碳纖維在橋梁加固工程中的應(yīng)用探析

惠小鵬

(山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000)

碳纖維加固技術(shù)在幾十年的發(fā)展過(guò)程中已經(jīng)受到科學(xué)界和工程界的廣泛認(rèn)可，其在橋梁工程加固上有著不可忽視的應(yīng)用前景。碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)改造、危橋修繕等有著極為重要的意義。不僅能夠降低環(huán)境污染，還能夠提高橋梁工程質(zhì)量。

一 碳纖維材料的特性

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡(jiǎn)稱CFRP)，是將有機(jī)母體纖維(例如聚丙烯腈、粘膠絲、瀝青等)置于1000℃－3000℃的高溫的惰性氣體環(huán)境下，采用高溫分解法(去除碳以外的所有元素)制成的含碳量達(dá)到95%以上的纖維材料。這種新型的補(bǔ)強(qiáng)材料強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小，因此被稱為新材料之王，有“黑色黃金”“、第三代材料”的美稱。

碳纖維材料根據(jù)其形態(tài)可分為布材和板材，相較于傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)材料，它的比重不到鋼材的1/4，而抗拉強(qiáng)度是鋼材的7～9 倍，碳纖維片材的拉伸強(qiáng)度高達(dá)3400MPa 以上;彈性模量也高于鋼材，達(dá)到230－430GPa，而且具有很高的耐酸堿性和抗腐蝕性。而在橋梁工程加固中連接碳纖維片材與混凝土之間的材料主要是樹脂類粘結(jié)材料，使其形成共同的結(jié)構(gòu)，其粘結(jié)強(qiáng)度比混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都要高，然而受到溫度的影響比較明顯，在施工的過(guò)程中必須要嚴(yán)格控制溫度。

二 碳纖維加固的優(yōu)點(diǎn)

相比較于傳統(tǒng)的鋼板加固，碳纖維加固有著以下一些優(yōu)點(diǎn):(1)施工方便，高效率，不需要使用大型機(jī)器即可進(jìn)行操作;(2)可以修補(bǔ)混凝土裂縫，增加混凝土結(jié)構(gòu)的使用期限;(3)在施工中不用破壞原有混凝土結(jié)構(gòu)，只在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行施工;(4)成本低廉，且后期維護(hù)耗費(fèi)少;(5)不會(huì)對(duì)原有構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，在形狀和大小上能夠保持和原構(gòu)件一致;(6)提高混凝土構(gòu)件的抗疲勞性;(7)提高混凝土構(gòu)件的抗腐蝕性;(8)提高構(gòu)建的抗?jié)B透能力和抗沖刷能力;(9)提高混凝土構(gòu)建表面的光滑度，利于水流。

三 碳纖維加固技術(shù)施工方法

1.基底處理

在對(duì)橋梁進(jìn)行碳纖維加固施工前，應(yīng)對(duì)要進(jìn)行施工部分的基底進(jìn)行處理。首先，要將橋梁的殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)。將破損、碳化的部分進(jìn)行去除，對(duì)鋼筋腐蝕的部分進(jìn)行處理，然后對(duì)缺口的位置進(jìn)行修復(fù)，使其與破損之前一樣完整。在修補(bǔ)裂縫時(shí)，如裂縫寬度在0.2mm 以下時(shí)，可使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂刷，再進(jìn)行密封處理;如裂縫寬度在0.2mm 以上時(shí)，應(yīng)使用環(huán)氧樹脂灌入裂縫中進(jìn)行修補(bǔ)。將施工位置破損、突出的地方打磨平事，使施工的表面盡量平滑，再用磨光機(jī)對(duì)邊角進(jìn)行打磨，倒角的半徑應(yīng)在30mm 以上;在打磨完畢后，應(yīng)對(duì)表面進(jìn)行清洗，然后待其干燥后方可進(jìn)行施工。

2.涂刷底層

對(duì)施工底層進(jìn)行涂刷是為了使涂料滲入到橋體中，強(qiáng)化粘結(jié)效果。在涂刷時(shí)，先對(duì)涂料進(jìn)行合理調(diào)配，主劑與固化劑的配比應(yīng)參考標(biāo)準(zhǔn)選取。在混合后，應(yīng)充分?jǐn)嚢瑁箖烧呔鶆蚧旌稀Ｓ捎谕苛媳容^易固化。因此，在涂料調(diào)配完成后，應(yīng)盡快施工，以避免涂料固化，造成浪費(fèi)。在涂刷時(shí)，應(yīng)使用滾涂的方式進(jìn)行均勻涂刷。在涂料硬結(jié)固化后，應(yīng)對(duì)涂刷表面進(jìn)行打磨處理，使表面順滑。在進(jìn)行涂刷施工時(shí)，應(yīng)對(duì)自然條件加以注意，保證溫度在5℃以上，溫度以85%以下。

