橋梁加固工程中碳纖維材料的運用研究

慕長君

（重慶兆祥建筑工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著交通事業的迅猛發展，橋梁作為陸路交通中跨越河流、險地的重要結構形式，很多年久失修的橋梁工程面臨著承載力不足、結構強度下降等問題。為有效解決上述問題，應積極做好橋梁加固與整修工作，確保車輛通行安全。碳纖維材料其具有強度高、耐腐蝕性強、施工便利等諸多優勢，因而在橋梁的加固處理工作中有著越來越廣泛的應用。

1 碳纖維材料的特性和應用優勢研究

1.1 特性分析

碳纖維材料主要是由高強碳纖維材料與樹脂材料經過復雜的制作工藝生產而成，該類材料的力學特性優異。就目前市場上在售的碳纖維布材料而言，抗拉強度標準值基本都在3000 MPa以上。同時，碳纖維布的彈性模量能夠達到2.1×105MPa，甚至更高。相比于其他加固材料來說，碳纖維材料具有高強度、高模量的突出特點。具體施工期間，需要將碳纖維材料處理之后粘貼在橋梁結構的相應位置，加固后的橋梁結構其承載力有顯著的改善。但是，碳纖維材料在橋梁加固工作中也有著一定的局限性，如該類材料的延性較差等[1]。同時，由于碳纖維材料中添加了樹脂材料，因而對于剪力的傳遞受到限制。除此之外，環氧樹脂的剪切強度較低，在受到環境因素的影響下，容易發生軟化問題，進而影響橋梁結構的安全性。在適用性方面，由于橋梁結構的不同，因而在應用方面也存在一定的限制。碳纖維加固技術的適用范圍如表1所示。

表1 碳纖維加固技術的適用范圍

1.2 應用優勢

總體而言，應用碳纖維材料對橋梁工程進行加固主要具有以下5點優勢：①碳纖維材料有著高強、高效的優勢。尤其對于舊橋的加固、修補，通過碳纖維材料的使用，能夠對混凝土橋梁結構起到很好的加固作用。這一過程中，可使碳纖維材料的高強度、高彈性模量方面優勢得到充分發揮，以此提高混凝土橋梁結構與構件的延展性和承載能力，并顯著改善橋梁結構的受力特性，使結構的受力狀況得到優化。②碳纖維材料加固施工過程相對便捷、簡單。在使用碳纖維材料進行加固施工時，因為材料的密度小、材質輕，因而施工過程不需要大型的機械設備。同時，加固期間不需要在現場搭設相關的固定、支撐設施，因而施工期間所占的場地面積與范圍較少。具體施工期間，只需要根據加固范圍，使用剪刀、刀片對材料進行尺寸方面的裁剪，由此看來施工較為簡單、便捷。③碳纖維材料的耐腐蝕性與耐久性較好。大量試驗數據與實踐證明，在利用碳纖維材料對橋梁結構進行加固、修補時，能夠顯著提升結構的耐腐蝕性與耐久性。在粘貼碳纖維材料之后，能夠省去防銹、維護、保養等煩瑣的工作，同時還能有效節省橋梁的維修費用。④碳纖維材料的適用范圍相對廣泛。應用碳纖維材料時，不受橋梁結構形狀的影響，無論是矩形、圓形還是曲面結構，都可使用碳纖維材料進行加固處理[2]。除此之外，無論是橋梁的哪個結構部位，都可應用碳纖維材料對其進行加固處理，如板（圖1）、梁（圖2）、柱（圖3）、節點等部位，都可使用碳纖維材料進行修補加固。⑤施工質量可控。當前使用的加固材料主要以碳纖維布、碳纖維板為主，也有用到碳纖維束等材料。上述材料雖然在加工工藝方面存在較大的不同，但施工質量可控。需要注意的是，為提高碳纖維材料的應用質量，在材料粘貼固化后，要對表面局部區域的氣泡進行修補，并盡可能提高有效粘貼面的比例。相比于鋼板等其他類型的加固方式，采用碳纖維布進行橋梁工程加固有著突出的優勢。

圖1 板的加固

圖2 梁的加固

圖3 柱的加固

2 碳纖維材料在橋梁加固工程中的應用要點

通過對碳纖維加固材料進行合理的排列，能夠有效提高碳纖維的強度、剛度。隨著碳纖維拉伸方向的改變，材料的拉伸強度存在較大的差異：當碳纖維的方向和受力方向保持一致的情況下，材料的拉伸強度會變強；若纖維方向和結構的受力方向相反，那么材料的拉伸強度會降低。因此，在應用碳纖維材料進行橋梁加固工作時，要控制好材料的排列方式與方向?，F階段，加固處理方法主要有3種：外貼纖維材料加固技術、預應力碳纖維材料加固技術以及內部纖維材料加筋技術。其中，前兩種加固方法最為常見，下面就對碳纖維加固技術進行詳細的分析。

2.1 混凝土構件的表面處理

首先，在開展梁體加固工作之前，要卸去混凝土構件上的全部或主要荷載，卸載之后的梁體應保持靜置穩定狀態，之后才能開展相應的加固工作。其次，加固之前要對混凝土構件的表面進行清潔，尤其要去除構件表面的殘缺部分，并及時對表面的殘渣進行清掃，以免影響結構的密實效果。另外，對于外露的鋼筋要進行除銹，以免影響橋梁的加固效果。同時，對于沒有生銹的構件，也應做好防銹處理。除此之外，加固之前剔鑿的部分要使用混凝土細石材料進行修復，以確保結構表面的平整效果。如果結構表面的縫寬不超過0.2 mm，可以使用環氧樹脂材料進行表面的涂抹、封閉處理[3]；但是，如果表面裂縫的寬度超過0.2 mm，要利用環氧樹脂等材料對其進行灌縫，以免影響到結構的整體強度。

