橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術

張為民

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，廣東佛山528247)

大量應用實例表明，在橋梁結構裂縫處理中應用碳纖維加固技術，既能有效提升橋梁結構的承載力，而且很大程度上也能降低橋梁結構裂縫加固處理的成本。但我國對此方面的研究還有待進一步深入，因此本文基于工程實例，對橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術做了如下研究。

一、案例分析

佛(山)江(門)高速公路和順至陳村段起點位于佛山市南海區里水鎮，與珠二環交叉處的南海區與花都區的行政邊界上，同規劃的紅棉大道對接；終點位于順德區陳村鎮，與廣明高速陳村互通對接。設計速度為100km/h,雙向八車道高速公路標準。

本標段路線起點樁號為K22+100，終點樁號為K31+300，路線全長9.2km。本標段含廣佛新干線立交、海八路立交、海五路立交等。在2016年6月發現海八路立交上兩片板之間有大量橫向裂縫，裂縫寬度在1.2～3.5mm，為控制裂縫繼續發展，采用沿板縱向通長粘貼碳纖維片，以達到受彎構件受拉區不強的目的。通過查閱該橋梁的設計荷載，根據裂縫實際情況、碳纖維片抗拉試驗結果的綜合因素，確定碳纖維片粘貼三層，并用環氧樹脂進行灌漿，以控制裂縫繼續發展，到2017年6月裂縫明顯得到控制，同時沒有發生新的裂縫。

二、橋梁結構裂縫分析

研究表明，導致橋梁結構裂縫產生的原因有很多，為保證橋梁結構的穩定性，就必須明確造成裂縫產生的主要原因，才能為加固和處理方案的制定提供真實有效的參考依據。橋梁結構裂縫產生的原因主要體現在以下幾個方面：

（一）實際荷載超過設計荷載

橋梁在使用過程中，如果行駛車輛超過橋梁的設計荷載，則會產生結構裂縫。通常情況下，在橋梁設計時難以對多種情況的發生進行全方位考慮。比如：如果在鋼筋材料選擇時沒有充分考慮鋼筋的剛度和韌性，或者在施工前沒有該橋梁車輛通行情況進行調查，就很難行之有效地對橋梁結構設計進行全面控制，造成橋梁在使用時超過設計荷載的車輛通過，就會導致橋梁發生結構裂縫。

（二）溫度變化引發的裂縫

在橋梁工程施工時，需要澆筑多層混凝土才能保證橋梁質量。在澆筑過程中，沒有采取一系列放松約束的措施，而是直接把新混凝土澆筑到原有混凝土表面上，就會造成增加混凝土內部溫度，在混凝土層和層之間就會產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土韌性的臨界值時，就會形成裂縫。而且此種裂縫比較深，如果不進行及時處理，會對橋梁結構整體穩定性造成嚴重影響。

（三）混凝土自身收縮產生的裂縫

由于混凝土存在水化反應，在凝固過程中會發生收縮，從而形成相應的收縮應力，當收縮應力超過混凝土自身強度時就會產生裂縫。而且混凝土配比不同，產生的收縮量也不盡相同，在外界溫度、濕度等因素的影響下就會產生不同程度的變形，從而導致橋梁結構發生裂縫。

（四）地基變形引發的裂縫

如果地基發生不同不均勻沉降或者發生水平位移，就會導致橋梁結構發生運動，在結構之間就會形成巨大的壓力。當壓力超過橋梁結構的抗壓強度時，就會導致發生結構裂縫。

（五）鋼筋銹蝕造成的裂縫

鋼筋和混凝土都是橋梁工程施工的主要材料，如果鋼筋被銹蝕，則橋梁結構勢必會發生裂縫。主要原因是一旦鋼筋出現銹蝕，則會對周圍的混凝土結構造成巨大影響，混凝土中的水分和有機物會進一步腐蝕鋼筋，就會導致橋梁結構發生裂縫。

（六）冰凍情況下膨脹造成的裂縫

如果混凝土在施工過程中，周圍溫度過低，則會導致混凝土中的水凝結成冰。由于水具有反常膨脹的物理特性，水變為冰后體積會大幅度增加，使得混凝土結構跟著膨脹，就會引發混凝土結構發生變形，并逐漸向外作用，從而降低混凝土結構強度，難以達到設計標準，在使用時就會發生結構裂縫。

三、碳纖維加固技術的特性

處理橋梁結構裂縫的方法有很多，碳纖維加固技術是一種新型加固方法。其主要特征為：先用膠帶把碳纖維粘貼在橋梁結構裂縫表面，可大幅度提升原橋梁結構的穩固性，提升橋梁的承載力。碳纖維片組成示意圖如圖1所所示：

圖1 碳纖維片組成示意圖

在具體應用時，為切實橋梁結構的穩定性，在裂縫加固處理中要盡量采用高強度、高彈性的碳纖維。同時，碳纖維的排布要盡量成片狀，經過樹脂等高黏度材料的浸泡下，牢牢粘貼在橋梁結構表面，可促使橋梁原有結構和碳纖維緊密結合到一起。片狀的碳纖維的強度、彈力都非常高，抗拉強度也比較大，可達到2400MPa，是鋼材拉伸度的10～15倍，而碳纖維的理化性質比較穩，不會輕易被腐蝕，且耐寒性和耐熱性都比較好。因此，被廣泛應用在橋梁結構裂縫加固處理中。

