試論碳纖維材料在橋梁維修加固中的應用

林春茂

（廣東省南粵交通投資建設有限公司揭惠高速公路管理中心廣東揭陽　515300）

試論碳纖維材料在橋梁維修加固中的應用

林春茂

（廣東省南粵交通投資建設有限公司揭惠高速公路管理中心廣東揭陽515300）

從20世紀70年代開始，歐洲最開始將纖維材料使用在土木工程中，比強度和必剛度等都是極好的，現在已經被廣泛用于混凝土結構中，逐漸形成了原有混凝土橋梁施工與纖維材料相結合的新技術。本文圍繞以上內容對橋梁維修加固中碳纖維材料的應用展開進一步分析。

碳纖維材料；橋梁；維修加固

近年來因為受到多種因素的影響，現已建成的混凝土橋梁結構中已經出現了各種問題，這些問題中不乏一些事因為承載能力不足導致的，這些出現問題的混凝土橋梁中，多數通過改造可以使其結構受力性能得到提高，進而重新將其投入使用始終。在公路混凝土橋梁施工過程中經常使用粘貼鋼板法，這種方法一般是通過環氧樹脂或者專門結構膠將鋼板直接粘貼在混凝土構件表面的，這樣一來它們就會成為一個受力整體，使橋梁維修加固的效果更強。

1　材料基本特性

使用碳纖維材料補強加固的材料是高彈性或者高強度模量的連續碳纖維，將其單向排列成束，然后使用碳纖維或者沒有經過樹脂浸漬固話的碳纖維布，最后形成的就是碳纖維布。通過對片材專門制成的浸漬樹脂或粘貼樹脂的利用，將其加固在部件的表面，然后經過樹脂固化之后與原構件二者形成一種新的受力復合體。

1.1碳纖維片材

就片材碳纖維材料本身來說，其拉伸強度在2400～3600MPa之間，與普通碳素鋼板（240MPa）相比，拉伸強度要高很多。這種材料的彈性模量以為內片材的力學性能不同，可以將其分為三個不同的種類：即高模量、高強度以及中等模量，其中的高模量種類彈性模量更高，但是其伸長率卻是較低的。與普通材料相比，碳纖維的單位重量要低很多，這直接說明了碳纖維片材是比較輕的，值得一提的是，碳纖維本身存在比較穩定的化學結構，同時不會受到各種化學介質和酸堿鹽的腐蝕，此外，還具有非常好的耐熱性和耐寒性。

1.2配套樹脂類粘結材料

這種配套樹脂系統系統主要包括：①底層涂料，這種材料用在混凝土表面，通過粘結形成一種長期的界面基礎；②油灰主要用于對整個表面空隙進行填充，進而形成一個平整的表面，使得碳纖維材料的使用更加方便；③浸漬樹脂主要用于碳纖維布粘貼，粘結樹脂主要用于碳纖維板粘貼。使用這兩種材料的目的在于粘結碳纖維片和混凝土構件，使二者形成一個統一的整體，進而共同參與工作。所以樹脂與混凝土粘貼的強度要比混凝土的剪切強度以及拉伸強度高很多。針對碳纖維片材加固技術在公路混凝土橋梁工程中的應用來說，在不同施工環境溫度之下，環氧樹脂的固化性能都具有十分重要的意義，這主要與粘貼工作量和橋梁交通的中斷時間有關。在公路混凝土橋梁使用環氧樹脂材料，施工表面溫度保持在10～40℃時，它的固化時間大于15h，粘貼之后可以對其使用的實踐大于45min，同時環氧樹脂材料的各種性能均能與混凝土橋梁加固工作相適應。

