淺談碳纖維加固在橋梁大修中的應用

摘要：本文簡要概述了碳纖維加固在橋梁大修中的應用，對工藝原理、施工方法及注意事項、效益分析進行全方位多角度地闡述和剖析，指出碳纖維加固法的優勢與適用范圍，采用碳纖維加固修補，基本不增加原結構自重，更不會改變原構件尺寸，特別是在橋梁大修中的該方法作用深遠，意義重大。

關鍵詞：碳纖維加固特點 施工工藝

1 概述

在現有橋梁中，有不少橋梁，由于當時設計荷載標準偏低造成歷史遺留問題，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負荷日趨加重而不得不對已有橋梁進行維修、加固。在碳纖維加固技術問世之前，我國一直延用傳統加固方法，其具體方法有：加大截面法、外包鋼筋加固法、粘鋼加固法、加大混凝土截面等方法來達到混凝土的加固效果。在“碳纖維加固技術”出現之后，這種新型加固技術迅速占領建筑市場，幾乎將傳統加固方法取而代之。

所謂碳纖維加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在橋梁梁體表面，使兩者共同工作，提高橋梁的承載能力，由此而達到對橋梁進行加固、補強的目的。要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可。

2 特點

碳纖維，形態上比人的頭發絲還要細100倍，密度不到鋼的1/4，但鋼度卻是鋼的4倍，抗拉強度則是鋼的7～9倍。碳纖維材料的特點是強度高、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕，在彈性模量方面某些高彈性碳纖維甚至在鋼材的兩倍以上，并且施工性能與耐久性良好，更可貴的是它還具備可加工性，另外碳纖維材料質量輕、材質薄，單層的粘貼厚度僅1.0mm左右，經過粘貼后單位面積重量不超過1.0kg，經過加工修補不增加原結構自重，不會改變原構件尺寸，既避免了粘貼鋼板時所帶來的視覺上的粗糙感又達到了較之更好的加固效果。另外，碳纖維加固技術可降低建筑物的加固成本，延長使用壽命。因此，碳素纖維作為新時期的補強材料，而備受社會關注。

3 適用范圍

混凝土構件、木結構、鋼結構等均可用碳纖維加固的方法進行加固和補修，并且加固后構件承受能力、抗震性能和耐久性能都可以大幅度提高。①混凝土結構物、橋梁及建筑物的梁、柱、面板加固。②被鹽腐蝕的混凝土、橋梁以及河川構造物的防護與加固。③隧道、港灣設施、煙囪、倉庫、廠房的加固。由于碳纖維加固自身的特點，因此多用于混凝土結構抗彎、抗剪加固，同時廣泛用于各類工業與民用建筑物、防震、防裂、防腐的補強及提高設計荷載等級方面。

4 工藝原理

碳纖維材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕等特點。抗拉強度方面甚至是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量方面略高于普通鋼筋。加固和修復混凝土結構所使用的碳纖維材料主要分為碳纖維材料和配套樹脂兩種，其中碳纖維材料是一種很好的加固修復材料，在抗拉強度方面是建筑鋼材的十倍、彈性模量方面碳纖維材料與鋼材相當，但是有些（如高彈性）碳纖維材料的彈性模量甚至是鋼材的兩倍以上，且施工性與耐久性表現良好；配套樹脂主要包括底層樹脂、找平樹脂及粘結樹脂三種，前兩種的功能是提高碳纖維的粘結質量，而粘結樹脂的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成復合型的統一體，使它們作為整體共同發揮作用，提高結構構件的抗剪承載力以及加強抗彎性，從而達到對結構構件進行加固和補強的效果。

5 施工工藝

對碳纖維進行加固的流程為：構件表面處理——粘貼面基層處理——涂底層涂料——構件表面環氧膩子修補——貼碳纖維片材——氧化固化—— 涂裝。

5.1 對基底處理 按照設計要求采用碳纖維技術對基底進行相應的處理：①對混凝土構件的表面出現殘缺、破損和碳化層的部分進行清理，對剔鑿、清理、露筋的構件殘缺部分進行修補復原，直到結構部件密實部位為止。排查外露鋼筋的銹蝕狀況，如有則進行必要的處理。②裂縫的修補。通過環氧樹脂進行表面涂刷和密封方式處理縫寬小于0.2mm的裂縫，對于大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂進行灌縫。③對貼片范圍的定位、劃墨線、按設計要求進行。④打磨結構部件表面凸出部分（模板的段差等）進行整平處理，修復后的高度差不得超過1mm；用磨光機把棱角打磨成半徑大于30mm的圓角。⑤用高壓水或壓縮空氣除凈構件表面的粉塵，并使其充分干燥。

