碳纖維加固技術在橋梁施工中的應用

王 素 芹

(山西省晉中路橋建設集團有限公司,山西 晉中 030600)

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碳纖維加固技術在橋梁施工中的應用

王 素 芹

(山西省晉中路橋建設集團有限公司,山西 晉中 030600)

介紹了碳纖維材料的特點與加固技術原理，從施工準備、斷截面修復、底層處理等方面，闡述了碳纖維加固技術的施工工序，總結了碳纖維技術在應用中的注意事項，指出碳纖維加固技術具有自重輕、柔韌性好、綠色環保等優勢，應用前景廣闊。

碳纖維，加固技術，橋梁，粘貼處理

1 碳纖維加固技術概述

1.1 碳纖維材料特點

碳纖維材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，在現代橋梁建筑工程應用中很常見。碳纖維加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者協同工作，提高結構構件的(抗彎、抗剪)承載能力，由此達到對建筑物進行加固、補強的目的[1]?；蛘咭部梢哉f，碳纖維加固技術作為一種新型高效的加固技術，通過在構件表面粘貼碳纖維材料，使其與混凝土牢固地結合在一起，可以改善受力性能，達到加固結構，提高承載力和抗震性的目的。

這種碳纖維加固技術之所以被廣泛應用也是因為碳纖維材料自身具備鮮明的優勢。比如，碳纖維抗限抗拉強度非常大，約為鋼材的10倍，在提高混凝土結構及構件承載能力以及延性方面性能較好；再者，由于碳纖維材料化學性質非常穩定，加上熱膨脹系數小，在粘鋼加固后也可以杜絕化學腐蝕問題，具有較好的抗腐抗耐性，對結構的負面影響小，也有利于施工質量的保障，同時節省了不必要的維護費用。碳纖維加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。

1.2 碳纖維加固技術原理

簡單地說，碳纖維加固技術的工作原理是：將碳纖維制作成碳纖維布，結合損害建筑構件的受力相關因素，采用一定的方法將其附著在建筑構件的表面，從而分散其受力，實現加固效果。首先，在碳纖維加固技術中需要使用到碳纖維布和粘結材料，由于兩者的作用和特點不同，在制作的過程中需要將其兩者形成一個完美的整體，如此可以增強其穩定性，有效地規避單根纖維在強力作用下出現的斷裂問題。其次，碳纖維布韌性高，負載拉力強，而且受到外力作用變化小，粘合材料在受力傳遞上容易受外界作用力較大的影響，為避免碳纖維與建筑構件在外作用力下出現剝離，粘合材料需要非常高的韌性指標和強度。它是一種技術創新，由于傳統的加固方式往往是被動受力的，而預應力碳纖維板加固技術是主動受力，碳纖維板所施加的預應力通過張拉錨固端和碳板膠共同作用并均勻有效地傳遞至梁體，提升了構件的承載力，同時減少撓度變形，或封閉構件裂縫，從而提高構件的剛度，改善使用階段的性能。

2 碳纖維材料在橋梁施工中的應用

2.1 碳纖維加固技術應用前景

早期，混凝土橋梁的技術在歐洲已經得到了廣泛的應用，隨后美國、加拿大、日本等國還加強了對碳纖維板的深入研究。而我國在20世紀90年代中期才開始這方面的研究，并逐步推廣應用于公路混凝土橋梁施工。碳纖維材料的質量非常輕，碳纖維加固技術在沒有重型設備的情況下，也可以輕便地實現施工，大大降低了高空作業的難度。相比較傳統的水泥混凝土公路橋梁加固方法，碳纖維加固技術在對橋梁進行維修時非常便捷，不需要顧慮視覺檢測、橋梁現場加固狀態評估以及設計方面的要求就可以實現修復工作。

