碳纖維加固混凝土梁技術的對比研究

尚 思 同

(杭州市交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

隨著城市化進程的推進，車輛擁擠嚴重，交通量迅猛增加，橋梁活載增加，同時在外界環境因素侵蝕下橋梁老化嚴重，橋梁通行能力令人堪憂，整體承載力普遍下降，橋梁病害情況紛繁復雜，因此對于橋梁加固維修技術的要求更高。針對我國橋梁上述現狀，大量學者和科研機構對橋梁維修加固技術展開深入研究，并取得了豐富的研究成果，但橋梁加固并非只是在橋梁既有結構受到損傷時的修補手段，而是一套系統的需要豐富經驗支持的理論；加固橋梁一般要考慮到氣候、地質、損傷情況等因素，同時也要考慮到加固后橋梁的整體承載力、耐久性、穩定性、合理性。傳統的加固技術比如預應力加固法、增大截面加固法、外包混凝土加固法等，加固工程量大，施工過程復雜冗長，維修加固成本較高，部分加固方法加固效果差還需要反復維護，進一步提升了成本。

從20世紀中期，我國已經開始著手橋梁加固這一領域，雖然早期橋梁工程師對于橋梁的加固具有一定重視，也建立了一定的橋梁加固理念，但隨著橋梁技術的推進和新舊橋的交替發展，加固技術的發展也刻不容緩，大量優質技術、新材料、新工藝催生了很多優良加固手段。

碳纖維復合材料由于其抗拉強度超高，層狀結構穩定，質量輕，耐腐蝕性好，施工方法簡便，被廣泛用于制作各類高強材料，隨著CFRP的應用范圍的增加，CFRP被應用于加固領域，2003年我國出臺了第一部CFRP技術規程《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》[1]，碳纖維加固技術更加標準化、規范化，同時由于其施工工藝較為簡單、施工周期短、成型快、加固效果好等特點，碳纖維加固成為很多工程的優先技術方案。

1 FRP材料的特點

FRP材料具有良好的物理性能[2]，具有良好的耐腐性、耐疲勞性能，輕質高強，良好絕緣體，熱傳導率低。FRP材料是較為理想的線彈性材料，制作成型以后力學性能穩定，其抗拉強度超過鋼材數倍但其密度僅為鋼材的1/4左右，且在未達到抗拉強度時幾乎不發生塑性形變，大大降低了更換維修的費用。表1為在實際加固工程中常用的纖維增強材料的力學性能[3]。

CFRP與AFRP對比強度相對高，韌性比較差。在三種材料中碳纖維相對比重低，彈性模量高，延伸率低變形小，更適合混凝土結構加固使用。

表1 纖維增強材料的力學性能

2 碳纖維加固技術介紹

2.1 外貼碳纖維加固技術

外貼法是將加固梁體打磨平整，對于有空洞孔洞部分要用砂漿修補，用化學藥劑丙酮或酒精清洗表面后，把CFRP材料表面磨砂粗糙化涂抹上膠體材料粘貼在梁體上(見圖1)。

2.2 碳纖維嵌入式加固技術

嵌入式加固法需要在混凝土保護層區域沿嵌入方向切割嵌入槽，全部加固過程在梁體內完成，纖維與梁體接觸面增大可以近似看作二者共同受力的整體力系，加固效果更好，纖維不易剝出(見圖2)。

2.3 碳纖維布包裹加固技術

碳纖維布加固需要在混凝土受損表面涂抹加固膠將纖維布沿截面包裹在結構外側，由于碳纖維是單向承拉材料，碳纖維布包裹加固需要沿結構受拉方向，包裹可以選擇豎向或斜向粘貼，也可以與其他加固方法結合使用(見圖3)。

3 加固技術對比分析

3.1 技術要求對比

根據GB/T 3354定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[4]規定對于纖維材料的試驗可以避免打磨表面和找平的工作。碳纖維加固技術較為依賴粘合劑粘結性能和粘貼質量，常用的粘合劑為環氧樹脂，環氧樹脂主固劑A∶B按1∶2比例調配，用吹風機熱吹5 min，保證環氧樹脂可以充分拌和，值得注意的是每次調配結構膠要在30 min內使用完，環氧樹脂膠和結構粘結達到預定試驗要求需要一定的時間，一般取7 d為佳。

碳纖維嵌入式加固與外貼法施工不同的是嵌入式加固需要在混凝土保護層區域沿嵌入方向切割嵌入槽，將槽壁內的石灰和廢渣清理出來，倒入環氧樹脂于槽內灌滿槽的一半即可，再將CFRP沒入用膠帶固定位置倒滿整個槽體抹平，待膠層凝固加固完成。

