碳纖維布在橋梁結構加固工程中的應用

余 滿

(江蘇寧滬高速公路蘇州管理處，江蘇蘇州 215131)

0 引言

利用碳纖維材料(CFRP)對混凝土結構進行加固的技術是我國近年來引進的一項高效、便捷的結構加固技術。特別是對受損混凝土結構的加固，效果明顯。這種技術利用樹脂類材料作為粘結劑，將高強度的碳纖維布粘貼在結構表面，使得碳纖維布與結構形成一個復合的整體，從而達到改善受力構件的力學性能。該項技術興起于發達國家，但在20世紀90年代末引進中國以后，得到了較快的發展，有了不少成功的應用案例，并總結出臺了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》等。另外由于具有許多其他傳統加固方法所不具備的優越性，如施工工藝簡便快速、加固修補耐久性表現良好等，土木工程領域許多方面都在開展廣泛的探索與創新。表1是一些傳統加固方法與碳纖維布加固混凝土結構方法的比較。

表1 碳纖維布加固混凝土與一般常規加固混凝土方法比較

1 材料特性

1.1 碳纖維布的材料特性

相比較其他的材料，碳纖維布材料有以下特性:

1)抗疲勞能力和彈性變形能力強;2)耐久性好(反映了抗腐蝕能力);3)抗拉強度非常出色，自重小;4)較高的電阻和較低的磁感應。

現在，國內也開始有廠家生產碳纖維布，但整體質量還有待加強，目前工程中大多使用的是進口材料，如瑞士SiKa公司的碳纖維布，日本前田工纖的碳纖維布等。下面以日本某公司碳纖維布為例，對碳纖維布的材料特性作說明，材料的具體性能見表2。

表2 日本某公司碳纖維布及其性能

1.2 粘貼膠的特性

一般生產商不提供粘結碳纖維用的粘貼膠，但因為粘貼膠質量的好壞決定著工程質量的好壞，所以越來越多的進口商都提供成熟的、相配套的粘貼劑。下面以日本某公司提供的粘貼膠為例，對材料特性作說明。粘貼膠約有三種，它們分別是P-10，P-20及P-30。各種膠的主要作用如下:

1)P-10底涂材料，作用為滲入混凝土內部，強化混凝土表面，改善碳纖維布與混凝土之間的粘結性能;

2)P-20找平材料，主要是為了將混凝土表面的凹坑等缺陷補平，提高碳纖維布與混凝土的粘結質量;

3)P-30粘貼材料，是主要的粘結劑，使得碳纖維布與混凝土有效粘結，并形成一個整體共同受力。

材料的具體性能見表3。表3中各項指標均由廠家提供，后經國內有資質的實驗室檢測發布。

表3 日本某公司粘貼膠性能指標

2 各種加固構件計算方法

因為碳纖維布的材料特性，尤其是在抗拉方面的卓越特性，使得在許多構件加固中均得到了廣泛的應用，其計算方法也需要區別對待。

2.1 構件受彎加固

板梁等構件受損后，主要需要進行受彎加固，利用碳纖維加固時，除應符合現行國家標準《混凝土結構設計規范》對受彎構件正截面承載力計算的基本假定外，還要注意以下幾個方面:

1)當混凝土構件達到極限狀態時，不應超過碳纖維的允許拉應變;

2)當考慮二次受力影響時，應根據加固時的荷載狀況，按截面應變保持平面的假定計算加固前受拉區邊緣混凝土的初始應變;

3)構件達到受彎承載能力極限狀態前，混凝土與碳纖維之間不發生剝離破壞;

4)計算碳纖維的拉應力時應取碳纖維彈性模量計算。

當碳纖維布加固混凝土發生界限破壞時，即碳纖維布被拉斷，同時混凝土被壓碎時，可參照如下公式進行計算:

其中，η為碳纖維布強度折減系數，通常取0.6。

2.2 構件受剪加固

在進行受剪加固時，可參照以下公式進行斜截面受剪承載力計算:

式中:εfv——達到受剪承載能力極限狀態時碳纖維布的應變;

εfu——碳纖維布的極限拉應變;

φ——碳纖維布受剪加固形式系數，對封閉粘貼取1.0，對U形粘貼取0.85，對側面粘貼取0.70;