就目前來看，國家在交通基礎設施的建設上投入了巨大的資源，交通部門計劃在現有的2.1萬億km公路建設投資規模(至2020年)的基礎上再增加大規模的投資，進一步加強公路、橋梁等骨干交通網絡的建設力度。一方面，大量的公路、橋梁、鐵路、城市軌道交通等正以前所未有的速度得到建設，城市化與交通網絡化進程的發展速度正在不斷加快。另一方面，越來越多橋梁得到建設的同時，大量建于較早時期的舊橋其養護維修加固的工作正日益繁重。環境的侵蝕、材料的自然老化、車輛荷載的提高以及超限車輛的普遍現象，造成許多舊橋已無法滿足安全運營的需要。為了合理的分配有限的公路建設資金，節省國家交通建設資源，挖掘在役舊橋的承載潛力，研究開發新型的橋梁加固技術與材料，并在病危舊橋的加固工程中合理的加以應用，恢復和提高舊橋的承載能力及通行能力迫在眉睫。但是，我國在碳纖維加固技術方面還處于起步的階段，與發達國家還存在著較大的差距。由于碳纖維材料多數是來自進口國家，為了降低成本，實現材料經濟效益的提升，在我國橋梁施工與修復中，還是采用了“加固為主”原則使用裂縫閉合方法開展作業。在粘結材料的使用上，采用了符合技術指標的碳纖維布與樹脂，用以降低成本。借此，結合我國基本國情發展的需要，相關科研部門針對我國橋梁、道路特點以及環境因素，加大了對于碳纖維應用指導性研究。伴隨碳纖維材料使用的專業性與系統性提升，未來該項技術應用前景可觀。

2.2 碳纖維技術應用注意事項

首先，由于我國碳纖維技術應用起步相對較晚，并且在碳纖維類產品方面產出較少，因此使用的材料進口較多，會加大施工的成本，故而為了確保施工的利潤，應當以加固為主同時使用綜合法[2]。其次，針對橋梁道路上使用過久的混凝土，應當注意現場施工環境的變化和相關的技術檢測評估，在粘貼碳纖維時配套使用環氧樹脂進行灌封。最后，碳纖維加固技術的應用雖然給我國的技術人員帶來了一定的便捷，但是，推動該技術的廣泛應用需要技術人員不斷積累經驗，形成系統化、專業化的知識體系。

2.3 碳纖維加固技術優勢

碳纖維加固技術有眾多的技術優勢，一是自重輕，厚度小，加固后基本不增加基體厚度；二是具備良好的柔韌性，適用于梁、柱、板、管道和墻體等各種形狀的構件；三是耐酸、堿、化學腐蝕，適用各種惡劣環境；四是施工便捷，施工周期短；五是無公害，符合綠色環保要求以及貯存壽命長，可操作期限長等。可見，此技術被廣泛普及應用是大勢所趨。

3 碳纖維加固技術施工工序

3.1 準備工作

在進行碳纖維加固技術施工之前需要進行很重要的準備工作。首先，針對需要進行加固作業的橋梁結構、特點、受力以及施工環境初步考察，然后做出合理的分析，并制定出相關的參數表，便于日后的施工材料甄選[3]。其次，通過工程量計算出碳纖維布以及樹脂等物資消耗的數量，施工所需的設備，施工技術人員等。最后，做好防護裝備的保護措施，比如防護眼鏡、防塵面具以及橡膠手套等質量達標的配備裝置，以及確保施工和技術人員的健康安全防范。

3.2 預先處理

在確認好橋梁需加固的部位后，為了使得碳纖維材料與粘合劑更好的銜接，需要對加固部位采取一定的處理措施。尤其是混凝土表面經過交通工具的軋損和外界惡劣環境的風蝕和腐蝕，損傷部位粉刷層掉落、風化、剝離現象嚴重。這樣一來，應當先對其進行仔細打磨，保障其表面的平滑度[4]；若是加固部位環境濕度偏大，則需要先對其進行風干處理才能確保與粘合劑的效果；同樣，當加固的橋面出現了嚴重的老化、松散等現象時也需要將其表面和邊緣清理干凈和圓滑?？傊?，所有需要進行施工加固的表面一定要無雜物、無凹凸區域、無松散雜物附著，這樣才能保障橋梁的原材料鋼筋與加固材料產生加強的握力。

