碳纖維加固技術在橋梁施工中的應用

摘要：碳纖維作為一種新型的高強度復合材料，因其具有質輕、耐腐蝕、片材薄、抗拉強度高、現場粘貼無需重型設備、能有效地封閉混凝土的裂縫以及易施工操作方便等優點，在加固橋梁時能很好地提高橋梁的結構承載力而被廣泛應用。在本文中，首先從碳纖維加固技術特點及其在橋梁工程中的應用入手分析，從而著重論述了其在加固橋梁時的施工要點，最后僅就碳纖維在加固橋梁時的施工注意事項進行了補充，以更好地促進碳纖維加固技術在橋梁工程中的應用。

關鍵詞：碳纖維；橋梁加固；施工技術；應用

1 前言

碳纖維又稱高強度復合材料（Carbon Fiber Reinforced Piastics）CFRP，它加固修補混凝土結構技術是利用對混凝土有很強的滲透性和足夠的粘結強度的樹脂，將碳纖維布粘貼于混凝土表面，使兩者共同工作，提高結構構件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達到對建筑物加固、補強的目的。由于它具有質量輕、減震性能好、現場粘貼無需重型設備、優良的耐化學腐蝕性、能有效地封閉混凝土的裂縫以及易施工操作方便等優點，在橋梁結構加固中得到了較為廣泛的應用。已有的研究結果表明，采用碳纖維加固橋梁可有效的恢復與提高橋梁結構的承載力。

當前，隨著我國交通事業的不斷發展，我國20世紀中后期建造的大部分橋梁開始進入了大修期，而采用加固技術對橋梁進行加固，恢復和提高舊橋的承載力和通行力也就成了維修的重點。而縱觀一些常用的加固技術，如粘貼鋼板加固法、體外施加預應力等，其在一定程度上會破壞原橋的結構。而相對于這些加固技術，碳纖維加固法因其所具有的優點，開始被廣泛應用于橋梁的加固工程中。

2 碳纖維加固技術的特點及其在橋梁工程中的應用

2.1碳纖維加固技術的特點

1.采用碳纖維加固法方便快捷，不需要使用大型加固機具，效率高，施工速度快，所需工作面小。因而在作業空間受限時，該優點更是其他加固方法無法比擬的。

2.將碳纖維布粘貼在混凝土表面，可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，其高強高模量的特性還延緩或消除裂縫的生成和擴展，延長結構的使用壽命。

3.采用碳纖維布進行加固，不用打孔，無須設置錨固螺栓及開鑿混凝土，因而不會對原結構造成新的損傷。

4.碳纖維布的自重僅為200-300g/m2，設計厚度為0.111-0.167mm，加上樹脂系列的粘結材料的自重也很輕，對整個結構重量及橋下凈空的影響是微乎其微。由于碳纖維布的厚度很薄，在粘貼固化后還可以涂刷一層與原結構顏色一致的涂料，因此應用于橋梁加固后不改變原有斷面的大小和形狀，外表輕巧美觀。

5.經濟耐用，加固效果好，不需要后期進行維修。

6.由于碳纖維材料本身抗疲勞性能優異，用碳纖維布加固的混凝土結構的抗疲勞性能將會提高。

7.碳纖維布是一種復合材料，幾乎無腐蝕性和磁性以及其有較好的耐熱性，抗腐蝕性強，應用面廣，加固后的構件不僅經得起水泥堿性的侵蝕，同時也適用于經常受鹽害侵蝕等腐蝕性的環境，因而可以說碳纖維加固法可以應用于各種復雜工作環境中的構件加固。

8.碳纖維材料糙率低于混凝土表面糙率，在加固段可以提高水流的通過能力。

9.提高加固構件的抗滲能力和抗沖刷能力。

2.2碳纖維材料在橋梁工程中的應用

20世紀80年代末到90年代初，日本開始進行了碳纖維材料用于結構加固修補的研究，也是世界上最早采用碳纖維布進行橋梁加固的國家之一。隨后，碳纖維加固技術開始在韓國、美國、歐洲、等國家得到了迅速的發展和應用。相對于美國、德國、日本等國家，我國對碳纖維加固橋梁技術的研究起步較晚。

碳纖維材料不僅可以用于橋梁上部結構的加固，也可以用于橋梁下部結構——墩臺的加固，即在橋墩外面纏繞纖維，使橋墩的強度及受力狀態得到明顯改善，從而提高橋墩的承載能力。在進行加固時，可以將碳纖維布粘貼在混凝土梁的頂板、底板上，用于提高梁的剛度；也可以將其粘貼在混凝土梁的腹板上，用于提高梁的抗剪強度。