2　碳纖維片材加固的形式

碳纖維片材主要的用途是加固補強混凝土橋梁基本節點與構件，以期通過碳纖維片材的使用達到提高構件抗剪承載力、抗彎承載力以及受壓構件軸向抗壓承載力，同時提高構件的延性和構件的剛度。同時通過大量現場試驗證明，通過碳纖維片材對混凝土構件進行加固，其裂縫寬度等問題均可以得到有效控制。因為碳纖維片材的質量輕切薄，同時柔度也比較好，所以在混凝土橋中相關部位的應用也比較靈活，因為碳纖維片材的碳纖維排列方向不同，同時拉伸強度也不同，一旦出現了碳纖維片材纖維向與受力方向相同，那么它的拉伸強度便是最高的，相反的，如果兩個方向之間垂直，那么它的強度便是最低的。由此來看，通過碳纖維片材對公路橋梁進行加固設計時，一定要對纖維布的布置方向進行正確掌握。同時結合混凝土構件加固的計算，可以通過條帶件或者連續式粘貼碳纖維片材的方式進行。大量實驗研究表明，其中分條加固的效果遠比整條布的加固效果要好的多。

3　粘貼碳纖維加固技術分析

3.1面層處理

存在于混凝土表面的游離石灰、粉刷層等劣化層必須通過砂輪機去除并研磨，通過空氣噴嘴等去除砂輪機與毛刷之間待補強的粉塵以及松動物質，用水將其洗凈之后，對其進行充分的干燥。

3.2斷面修復

清除混凝土面層的孔隙、腐蝕等不良部分，如果存在鋼筋外露的情形，一定要對其進行良好的腐蝕處理，然后用環氧樹脂砂將材料（強度大于或者等于混凝土）進行修補。裂縫應用用環氧樹脂進行灌注，裂縫的部分如果存在漏水的情形，應在第一時間將止水和導水等處理工作做好。

3.3表面修正

表面平整度凸出部分應該用砂輪機或者切割機將其鏟除，而凹陷部分應該用環氧樹脂對其繼續擰填充，在轉角處將其研磨至凸角為R=20mm以上，而凹角則用樹脂砂漿對其進行填補。

3.4底層涂料

在溫度小于5℃的雨天，或者在RH大于95%時是不能展開施工的，一旦施工環境的濕度和溫度均得到確認之后，可以選用適當的底層涂料進行施工，同時應保證施工現場空氣暢通，在施工過程中施工人員應穿戴口罩、橡膠手套等保護性裝備。

3.5粘貼碳纖維片材

按照設計的尺寸將纖維貼片的大小裁好，將其長度和尺寸保持在2m的范圍之內，為了避免碳纖維片材在保管期間出現破損，同時應注意裁剪的數量僅供需要使用的數量則可。施工過程中應通過指觸的方式對施工面底漆的干燥程度進行確認，如果施工實踐大于1星期，則應通過砂輪機對其進行磨平。

將環氧樹脂硬化劑與主劑按照規定進行配比，讓其放在拌合桶中，使用電動攪拌機對其進行攪拌2min，攪拌一次使用的量僅供使用即可，一旦超過可使用的量則不可使用。用毛刷滾輪將環氧樹脂平均涂布底漆上，涂布的量應結合施工面粗糙程度而改變，同時應注意在轉角的部分多涂。將強化纖維粘貼在樹脂涂布面上之后，就可以用橡皮刮刀和毛刷滾輪順著纖維的方向將其推平，去除樹脂浸透中的氣泡，保證纖維方向的搭接長度可以保證10cm，如果短一點則不必使用，粘貼之后將其放置30min，如果有纖維浮出或者脫線等情形出現，可以用滾輪或者險僻刮刀將其壓平修正。指的注意的是，施工現場一定要保證空氣暢通，嚴禁煙火，在施工過程中一定要穿戴口罩、橡皮手套等保護性裝備。

4　結語

綜上所述，現階段我國多數工程中已經開始使用碳纖維片材和配套樹脂類粘結材料，但是絕大多數材料均以國外進口為主，顯少使用國產產品，這主要是由于國產產品與相關技術指標還存在一定差距，但是進口材料單價比較高，這一點往往會對技術與經濟決策造成影響，因此應該通過先進技術提高國產產品質量，同時加強加固效果，使橋梁的經濟性和正常運營效益得到保證。

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1673-0038（2015）03-0152-02

2015-1-5

林春茂（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事工程管理工作。