2.2 底層處理

若加固工作采用碳纖維片或碳纖維布，那么在粘貼片的周邊要做好定位、畫線工作，具體施工期間要按相關的修復、補強設計要求，對底層做出合理的處理。施工時可使用砂輪等設備對橋梁底層混凝土的表面進行打磨，除去游離石灰、原漿、粉刷層，確保結構表面的平整性。另外，對于混凝土構件的外露部分，要使用磨光機等設備對其進行磨平，之后再進行鋪平。有棱角的結構部分要利用砂輪機進行導角，導角圓弧半徑要控制在20 mm左右，同時還要取最大導角。打磨結束后，要利用空壓機將結構表面的磨粉吹干凈，最后用棉紗蘸著丙酮進行擦洗，確保表面清潔、干燥。

2.3 涂抹底層涂料

一方面，對于加固工作中的底層涂料，首先要將主劑、固化劑等倒入到容器內，之后再使用專業的攪拌儀器進行均勻的攪拌。需要注意的是，每次涂層材料的配備量，要在規定的時間內全部使用，超過使用時間的涂料不能用于加固工作，以免影響橋梁加固效果。在進行底層涂料的制備期間，不能添加各類型的溶劑，也不能使用含有溶劑的毛刷滾筒。另一方面，涂料制備完成之后，要用滾刷均勻地在加固結構的表面涂抹，同時還要控制好涂抹的厚度，避免出現粒子。當底層涂料固化之后，觀察表面是否存在起鼓，如果有起鼓現象要利用砂紙進行磨平、打光。涂料涂抹對外界氣溫有一定的要求，當外界溫度未達到5℃時，或在雨天環境下，不能開展下一步的施工工作。

2.4 粘貼碳纖維材料

橋梁加固過程中粘貼碳纖維材料應注意以下要點：①對于碳纖維材料的運輸、儲存以及粘貼過程，不能發生彎折現象，以防碳纖維材料發生破損問題，影響到加固質量。當碳纖維材料運輸到現場之后，要使用正規的工具進行截切。同時，還要確保每段的長度應維持在6 cm左右。②碳纖維材料截切之后的銜接處，要使用樹脂材料進行涂刷，在接頭位置的搭接長度要控制在10 cm以上。③在粘貼碳纖維材料之前，要確認施工面的底層涂料以及修補材料處于清潔、干燥的狀態。如果發現底層涂料以及殘缺修補的地方存在問題，要在修補完成7 d后，經過表面打磨才能進行碳纖維材料的粘貼。④要控制好樹脂的主劑、固化劑的使用量，尤其要嚴格控制稱量過程，將稱重好的材料按照標準比例裝入到容器中，攪拌時間要控制在2 min以上。⑤貼片之前要使用滾筒進行均勻涂抹，涂量要結合實際施工面方向以及面層的粗糙程度，做好適當的調整。需要注意的是，對于結構中拱起、拐角等部位，要適當增加涂刷量。殘缺修補的位置也應多涂刷樹脂[4]。⑥粘貼碳纖維材料時，應保證碳纖維面與樹脂間的緊密效果，粘貼時應確保內部空氣被完全排出。在完成碳纖維片的粘貼工作之后，應當沿纖維方向刮至少4次，確保樹脂能夠充分滲入碳纖維中。當碳纖維材料粘貼完成1.5 h之后，要使用滾筒刷涂抹貼片樹脂為上涂，這一過程中要確保碳纖維在移動時，不得把已經貼好的碳纖維片卷起。如果碳纖維材料需要鋪貼兩層以上，那么要在補完之后3 d內完成內鋪貼。施工過程的質量控制對于橋梁工程加固效果有著至關重要的影響，因而具體施工期間要嚴格控制施工技術與材料，確保橋梁加固之后的承載力與安全性。

2.5 后期養護

一方面，當碳纖維粘貼完成之后，需要滿足24 h的固化時間，在這24 h內不能開展其他工種作業，避免固化過程受到干擾，同時為了提高材料的固化效果。另一方面，在養護期間還要控制好外界環境的溫度。一般來說，當外界溫度控制在20℃左右時，其固化效果最佳，如果條件允許的情況下，應當在粘貼完成的14 d內，將材料表面的溫度控制在20℃左右。此外，碳纖維材料粘貼完成之后，應加強后期的保養工作，保養過程中要避免觸碰，不能施加壓力。對于施工完成的項目，要在碳纖維片板周邊設置相應的圍欄以加強保護。

3 結語

以往在進行橋梁工程施工期間，由于受到材料性能、施工工藝以及管理工作等各類因素的影響，導致橋梁工程存在質量問題。同時，隨著車輛運載能力的增強，通行車輛數量的增多，危橋、舊橋的數量在不斷攀升，因而橋梁加固工作逐漸受到人們的廣泛關注。在使用碳纖維材料加固橋梁工程時，要結合現場的實際情況，選用合理的碳纖維材料與施工工藝，加強對施工質量的把控，以此增強橋梁的運輸能力與承載能力。