3 橋梁施工中碳纖維加固技術的施工要點

3.1表面處理

1.為了使加固時粘合劑和碳纖維更好地連接，在進行碳纖維的加固前可用人工鑿除法、氣動工具鑿除法或高速射水法將加固部位表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土清除干凈，露出混凝土結構層.并用修復材料將表面修復平整，確保施工面一定保持無雜物附著、無凹凸不平區域、無松散材料等。

2.按設計要求，應對橋梁的裂縫進行灌縫或封閉處理。然后待灌縫結束后將混凝土表面打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質。3.在橋梁轉角處等較為復雜的部位時，在進行表面處理時應將其菱角部位處理并打磨成圓弧狀，使其成為光滑的圓弧狀。一般，要求處理后其圓弧半徑不應小于2Omm。最后混凝土表面應清理干凈并保持干燥。

3.2涂刷底層樹脂

1.應按產品生產廠提供的工藝規定配制底層樹脂。在配制樹脂時應按產品使用說明規定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內不得有油污及雜質。

2.由于底層樹脂的性質容易受到環境、溫度等因素的影響，因此在配制時應根據現場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。

3.在涂刷底層樹脂時，應采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待其表面指觸干燥后，即可進行下一工序的施工。

3.3找平處理

應對混凝土表面凹陷部位用找平材料填補平整，不應有棱角。轉角處應采用找平材料修理成為光滑的圓弧，半徑不應小于20mm。待找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。

3.4粘貼碳纖維布

1.在粘貼碳纖維布前，應根據工程的設計要求，對施工基面的寬度及大小進行準確測量，要求其沿纖維受力方向的搭接長度不應小于1O0mm。這樣，即可準確地裁剪碳纖維布，也可避免在粘貼時出現基面裸露、表面褶皺或邊緣翹起等現象。

2.按工藝規定的配比將主劑和硬化劑放入拌合桶內進行配制浸漬樹脂，在拌合時使用電動攪拌機進行拌合，要求兩種材料要均勻拌合2min以上。待浸漬樹脂配制好后即可均勻涂抹于粘貼部位。

3.碳纖維的選取要符合表1中性能指標的要求，具體見表1。

表1碳纖維布主要力學性能指標

性能碳纖維布

抗拉強度標準值fck（MPa）≥3000

彈性模量（MPa）≥2.1×105

延伸率（%）≥1.4

注：單層碳纖維布纖維單位面積質量不宜小于150g/m2，不宜高于400g/m2。

4.將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，采用專用的帶肋式滾刷順纖維方向反復多次滾壓，使碳纖維布和浸漬樹脂充分融合，擠除布內的氣泡，同時在滾壓時不得損傷碳纖維布。

5.當采用多條或多層碳纖維布加固時，各條或各層碳纖維布的搭接位置宜相互錯開。

3.5表面防護

1.粘貼完碳纖維布且成型后，考慮到其后期的使用壽命和保養等問題，根據工程的具體要求可在其表面人工涂抹保護涂料。如需要單純的防止風于、延緩老化，需在碳纖維布的表面涂抹防曬漆；如果需要提高其防火性能，則需在其表面均勻涂上一層防火漆，避免高溫損傷。一般，防護涂料應涂抹20-30mm厚。

2.在涂抹保護涂料時，要求涂料顏色與板底混凝土顏色一致，涂抹前應將表面清理干凈，保證粘貼完碳纖維布的梁底美觀。

4 碳纖維布加固時的施工注意事項

4.1在表面處理和粘貼碳纖維布前應按加固設計部位放線定位。

4.2碳纖維布配套樹脂的原料應密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。

4.3在進行混凝土病害部位的清理時，要注意不要損傷梁體原有鋼筋（尤其是主筋）。

4.4碳纖維為導電材料，使用時應盡量原理氣設備及電源。

4.5碳纖維布粘貼完畢后24小時內嚴禁擾動，達到加固效果后嚴禁對碳纖維有任何的人為損傷。

4.6碳纖維布施工時宜在5℃以上環境溫度條件下進行；當環境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

4.7在進行碳纖維布施工時必須要穿戴保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。

5 結束語

當前，隨著我國經濟建設的快速發展，交通量急劇增加，大部分橋梁結構經常處于超負荷的工作狀態，橋梁老化速度明顯加快，橋梁結構的損害情況也日益增加，這就使得橋梁維修加固的工作日益繁重。在幾種加固橋梁的技術中，很多在維修過程中會破壞橋梁的現有結構，或者是有些對施工場地有特別的要求。而采用碳纖維進行橋梁的加固，其可很好地避免其他幾種加固技術的缺點，提高橋梁的加固質量和效率，因此在我國橋梁的維修加固中得到了廣泛的應用。但隨著碳纖維加固技術的大量應用，希望工作在第一線的橋梁工程師們和施工人員可以根據實際的工作經驗，進一步了解這種加固技術的優缺點，進一步完善其在橋梁加固中的應用。相信隨著我國橋梁建設的不斷發展，碳纖維加固技術會有更好的發展潛力。

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