碳纖維筋在危橋加固中的應(yīng)用

劉　宇

(云南省交通科學(xué)研究院，云南 昆明　650011)

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碳纖維筋在危橋加固中的應(yīng)用

劉宇

(云南省交通科學(xué)研究院，云南 昆明650011)

摘要：碳纖維筋橋梁加固是一項新的應(yīng)用外粘高性能碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，碳纖維筋與高強(qiáng)聚合物砂漿的聯(lián)合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強(qiáng)度、聚合物砂漿的快凝強(qiáng)度和砂漿與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫縮模量的近似特性，提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，達(dá)到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用，提升橋梁加固結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：碳纖維筋；橋梁加固；應(yīng)用

在工程應(yīng)用研究方面，重點研究碳纖維片材(碳纖維布/碳纖維板之總稱)。在90年代由國家課題支持開展碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)(包括橋梁、隧道、水利設(shè)施和房建結(jié)構(gòu))，取得了應(yīng)用成果并得到廣泛推廣。2003年由中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146：2003)，作為指導(dǎo)性文件提供了設(shè)計施工和質(zhì)量檢驗依據(jù)。而碳纖維片材用于橋梁加固技術(shù)是目前應(yīng)用較為普遍的技術(shù)之一，其十幾年來的應(yīng)用為橋梁加固事業(yè)作出了歷史性的貢獻(xiàn)。

針對傳統(tǒng)橋梁加固改造工程中所存在不足，諸如：因采用的加固材料(如鋼板/纖維布)溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，不能形成同步的溫縮變形狀態(tài)，影響加固耐久性；采用鋼材加固增加防銹處理等后期維護(hù)投入；以及采取增大截面法，結(jié)構(gòu)面會留下不和諧修補(bǔ)“傷疤”，影響結(jié)構(gòu)外觀和技術(shù)狀況評價等問題，碳纖維筋橋梁加固是一項新的應(yīng)用外粘高性能碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，主要形式包括“嵌入植筋加強(qiáng)法”和“體外配筋擴(kuò)大截面增強(qiáng)法”。碳纖維筋與高強(qiáng)聚合物砂漿的聯(lián)合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強(qiáng)度、聚合物砂漿的快凝強(qiáng)度和砂漿與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫縮模量的近似特性，既可提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，也可充分利用新材料環(huán)境特征，達(dá)到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用。

碳纖維筋為棒型材料，主要成分為由碳元素制成的特種纖維，通過特殊技術(shù)處理與石榴石黏結(jié)而成。碳纖維分子結(jié)構(gòu)界于石墨和金剛石之間，含碳體積分?jǐn)?shù)在0.9以上。碳纖維根據(jù)原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基3種，由原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。根據(jù)碳纖維原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基3種。目前，PAN碳纖維按力學(xué)性能又分為高模量、超高模量、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種；按用途可分為宇航級小絲束碳纖維和工業(yè)級大絲束碳纖維，其中小絲束以1K、3K、6K、12K和24K(1K為1 000根長絲單位重量)，大絲束為48K以上，包括60K、120K、360K、480K等。

碳纖維筋的主要性能：(1)質(zhì)量輕(相當(dāng)于鋼密度的1/5)；(3)強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度是鋼筋的7～10倍)；(3)密度小(1.5～2 g/cm3)；(4)彈性模量高(彈性回復(fù)100%)；(5)熱膨脹系數(shù)小，耐高溫和低溫性好；(6)耐酸性好，對酸呈惰性，耐濃酸侵蝕；(7)表面灌注石榴石，與砂漿附著力強(qiáng)。

聚合物砂漿是由水泥、速凝添加劑、粉末狀聚合物、碎石與水等混合拌制而成，其粘結(jié)強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)與混凝土類似。

聚合物砂漿的主要特點：(1)黏附性好，與原結(jié)構(gòu)舊混凝土表面黏附良好，使纖維筋與原結(jié)構(gòu)共同受力；(2)穩(wěn)定性好，能有效抑制有害物質(zhì)的滲透和擴(kuò)散；(3)和易性好，利用快捷、速凝的功能特點，修繕結(jié)構(gòu)腐蝕表面，達(dá)到修舊如新。聚合物砂漿可以維修各種老化受損的混凝土表面。