λb——梁受剪計算截面的剪跨比，對于集中荷載作用情況取 a/h0，當 λb＞3.0 時，取 3.0;當 λb＜1.5 時，取1.5。a為集中荷載作用點到支座邊緣的距離，對于均布荷載作用情況，取3.0;

n——碳纖維布的粘貼層數;

hf——側面粘貼碳纖維布的高度;

s——碳纖維布條帶的凈間距;

t——單層碳纖維布的厚度;

w——碳纖維布條帶的寬度。

3 碳纖維布在實際橋梁結構加固工程中的應用

1)碳纖維布加固混凝土橋墩。

某高速公路某橋墩經日常檢查，發現橋墩有數條豎向裂縫，裂縫最大寬度為0.5 mm～2 mm，已貫穿。根據設計要求，首先對裂縫進行壓力灌漿，灌漿材料采用低粘度改性環氧樹脂，待樹脂固化后進行表面清理打磨，按CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程要求操作程序，前期工序結束后，進行粘貼碳纖維，粘貼結束后，進行表面防護處理，經2年的使用觀察，沒有發現新的裂縫，見圖1。

圖1 碳纖維布加固混凝土橋墩施工圖（單位：cm）

碳纖維單位重量為300 g/m2，厚度為0.167 mm，抗拉強度為不小于3 000 MPa，彈性模量不小于2.1×105MPa，延伸率不小于1.4%，搭接長度不小于10 cm，搭接錯開位置，拐角處做成不小于2 cm的圓弧。

2)某高速公路某火災橋加固。

K194+900火災橋，由于當地老百姓在橋底下堆滿稻草，小孩玩耍引火造成稻草焚燒，致使板底混凝土燒酥剝落，鋼筋外露，板底產生許多微小裂縫，影響行車安全，并發現裂縫有增多的現象，由于通車流量大，又不能封閉車道搶修，為不影響通車，確保安全，決定采用粘貼碳纖維搶修，經數天施工，完成任務?，F經2年多時間的運行，目前情況良好，見圖2。碳纖維單位重量為300 g/m2，厚度為0.167mm，抗拉強度為不小于3 000 MPa，彈性模量不小于2.1 ×105MPa，延伸率不小于1.4%。

4 加固施工工藝

圖2 蘇州新區寧滬K 194+900火災橋粘貼碳纖維加固圖（單位：cm）

4.1 碳纖維布加固基本要求

環境溫度不宜低于10℃;混凝土強度等級不得低于C15;碳纖維布搭接長度不低于150 mm。

4.2 具體的施工工序

1)打磨混凝土，清潔表面后涂一層底膠P-10;

2)用P-20將凹洞膩平，稍等一段時間后再涂浸漬樹脂P-30;

3)粘貼碳纖維材料，用滾筒反復滾平，除去氣泡，使P-30充分浸透碳纖維布;

4)最后為了使碳纖維布與構件整體性更好，要在碳纖維布外表再涂一層P-30。施工中若發現有空鼓部位，可用針管灌注浸漬樹脂。

4.3 注意事項

施工質量的關鍵在于混凝土基層處理的好壞，另外滾壓密實度也很關鍵，一定要讓樹脂浸透碳纖維布。因為基層如果有浮渣或是凹坑，極易產生空鼓，碳纖維布和混凝土構件就很難粘結到位。冬季施工時，在樹脂終凝前，應隨時檢查碳纖維布有無滑移現象，因為冬季樹脂凝結時間較長。另外，碳纖維布也有缺點，即容易被刮傷，施工完畢后要進行保護，避免劃傷，必要時可以用涂料進行封閉保護。

5 結語

1)應用碳纖維布進行鋼筋混凝土結構加固的技術日趨成熟，實踐證明該技術具有與其他傳統加固方法無法比擬的優越性，特別是在受損橋梁的加固中，開始得到廣泛應用，也因此，國內從材料的生產質量、設計方法、施工工藝等方面都在不斷的進步，加固的成本越來越低，前景非常好。

2)以上兩項工程所使用的碳纖維布經同濟大學檢測，各項力學指標符合設計和規范要求。該項目在施工過程中，本人作為業主參與了整個工程的設計方案討論、質量監督、各道工序的檢查、驗收等，從中學到了不少加固應用的實踐知識，為今后加固施工工程打下了一個良好的基礎。

［1］CECS 25∶90，混凝土結構加固技術規范［S］.

［2］CECS 146∶2003，碳纖維片材加固混凝土結構技術規程［S］.

［3］吳 剛，郭正興，張繼文.碳纖維復合材料加固混凝土結構技術及施工要點［J］.建筑技術，2000(31):10-12.

［4］岳清瑞.我國碳纖維(CFRP)加固修復技術研究應用現狀與展望［J］.工業建筑，2000(30):72-77.

［5］劉春城.CFRP復合材料在土木工程中的應用現狀［J］.北華大學學報，2003(4):56-58.