3.3 斷截面修復

在處理加固部位時，表面、邊緣以及斷面層都是需要仔細清理的地方。將換掉的斷面層表面腐蝕和剝落除去后，混凝土里面的鋼筋會暴露，做好清潔工作后，用同等剛度的環氧樹脂砂漿進行修復，確保里邊的鋼筋未被腐蝕。若是斷面層的區域不大，或僅僅是較小的裂縫，在沒有出現漏水的情況下，則可以直接灌入環氧樹脂進行修復。反之，若是有漏水的情況出現，則需要先行處理漏水，而后再使用環氧樹脂填充修護。

3.4 底層處理

在底層處理上需要注意涂抹底膠和涂料的要求與細節。在涂抹底膠時需要按照技術工程的要求預先計算出物資的消耗量，然后適量制作出環氧基液，在底膠的性質尚未發生較大變化的時間內，做好基面清潔工作，確保底膠可以牢固粘結在其表面上，并且自然風干。若是底層處理采用的是涂料，則需要嚴格控制好環境因素，比如氣溫低于5 ℃,RH值大于95%或者是下雨天氣的環境下則不能使用涂料[5]；即便是正常情況下使用時，也需要保持施工空氣的通暢，杜絕煙火，施工人員護眼、護手等安全防護措施做好。

3.5 粘貼處理

由于橋梁加固施工的部位都具有一定的強度，在對其表面以及邊緣打磨的基礎上，還需要將表面浮動的混凝土材料先行鑿開，剔除后再進行浮塵的處理。鑿開的部位可以填充環氧砂漿等修補的材料。若是鑿開的空間相對較大，則可以在其區域內放張楔塊位置，仔細查看張拉螺栓、夾片、連接套、連接頭的連接情況，當徹底清理后，涂抹上適量的黃油進行鎖定。最后，在整理好鋼絞線后根據編號、連接筒進行連接，擰緊錨固螺栓。

4 結語

碳纖維加固技術伴隨著國內建筑行業的快速發展，未來在橋梁工程施工作業中將會得到普遍的應用。其中，預應力碳纖維板加固新技術在國內外各個重大的加固會議上均常被提及，但國內的實際運用比較少。作為一種重要的新型技術，技術施工人員需要給予高度的重視，同時克服技術難點，挖掘施工中的亮點，確保實際施工的質量，為該技術的普及應用奠定堅實的基礎。

[1] 李迎剛.碳纖維技術在現役超限橋梁施工中的應用[J].山西建筑,2013，39(9):189-190.

[2] 宋 琳.淺析碳纖維加固技術在橋梁結構施工中的應用[J].黑龍江交通科技,2013(5):137,139.

[3] 田樹斌.碳纖維加固技術在橋梁施工中的運用初探[J].科技視界,2014(15):300.

[4] 白 寧.碳纖維加固技術在橋梁預防性養護中的應用[J].山西建筑,2014，40(29):181-182.

[5] 閆立飛.淺析碳纖維加固技術在橋梁結構施工中的應用[J].科技與企業,2015(16):137.

On application of carbon fiber consolidation technique in bridge construction

Wang Suqin

(ShanxiJinzhongRoadandBridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper introduces the features and consolidation technical principle for the carbon fiber materials, illustrates the construction procedure of the carbon fiber consolidation technique from the construction preparation, section maintenance, and base treatment, sums up the precautions in the application of the carbon fiber, and points out the technique is featured with light gravity, better flexibility, and green environment protection, so it has better application.

carbon fiber, consolidation technique, bridge, bonding treatment

1009-6825(2016)20-0158-02

2016-05-06

王素芹(1978- ),女,工程師

U445.72

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