橋梁作為公路交通的關(guān)鍵設(shè)施，具有跨越深谷、承受運載、通航泄洪、保證安全、連接路網(wǎng)的重要功能。目前，我國各級公路上營運的橋梁總數(shù)達(dá)60余萬座，總計3 000余萬延米

按橋梁設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對大中小類型的橋梁平均使用壽命測算，橋梁平均設(shè)計使用壽命在50年左右。全國年均需要改造翻新的橋梁約有10 000余座，合計約60余萬延米。以二級路為例，每年國家需要投入的橋梁改造費用上百億人民幣，這是一筆巨大的投資。根據(jù)近10年危橋改造的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有重交通組成作用下的橋梁使用壽命平均在33年之內(nèi)，部分路段橋梁的使用壽命甚至更短。如何更有效的延長橋梁的使用壽命、如何更有效的提高危險橋梁的改造利用技術(shù)、如何將加固后的橋梁變得更持久，是當(dāng)前橋梁管理中面臨且急需解決的問題。

面對當(dāng)前大規(guī)模的橋梁改造任務(wù)，各級橋梁管理部門都十分重視其處理效果，近年來積極研究和尋求有效的維修加固新技術(shù)，但這并不是一件容易的事情，目前在橋梁加固改造中常采用的技術(shù)還是十幾年前的研究成果，主要方法如：“帖鋼板加固法”、“擴(kuò)大截面加固法”、“體外(內(nèi))預(yù)應(yīng)力加固法”、“帖碳纖維布加固法”等，這些材料技術(shù)為輕交通狀態(tài)下的橋梁加固做出過貢獻(xiàn)。隨著近幾年重交通的發(fā)展和擴(kuò)散，現(xiàn)有橋梁的加固材料和工藝技術(shù)在適應(yīng)性方面面臨巨大挑戰(zhàn)。一方面是目前所使用的加固材料(如鋼板/纖維布)其溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，造成加固后的補(bǔ)強(qiáng)材料與原結(jié)構(gòu)的溫縮變形差異化，形成不同步的溫縮變形狀態(tài)，影響加固耐久；另一方面當(dāng)前加固中為提高結(jié)構(gòu)受力的高強(qiáng)材料仍然采用鋼材，因鋼材有防銹處理的要求，這樣就增大了后期的維護(hù)投入，在結(jié)構(gòu)層面上需要增設(shè)3 cm以上厚度的防銹保護(hù)，造成自重增加，影響使用效果；此外，在增大截面法中，因材料強(qiáng)度因素，需要增厚自重增加，影響結(jié)構(gòu)受力和加固效果。現(xiàn)有加固材料和工藝中即便是解決了受力要求，但施工后的結(jié)構(gòu)面會留下不和諧修補(bǔ)“傷疤”，影響結(jié)構(gòu)外觀和技術(shù)狀況評價。

由此可見，研究和選擇一種高強(qiáng)、防腐蝕、經(jīng)濟(jì)、施工方便，且與鋼筋混凝土材料溫縮模量相一致的維修加固材料，達(dá)到理想的加固改造,且能提高橋梁的承載能力是十分迫切和必要的工作。

碳纖維筋橋梁加固技術(shù)為新材料新工藝應(yīng)用科學(xué)研究范疇，該技術(shù)適用廣泛、概念新異、高效耐久，為現(xiàn)有橋梁加固材料的替代產(chǎn)品，將積極推動我國舊橋加固技術(shù)的發(fā)展，解決困擾各級橋梁管理人員有關(guān)橋梁行駛安全的顧慮，大大提升結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

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收稿日期：2016-02-19

作者簡介：劉宇(1982-)，男，工程師。

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)06-0144-02

Application of carbon fiber reinforcement in the dangerous bridge strengthening

LIU Yu

(Yunnan Traffic Science Research Institute, Kunming, Yunnan 650000, China )

Abstract:Carbon fiber reinforced concrete bridge is a new technology, which is used to improve the tensile strength of fiber reinforced concrete, and to improve the bearing capacity of reinforced concrete structure, and to improve the safety of the bridge structure in the field of maintenance.

Keywords:carbon fiber reinforcement; bridge strengthening; application