越來越大的今天，相當一部分橋梁已經滿足不了使用要求。根據1982年不完全統計，我國在80年代前修筑的公路橋梁中，僅危橋就4 328座。因此，我國的舊危橋加固維修任務十分繁重。使用常用的橋梁加固技術，往往會破壞橋梁現有結構，帶來不可預知的影響因素。而碳纖維橋梁加固新技術的出現，可以很好的彌補原有技術的不足，提高加固效率和質量，在我國具有很好的發展前景。碳纖維及碳纖維編織布見圖1，圖2。

1 碳纖維加固新技術及國內外發展現狀

碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱CFRP)，一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維復合材料抗拉強度一般都在3 500 MPa以上，抗拉彈性模量為230 GPa～430 GPa。碳纖維的軸向強度和模量高，具有無蠕變，耐疲勞性好，熱膨脹系數小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好的特點。

圖1 碳纖維

圖2 碳纖維編織布

國外碳纖維技術起步較早，技術成熟并大規模應用。全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL，ZOLTEK，ALDILA三家公司，以及韓國泰光產業，中國臺灣的臺塑集團等少數單位掌握了碳纖維生產的核心技術，并且有規模化大生產。日本是碳纖維的發源地，是碳纖維生產和應用大國。它的碳纖維材料技術在世界領先，不僅在物理、化學性能方面有所突破，其相關產品幾乎壟斷了世界市場。美國在碳纖維材料的實用性能方面研究較多，如其經DMF液處理后，提高了其抗張強度，削弱了纖維的直徑，擴大了其應用范圍。其他國家，如法國、澳大利亞、韓國、德國等，也一直進行著碳纖維材料技術的研究，并取得了不同的研發成果。在亞洲地區，我國臺灣地區也是碳纖維的重要研發、生產及使用廣泛的地區。20世紀80年代末臺灣掌握了從聚丙烯腈的聚合和紡絲到碳纖維的制備技術，隨著研究的進一步深入，臺灣逢甲大學柯澤豪教授于2003年研發出殺菌率在99.99%以上的活性碳纖維。

我國有關碳纖維的相關技術始于20世紀70年代末。1985年，吉化公司從英國RK公司引進并投產了一條年生產能力為100 t的碳纖維生產技術線。雖然我國研制碳纖維已有30余年的歷史，但至今尚未掌握高性能碳纖維的核心技術，生產的碳纖維質量至今仍處于低水平，仍有90%左右的市場需求依賴進口。可喜的是，“十一五”期間，我國碳纖維研發工作全面提速。2008年，吉林奇峰化纖股份有限公司負責的原絲開發及中試項目通過了專家小組的鑒定，突破了困擾多年的原絲質量不過關這一瓶頸。2009年，中國石油吉林石化公司碳纖維廠(我國首個百噸級碳纖維材料生產基地)投入生產運營，其自主研發碳纖維產品性能達到了國際先進水平，打破了國外對我國的技術封鎖。2010年，哈爾濱天順化工科技開發有限公司負責的高性能聚丙烯腈碳纖維原絲的聚合工藝通過了專家小組鑒定，進一步突破了制約我國碳纖維發展的技術瓶頸問題。由于目前我國的碳纖維產量滿足不了國內市場的需求，短時間內還擺脫不了對碳纖維產品的進口依賴，因此加快技術研發勢在必行。

2 碳纖維在橋梁加固工程中的應用

碳纖維良好的化學穩定性、出色的化學性能，且具有施工程序簡單及工期短的優點，能適應各種惡劣環境，將其應用于舊危橋梁修復加固，具有良好的發展前景。

1)碳纖維修復補強鋼筋混凝土結構的原理。碳纖維修復加固技術是指使用粘結劑將碳纖維布粘貼到需要修復的構件表面，通過碳纖維布及鋼筋混凝土的共同工作，提高橋梁構件的承載能力。將碳纖維通過某種特殊的方法粘貼在混凝土結構表面，原混凝土結構與樹脂固化后的碳纖維組成了新的復合體。在有外力時，碳纖維片和混凝土結構共同受力，使得原有的鋼筋應力因碳纖維分擔部分負荷而降低，大大修復加固橋梁結構。碳纖維材料具有很好的力學性能，粘貼時緊挨橋梁結構的外形，粘貼的樹脂的強度又很高，這樣既可以保證應力的傳遞，又能保證粘貼面不會發生脫落剝離，從而達到補強、加固橋梁結構目的。

2)用碳纖維加固補強的方法及其施工要點。碳纖維修復加固技術應用十分廣泛，適用于各種橋梁結構的加固修補。這里簡要介紹碳纖維材料新技術應用于修復加固橋梁鋼筋混凝土抗彎、抗剪及抗震等構件的方法。