5.2 涂刷底層樹脂 ①把按比例調好底膠主劑和固化劑導入容器內，用攪拌器攪拌均勻，量的大小控制在可使用時間內用完為準。②用滾筒刷把底膠均勻地涂刷，注意直橫涂抹均勻，自然風干。需要涂刷兩層時，應在第一層指觸干燥后再涂刷第二層。③底膠固化后，表面有凸起部分時要用磨光機或砂紙磨平。④當氣溫低于5℃，相對濕度大于85%，混凝土表面含水率在8%以上，以及因降雨或結露而沒有有效的保證措施時，不能進行施工，要根據溫度、濕度選擇適當的底膠。

5.3 找平處理 ①用環氧膩子對結構部件表面凹陷部位進行填平，直到修復平整，內角（起拱段差、等）用環氧膩子填充進行整平處理。②找平膠涂刮后，表面上的糙紋，應用砂紙打磨平整。③整平膠料固化后，方可進行下一道工序。

5.4 粘貼碳纖維片 ①在運輸、儲存、剪切、粘貼碳纖維片時，確保碳纖維質量嚴禁彎折。貼片時用鋼直尺和壁紙刀按規定尺寸裁剪纖維片。②碳纖維片接頭，其受力方向（順紋方向）每端的搭接長度不應小于200mm，若粘貼層數超過3層，該搭接長度不應小于300mm；對非受力方向（橫紋方向）每邊的搭接長度可取100mm，當平行粘貼多條碳纖維板時，兩板之間空隙應不小于5mm。③對樹脂主劑和固化劑按規定比例進行配比，利用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂。④貼片。用碳纖維片和樹脂進行粘連，用橡皮滾筒沿著纖維方向在碳纖維片上進行滾壓，接觸面之間不要有空氣，這樣可以使樹脂滲入碳纖維中，并使纖維片的鋪層均勻壓實，無氣泡出現。

5.5 碳纖維片養護 ①碳纖維片的粘貼。達到初期固化前需要自然養護24h，并確保固化期間不受影響。②碳纖維片粘貼后，對滿足設計強度所需自然養護的時間的規定：平均氣溫在10℃以下時，需要2周；平均氣溫在10℃以上20℃以下時，需要1～2周；平均氣溫高于20℃時，需要1周。在自然養護期間應避免物體硬性沖擊貼片。

5.6 涂裝 根據需要可以在樹脂固化后加固、補強構件表面，并涂刷耐火涂層和色彩。

6 施工注意事項

6.1 碳纖維片材選擇 檢查是否均勻。只有分布排列均勻的碳纖維束，經加復合工成后，才能保證材料整體受力均勻；若碳纖維片材均勻性不好，會因為構件受力不同導致纖維片受力不均，最后不能充分顯碳纖維補強的效果。因此，要保證加固質量，要擇均勻性較好的碳纖維片材。

6.2 碳纖維（片材）粘貼 ①進行碳纖維片材表面處理和粘貼，首先對加固設計部位進行放線定位。②碳纖維片材裁剪。按照要求的尺寸對碳纖維片材裁剪，使裁剪后的織物寬度保持在100mm到150mm之間。③清理碳纖維片材表面的粉塵并擦拭干凈。進行兩層粘貼時，底層碳纖維片材兩面都要擦拭干凈。④碳纖維片材擦拭干凈再涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀且平均厚度不小于2mm。⑤把涂有粘結樹脂的碳纖維片材用手輕壓。沿著纖維片材方向用橡膠滾筒均勻平穩壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實粘貼良好。⑥通過連續粘貼的方式進行兩層碳纖維片材的粘貼。如果不能粘貼，那么對底層碳纖維片材重新進行清潔處理。⑦碳纖維的配套用膠要遠離火源，避免陽光直射。配置及使用時必須保持良好的通風。⑧考慮環境濕度對樹脂固化的負面影響。混凝土的粘貼部位含水率不宜小于4%，且不應大于6%。⑨把按規定比例配制好的樹脂放入容器，進行攪拌直到色澤均勻。攪拌用的容器內不能有油污及雜質。⑩根據季節和溫度，需要使用不同型號的粘貼樹脂確保粘貼的質量。這樣才能把握對樹脂施工時的可操作時間和固化時間。

7 碳纖維加固效益優勢

采用碳纖維方式進行加固，在費用方面與一般的粘貼鋼板法差不多，與傳統加固法相比，采用碳纖維加固法優勢表現在：高強高效、施工便捷，不改變原結構物的結構外觀，不會對原結構造成損害，后期維護費用低并且施工質量有保證。化學結構穩定，耐腐蝕性以及抗疲勞性能等方面更加突出，并且沒有濕作業，現場不需固定設備，場地占用少。在工期和條件方面具有明顯的優勢，采用碳纖維加固法加固效果好，適用范圍廣，質量有保證，經過碳纖維加固修補后，基本不增加原結構自重，更不會改變原構件尺寸。

參考文獻：

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