淺談碳纖維材料在橋梁加固的應用

葉雄

【摘要】本文首先對碳纖維材料結構加固技術作一些簡介，然后結合工程實例，對碳纖維材料在橋梁加固的應用談一些看法。

【關鍵詞】碳纖維材料 橋梁 加固 應用

碳纖維質輕高強、耐腐蝕、抗老化，有著優異的力學性能。用其加固補強混凝土結構施工簡單便捷，在橋梁維修加固中得到廣泛的應用。本文結合工程實例，對碳纖維材料在橋梁加固的應用談一些看法。

一、碳纖維材料結構加固技術簡介

1、碳纖維材料特性

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區。碳纖維材料具有優異的物理力學性能。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用極少的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強度標準值應大于3000Mpa，彈性模量大于2.1×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想最大限度地發揮材料自身的優勢，適宜將C（RP材料作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件，特別適用于純受拉構件，工程實踐也證明了這一點。

2、碳纖維材料加固的原理

用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到加固的目的。

3、碳纖維補強技術的特點及優越性

（1）優異的力學性能，可有效用于多種形式的結構補強，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風，控制裂縫及撓度的擴展。

（2）優異的化學穩定性。碳纖維布具有極強的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強結構對惡劣外部環境的適應能力，延長結構壽命。

（3）材料本身質輕高強。可以不增加結構體積和不改變結構外型。增加的結構重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂裝，而不留補強痕跡。

二、在橋梁加固工程的應用

1、工程概況

某公路橋梁為一座東西走向的三跨普通鋼筋混凝土簡支板梁橋，跨徑組合10m+10m+10m，為正交橋梁。該橋梁于上世紀90年代拓寬改建，中幅為老橋，南、北兩幅為拓寬新橋。由車流量較大，且通過該橋的超載車輛較多，導致橋梁的主要病害為橋面鋪裝縱、橫向裂縫，混凝土破損、露筋嚴重，局部修補后又出現破損、露筋。已有單梁受力傾向，威脅橋梁運營安全，因此對本橋梁采用碳纖維加固技術對橋梁的板梁進行加固。

2、施工技術要點

（1）加固材料性能。加固材料的選擇需滿足規范對材料強度的基本要求，并且應有較好的強度儲備，并能滿足耐久性等要求。具體主要包括以下要求：

①材料強度高：抗拉強度≥3400N/mm2，安全儲備充足。

②材料延伸率高：高于1.5%，材料韌性好。

③耐久性好：配套樹脂應經過《機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗方法》GB/T14522-93規定環境條件的2000h加速老化試驗，試驗結果應滿足《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》（CECS146：2003）中要求。

（2）基層表面處理及修復。

①根據不同情況對缺陷處進行修復和處理：裂縫寬度>0.2mm時，應采用壓力灌注、封閉處理；對松動的混凝土表面則將浮層鑿去；裸露鋼筋進行除銹處理，再用修補砂漿進行修補。

②要求清除表面的浮漿、油污、木屑等所有雜質，除去表面2-3mm厚的砂漿層，直至露出堅實的骨料。表面層打磨后應用強力鼓風機或吸塵器將表面灰塵徹底清除。

（3）材料準備。

①現場根據圖紙下料，對加固碳纖維布的規格、長度、寬度、厚度進行核查。應注意布的兩端是否寬度一致。

②施工前應檢查所用粘結劑是否與提供的材料產品說明書相符，使用材料是否過期。

③粘結劑的攪拌應按產品說明書中規定的配比，A組分：B組分=3：1，采用天平稱量并置于容器中，用攪拌器攪拌至色澤均勻。

④粘結劑攪拌時，應嚴格防止異物落入粘結劑內，應遠離正在進行混凝土基層打磨現場或采取嚴密防塵措施避免灰塵落入，粘結劑內不得添加其它溶劑。

（4）找平處理。

①應對混凝土表面凹陷部分用找平材料填補平整，避免棱角。

②宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序施工。

（5）粘貼碳纖維片材。

①攪拌充分的粘結劑應均勻涂刷到混凝土基層表面。

②粘貼前，再次按設計圖要求對加固區域進行定位確認，注意碳纖維的搭接要求，必要時放線。

③將碳纖維布用手輕壓于需粘貼的位置，采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。粘貼碳纖維布涂刷浸漬樹脂擠出氣泡。

④多層粘貼時，應在下層粘結劑達到指觸干燥時及時進行上一層的粘貼。如間隔超過60分鐘，則需等待12小時后，才可粘貼下一層。

⑤粘結劑的固化，一般在常溫下即可。對于粘貼好的碳纖維布在24小時內，嚴禁擾動。

（6）檢查驗收。施工結束后驗收時，以評定碳纖維布與混凝土之間的粘接質量為主，用小錘等工具輕敲擊碳纖維布表面，以回聲來判斷粘接效果，若出現空鼓等粘帖不實現象，用針管注膠進行補救。

3、施工應注意的問題

（1）施工中周圍溫度必須高于結露點3℃以上，否則需要用紅外線等加熱施工面。

（2）在粘貼碳纖維布之前，必須對混凝土表面的劣化層予以清除，并用吹風機吹凈，露出干凈、堅實的基面；對出現急劇凹陷或構件缺損的部位，應用環氧樹脂砂漿等材料填補修復平整或圓滑順暢過渡。

（3）對混凝土表面尖銳凸起部位，應用混凝土磨片角磨機磨平，并進行倒角處理，打磨至圓滑（R≥30mm）。

（4）底層樹脂用量必須根據碳布面積計算，應保證用膠量>1.2kg/m2，確保在適用期內一次用完，不允許使用時間拌和較長的材料。

（5）攪拌需采用低速電鉆（最大500rpm轉/分），攪拌時間需達到3分鐘，直至所有顏色條帶消失，隨后將這個混合物倒入一干凈容器中，再次低速攪拌約1分鐘。

（6）在打磨底層樹脂時，注意不能把底層樹脂層打磨穿，如有此種情況發生，必須重新進行清理、涂底層樹脂。

（7）嚴格控制粘結膠涂布面應不小于所粘貼的碳纖維布大小。

（8）按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布，注意不要在幅寬方向進行裁剪。

（9）在粘貼時，用膠輥在碳纖維布上沿碳纖維布方向施加壓力并反復碾壓，使樹脂膠液充分浸漬粘貼碳纖維布，消除氣泡和除去多余樹脂，使碳纖維布和底層充分粘接。

（10）粘貼施工結束后，等待粘結膠固化，應再次對所貼碳纖維布仔細檢查，如果貼層有空鼓或氣泡，可以用刀片將碳纖維布劃開（注意不要劃斷太長），然后采用注射器針管將調制好的粘結膠注入空鼓或氣泡內填充至密實；如果發生大面積此種情況，必須按照施工工藝重新從頭施工。

三、結束語

總之，碳纖維質輕高強、耐腐蝕、抗老化，有著優異的力學性能。用其加固補強混凝土結構施工簡單便捷，在橋梁維修加固中得到廣泛的應用。

參考文獻：

1、陸慶榮，淺談碳纖維在橋梁加固中的應用，《技術與市場》2010年第10期