碳纖維布包裹加固相比于外貼法不同的是碳纖維布的排布方式和受力的位置，一般來說碳纖維布是在混凝土受力后才受力的，單向受力的特性使得碳纖維布在加固時相比于外貼加固更有局限性。從使用的角度來說，碳纖維布可以選擇多層加固即在包裹碳纖維布外側可以再次包裹加固，為了保證加固性能要保證加固層層間膠的滲透性和粘結性好，同時對于搭接長度要求在100 mm以上[5]。

3.2 技術優勢對比

CFRP外貼法與其他加固方法相比的優勢：

1)CFRP材料強度較高，質量相對較輕，方便運輸和安裝，降低結構承載負擔。

2)應用范圍廣，可塑性強，可以制作成各類型材貼合不同面層，適用于各種建筑，構筑物，橋梁(主體或部件)且具有較好的加固效果。

3)加固效率高，對于加固梁體撓度的降低和承載能力的提高幅度較大[6]，且加固質量更可靠，保護和安全性也較高。

4)CFRP材料施工工藝簡單，不需要復雜的設備，施工周期短，成型快。

CFRP嵌入式加固法相比于CFRP外貼法擁有很多優點,總結如下：

1)CFRP材料包裹在膠體內，隔絕空氣、水、腐蝕性物質，易燃物質的接觸，減少耐火性不好的弊端，有效的保護CFRP材料的工作性能。

2)CFRP材料與膠體和混凝土接觸面積更大，傳力更加協調，CFRP材料的利用率變高，可以充分發揮材料性能。

3)CFRP材料嵌入在結構中比外貼更不易脫落和剝出，承載能力提升幅度更大。

碳纖維布包裹加固技術的優勢[7]:

1)CFRP具有較好的柔韌性可以使用的結構范圍更廣，根據現場的要求進行修補和裁剪靈活性強。

2)碳纖維布相比于板材結構較薄可以密實的粘貼，包裹范圍大可以有效保護內部混凝土不受外部侵蝕。

3)碳纖維布單向抗拉強度相比于其他材料可以做到更高，對于荷載集中位置可以提供更多的保護，可以多層張貼，粘貼加固橋梁構件能大幅度提高梁板的抗彎、抗剪性能，并能顯著提高橋梁構件剛度及延性(如抑制開裂、降低撓度等)。

4 CFRP加固技術需要注意的問題

1)CFRP加固技術對于施工質量有較多的要求，加固膠粘貼效果和使用有效期、養護方法、現場的環境、質量驗收[8]、粘貼位置的選擇、加固后加固的安全性評估，需要有一整套施工經驗的施工隊和設計咨詢輔助。

2)CFRP材料的短板。CFRP材料大多為單向受力材料，沿纖維方向強度較高，垂直于纖維方向的力學性能較為遜色，加固設計需要綜合考慮這一問題，同時材料強度并不能完全發揮。實際工程中碳纖維一般可以利用的強度范圍在30%～67%之間，由于沒有屈服點一旦破壞結構立刻失穩。

3)碳纖維材料含碳量較高耐火性差，南方高熱地區的建筑和外圍盡量不要使用，環氧樹脂在高溫下也會出現軟化改變加固的抗性使得加固失效。

4)CFRP材料和所有的FRP一樣其使用的靈活性高同時也很依賴于出廠質量(纖維堆疊方向、纖維含量、層間強度、尺寸等)，也取決于相配套的粘結材料性能。加固結構往往對加固方式選取有一定影響，例如碳纖維布廣泛應用于大跨度立交橋，板材加固適合于中小跨徑裝配式橋梁和民用建筑等等。

5)CFRP材料大部分是作為補強加固出現，結構出現了一定病害和破損(結構震動，裂縫區荷載集中等等)，對CFRP材料的耐久性和抗疲勞性能有顯著影響。

5 結語

高速化交通產業使得公路橋梁發展進程得到快速提升，安全和耐久性是對公路橋梁乃至交通行業的基本要求，加固和維修是現階段交通行業發展的必由之路，如何用新材料、新技術降低養護費用投入，節約材料，提高加固效率是我們真正要解決的問題[9]。新技術必然存在優勢和短板，可行性也有待評估，需要設計、施工、科研、咨詢和技術管理的通力合作以及推進，實現產、學、研一體化發展才是對于未來加固的良性循環。