3.碳纖維布的粘貼

根據(jù)施工面的大小對(duì)碳纖維布的形狀、尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)、裁剪。一般來(lái)說(shuō)，碳纖維布的施工長(zhǎng)度應(yīng)小于2m;在確認(rèn)自然條件滿足施工要求后，用滾筒在施工表面涂刷膠水。膠水的使用量應(yīng)依施工表面的平整度來(lái)決定，在轉(zhuǎn)角的位置應(yīng)多涂一些膠水，膠水涂好后靜置一會(huì)，便可將碳纖維布粘貼到施工面上。在粘貼時(shí)，碳纖維布的粘貼方向應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程操作，在粘貼時(shí)，應(yīng)用滾刷不斷施加壓力，滾筒的碾壓力度和速度要盡量保持不變，使碳纖維布與膠水充分接觸。同時(shí)，碾壓出的氣泡和膠水應(yīng)及時(shí)處理。此外，在對(duì)碳纖維材料進(jìn)行運(yùn)輸、裁剪時(shí)，應(yīng)避免將其彎折，在粘貼前用直尺和刀具進(jìn)行規(guī)范裁剪，以避免材料浪費(fèi)。

4.養(yǎng)護(hù)

在碳纖維片粘貼之后，需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為施工表面硬結(jié)固化時(shí)，約為施工后的24h，在對(duì)施工表現(xiàn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)盡量避免外界的干擾。

5.涂裝

在樹脂硬結(jié)固化后，對(duì)橋梁加固的施工表面，可按需要涂耐火涂料或是其他顏色的涂料。

四 碳纖維材料加固施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

在橋梁加固工程中使用碳纖維材料時(shí)，根據(jù)材料的特殊性以及施工的特殊性，可以按照以下基本步驟進(jìn)行:(1)對(duì)混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行清洗，去除油脂和污物;(2)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行檢查，修補(bǔ)裂縫，去除鋼筋鐵銹;(3)將混凝土構(gòu)件的表面殘缺、突出、破損部位磨平，消除棱角;(4)要按照要求抹上底膠、找平膠和粘結(jié)劑;(5)將裁減好的碳纖維布或板材貼上，粘貼時(shí)應(yīng)該考慮其受力方向，并且在粘貼是要確保碳纖維布與粘貼劑之間沒有空氣，沒有孔洞，使碳纖維與混凝土表面緊密連接;(6)貼好一層碳纖維布后，及時(shí)均勻的抹涂第二層粘貼劑，再貼第二層碳纖維布。(7)如果因?yàn)椴簧鳎谑┕ぶ谐霈F(xiàn)空氣，而無(wú)法趕出空氣，應(yīng)該在相應(yīng)部位打出兩個(gè)以上的孔，向內(nèi)填充環(huán)氧樹脂;(8)每道工序完成之后，都應(yīng)該用塑料薄膜遮擋，防止風(fēng)沙和雨水影響工程質(zhì)量;(9)當(dāng)貼片硬化后，如果出現(xiàn)褶皺或者松弛，應(yīng)該將褶皺部位割除，再進(jìn)行修補(bǔ)。(10)完成碳纖維粘貼后，應(yīng)做24 小時(shí)的自然養(yǎng)護(hù)，達(dá)到固化的時(shí)間要求;(11)涂上一層粘貼劑，待固化到一定層度后，涂抹一層防火涂料。(12)最后在完成的修補(bǔ)部件上，可以適當(dāng)?shù)母鶕?jù)需求再覆蓋上瀝青等，將其整平。

五 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料，因其高性能而被廣泛應(yīng)用于橋梁補(bǔ)強(qiáng)工程之中。其施工工期較短，不需要大型器械，且修補(bǔ)后的構(gòu)件性能更強(qiáng)，具有極高的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)橋梁加固工程對(duì)碳纖維材料大量需求也促進(jìn)了我國(guó)碳纖維技術(shù)的發(fā)展。