碳纖維應用于加固橋梁抗彎構件。橋梁受彎構件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構件受拉區，代替(補充)鋼筋的性能，達到或者提高構件的抗彎承載力的目的。

碳纖維應用于加固橋梁抗剪構件。橋梁抗剪構件的抗剪加固，是將碳纖維布粘貼于抗剪構件的受力區，在構件屈服前，碳纖維布的應變緩慢;在構件屈服后，箍筋的作用漸漸被碳纖維布代替，碳纖維布應變速度加快，達到修復補強抗剪構件的目的。

碳纖維應用于加固橋梁抗震構件。應用碳纖維布對抗震構件加固，就是用碳纖維布橫向包裹抗震柱。碳纖維布的作用是對抗震柱的鋼筋混凝土結構起一種被動的約束作用。隨著抗震柱承載力的增加，橫向膨脹促使外包的碳纖維布環向伸延，提高了其側向約束力，明顯的改善抗震構件的延性。

碳纖維材料修復補強橋梁混凝土構件是橋梁修復加固的一項新技術。其施工工藝流程如下：混凝土基底處理→涂刷底涂樹脂→環氧膩子找平修補→涂刷粘結樹脂→粘貼碳纖維片→養護→涂裝。

因使用碳纖維修復補強所用材料相對特殊，所以在材料準備與施工操作中應注意以下要點：

1)施工中，碳纖維片不能被彎折或碰撞，以免出現斷絲;2)碳纖維片縱向接頭，搭接的地方要與構件應力的最大區段分開，同時搭接一定的距離，多層粘貼進行時，在一個部位不能進行各層的搭接，且層間要錯開一定的距離;3)粘貼碳纖維片要平整密實，粘貼碳纖維片的混凝土結構表面要處理平整，否則會出現翹邊或空鼓現象;4)露鋼筋的要進行防銹或者除銹處理;對混凝土裂縫粘貼的表面要處理平整，拐角處要處理成具有一定長度的圓角，同時要保證表面的干燥及清潔;5)根據施工的氣候條件及溫度情況選擇不同型號的環氧膩子、底層涂料等材料;6)需要能夠在不斷有震動影響的交通中進行施工作業，加固實例見圖3，圖4。

圖3 碳纖維布加固橋梁梁體

圖4 某路局貼合芳綸纖維布加固橋

3 碳纖維技術應用于橋梁加固需解決的一些問題

碳纖維加固新技術的出現，完善了現有的橋梁修復加固技術。但是由于發展時間短，現場數據缺乏，理論及實驗方面的研究也不夠全面。故碳纖維新材料技術應用于橋梁修復加固還需要解決以下問題：1)碳纖維材料的疲勞老化問題。碳纖維材料在日光暴曬、液體浸泡、化學介質侵蝕等作用下會發生疲勞老化，這樣會改變其力學性能，如何防止材料的疲勞老化也是其使用的難點問題。2)施工中的橫向接頭連接問題。現場施工中，需要碳纖維布在受力方向連接，這種連接的接頭設計比較困難，這就需要設計出更加方便、經濟、可靠的接頭連接方式。3)如何避免可能發生的脆性破壞。和鋼筋相比，碳纖維布拉伸強度很大，對橋梁抗彎結構效果明顯，這就有可能導致結構發生破壞時，鋼筋未屈服，而可能發生混凝土被壓碎的脆性破壞，因此，使用多少纖維布，避免脆性破壞是個需要研究的問題。

4 結語

碳纖維材料新技術應用于橋梁加固，不增加結構自重，不會對原結構造成新的損傷，比傳統技術顯示出了更多的優點。這些優點將為橋梁加固技術帶來新的變革，將為橋梁加固產業開辟新的產業途徑，促進橋梁加固技術進步。同時，抗震性能的加固可以作為新的防震措施來發展。但是由于產能和技術瓶頸，我國仍有90%左右的市場需求依賴進口，但是隨著技術的進步，碳纖維材料成本的逐步降低，試驗、制造以及施工工藝的不斷進步，碳纖維材料在我國未來的橋梁加固技術中會得到廣泛應用。

［1］ 百度—碳纖維，http：//baike.baidu.com/view/82595.htm.

［2］ 呂志濤.高性能材料FRP與結構工程創新［J］.建筑科學與工程學報，2005，22(1)：29-30.

［3］ 田 水，朱 暾.纖維增強材料在結構加固工程中的應用［J］.建筑結構，2003(3)：85-87.

［4］ 岳清瑞.我國碳纖維(CFRP)加固修復技術研究應用現狀及展望［J］.工業建筑，2000(10)：100-102.

［5］ 吳金翔.橋梁加固技術研究［J］.山西建筑，2010，36(4)： 328-329.