四、碳纖維加固技術在橋梁結構裂縫中的應用

（一）橋梁結構裂縫表層處理

對于橋梁結構裂縫寬度在0.15mm以上的裂縫，可采用壁可法裂縫粘貼碳纖維片進行封閉處理，碳纖維片的各項性能和指標要符合《公路橋梁加固設計規范》（JTG/TJ122-2008)中規定，并經過業主、監理審核通過后才能應用到裂縫處理中。所選擇的碳纖維要滿足以下兩點要求：第一，粘貼性好、可滲透性強，具有一定的可灌性；第二，固化后收縮性小，固化時間可調節，操作工藝簡單便捷，固化后不能發生遺留化學物質。具體操作流程如圖2所示：

圖2 碳纖維加固技術流程圖

施工要求和方法：先對裂縫進行全方位調查，對裂縫的數量、長度、寬度等情況進行現場核對，并最好記錄。橋梁混凝土構件裂縫處理應根據不同構件、不同部位、不同的裂縫形態選擇適當的修補方法、修補材料和修補順序。對裂縫縫口進行全面處理，確保碳纖維加固工作片平順、干燥、無油污，處理范圍要沿裂縫走向寬30mm～50mm。

（二）環氧碳纖維封閉裂縫加固技術

環氧碳纖維封閉裂縫加固技術的應用流程為：表面處理→清潔表面→沿裂縫開6mm～8mm深的v形槽→環氧樹脂膠泥封閉裂縫→涂刷環氧樹脂膠液→養護→檢查質量。為最大限度上保證橋梁裂縫加固處理質量，要先用鋼絲刷清除原混凝土表面浮漿，并打毛裂縫周圍2cm～5cm內的混凝土，沿著裂縫的方向開6mm～8mm深的V形槽，通過高壓壓縮空氣吹掉裂縫的浮塵，通過甲苯溶液對裂縫口清洗。根據實際情況配置環氧樹脂膠泥和碳纖維片，均勻涂抹在裂縫表面，把裂縫全部封閉。當環氧樹脂固化后，在碳纖維表面再涂刷一層環氧樹脂，提高對裂縫的保護作用。帶環氧樹脂和碳纖維全部固化后，再進行表面平滑處理。

（三）碳纖維布粘貼和養護技術

應用實例表明，碳纖維布的粘貼質量和粘貼技術有很大關系，在橋梁結構裂縫加固處理過程中，要根據裂縫的實際情況、形成原因等具體情況進行全面設計，選擇與之相適碳纖維布，然后對需要加固的裂縫進行合理處理和涂刷。比如：在橋梁結構的受力區域，要進行受彎件加固，則要采用U形碳纖維布，并增加涂刷厚度，才能最大限度上保證加固效果。同時，還要保證碳纖維粘貼方向和受拉方向的一致性。在碳纖維布粘貼過程中，要嚴格按照國家規定的標準進行加固處理，在施工前還要參照概率理論對碳纖維的極限狀態進行計算，以保證橋梁結構裂縫加固效果。

五、碳纖維加固技術在應用時需要注意的幾個關鍵技術

（一）保證施工工藝可靠性

大量橋梁結構裂縫加固處理實例表明，科學、合理、規范的施工工藝和先進的管理方法，可大幅度提升碳纖維片和混凝土粘貼的牢固性。因此，在應用碳纖維加固技術時，要充分做好以下幾點：

第一，全面處理裂縫表面。把裂縫周圍疏松、脆裂、松脫的混凝土全部剔除，必要時還要做防銹處理。當裂縫寬度在0.20mm以下時，用環氧樹脂涂抹封閉即可；當裂縫寬度在0.20mm以上時，則需要用環氧樹脂灌縫處理。

第二，合理處理粘貼碳纖維片基層，對混凝土殘缺用高于原混凝土強度等級的砂漿進行修補平整，切除風化劣化層、浮漿等污染，保證修補表面的清潔性。

第三，粘貼碳纖維片，在經過處理的混凝土表面，先涂刷一層TR型環氧樹脂，并根據裂縫實際情況，裁剪碳纖維片。當碳纖維片粘貼完成后，還要在表面涂刷一層環氧樹脂，各項工作要嚴格按照操作規程和質量控制標準開展，最大限度上保證橋梁結構裂縫加固處理的質量。

第四，碳纖維片養護和涂裝。一般情況下，碳纖維片粘貼要養護10～15天，才能達到預期標準。養護完成后，還要在表面涂刷各種性能和不同顏色的涂裝，進一步提高橋梁結構裂縫加固效果。

（二）保證碳纖維材料的可靠性

碳纖維普遍具有較高的力學性能，和碳纖維片本身的材料屬性、加工工藝具有極為密切的關系。碳纖維規格和性格指標如附表1所示。

比如：碳纖維片只有分布均勻后，才能充分發揮整體受力的作用。如果碳纖維片的材質均勻性不足，則會很大程度上降低橋梁結構裂縫加固的效果，所以在選擇碳纖維材料時，要盡量選擇材質均質的碳纖維片。

綜上所述，本文結合工程實例，深入研究了橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術。研究結果表明，橋梁結構裂縫是橋梁工程中最常見的病害，如果不進行科學合理的加固處理，則會對橋梁整體結構的穩定性和質量造成嚴重影響。通過應用碳纖維加固技術，既能有效抑制裂縫繼續發展，而且還能大幅度提升橋梁整體結構的穩定性，同時還具有施工便捷、施工速度快、施工效果比較好等優點，值得大范圍推廣應用。

附表1 碳纖維規格和性格指標

參考文獻：

[1]王秀梅.橋梁結構裂縫和碳纖維加固技術研究[J].交通世界,2016(22):106-107.

[2]蔣清南.橋梁結構施工中碳纖維加固技術的應用分析[J].建材與裝飾,2016（9）.

[3]張雷.建筑工程結構裂縫處理中對于碳纖維加固的應用探討[J].建筑工程技術與設計,2014(24).

[4]李輝,馮超.橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術探討[J].工程技術(全文版)，2017（3）：166.