公路橋梁維修加固處理中的碳纖維復合材料施工技術研究

戴鵬

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450）

0 引言

碳纖維復合材料在公路橋梁加固工程中的應用主要有以下幾點優勢：第一，碳纖維板的重量很輕，一般在250g/m 左右，厚度一般在0.12～0.15cm。在公路橋梁修復工程中，采用碳纖維復合材料加固橋梁，既不會加重整個橋梁的重量，也不會改變橋梁的外觀，即該材料可以與橋梁保持良好的協調性。第二，在抗裂性和耐久性方面，碳纖維復合材料明顯優于其他類型的材料。在耐腐蝕性方面，其性能也非常優越。第三，施工操作步驟簡單，易于開展。總之，碳纖維復合材料的性價比非常高，在公路橋梁修復加固工程中可發揮巨大作用，具有極高的研究價值。

1 碳纖維材料概述

碳纖維材料通常與樹脂類材料復合，經一系列工藝處理后可制成碳纖維增強塑料，這類材料具有良好的力學特點，即無屈服點與塑性區域。其應力應變量特點符合橋梁加固工程的標準，與普通的鋼材相比，碳纖維材料的物理性能也非常優越，特別是高彈性模量碳纖維。高彈性模量碳纖維的抗拉強度及抗震強度遠遠高于普通鋼材，約為普通鋼材的70 倍，彈性模量約為普通鋼材的2 倍。此外，高彈性模量碳纖維的熱穩定性和冷穩定性也極強，在600℃左右的高溫及-180℃左右的低溫環境下，其物理性能基本不會受到影響，在高鹽、高堿、高酸環境中亦不會出現腐蝕現象。碳纖維材料中有一種材料稱碳纖維布，一般是通過絲狀碳纖維編織而成的，可用于一類混凝土部件的加固。在制作碳纖維布時，需將絲狀碳纖維沿一個主方向勻速鋪設，然后用少量非主方向絲狀碳纖維將主方向的絲狀碳纖維連接在一起，碳纖維布也因此具備薄而抗拉性能強的特點，抗壓強度一般可達到3550MPa，彈性模量可達到246.75MPa。碳纖維布的力學性能一般與碳纖維材料的質量有關，即由優質原材料制成的碳纖維布的抗拉強度更大、彈性模量更高。

2 碳纖維材料的特點

第一，碳纖維材料的抗拉強度、耐腐蝕性、抗變形性能及抗震強度都非常高。碳纖維材料的抗拉強度約為普通鋼材的12 倍，甚至可達到15 倍，彈性模量性能也大大優于普通鋼材。在抗腐蝕性方面，普通鋼材長時間受到雨水的侵蝕，極易發生腐蝕，進而影響工程質量，甚至引發安全事故，而碳纖維材料的耐腐蝕性極強，因此當前混凝土加固修復工程通常選用碳纖維材料進行作業。在抗變形和抗震性方面，同樣優于普通鋼材。總之，在橋梁修復加固工程中應用碳纖維材料是一個極佳的選擇。

第二，普通鋼材的重量過大，運輸要求高，柔韌性也非常差，在工程中的應用有一定的局限性。而碳纖維板的重量輕，柔韌性極強，可伸展卷疊，在相同抗拉強度下，碳纖維材料的重量僅為普通鋼材的五分之一。總之，在橋梁修復加固工程中，碳纖維材料的性價比較普通鋼材高。

第三，碳纖維材料易于施工。這主要是由于其重量輕，運輸要求低，且耐腐蝕性強，各方面性能均比較優越，可適應各類施工環境，能夠有效保證施工質量。此外，碳纖維材料的施工方式較為簡單，作業周期也相對較短，可作為混凝土加固修復工程中的應急材料。

第四，在橋梁修復加固工程中選用普通鋼材需要進行定期維護，而碳纖維材料無需如此。碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性和抗拉強度，即便在高鹽、高堿及高酸環境中，也不容易受損。此外，因碳纖維復合材料具有高延展性，能夠對橋梁內部混凝土結構起到有效的加固、修復作用。在加固修補方面，由于碳纖維板的修補加固作用約為碳纖維布的10 倍，且碳纖維板可長期保持順直狀態，而碳纖維布難以維持順直狀態，因此在橋梁修復加固工程中通常選用碳纖維板。為降低加固修補工程的成本，還可采用碳纖維與玻璃纖維制成的復合材料。

3 工程概況

某段高速公路經長期使用，因車流量較大且大型貨車通過率較高，使得該段高速公路中橋梁的鋪裝層和板底出現多處開裂的情況[1]。該橋梁整體分為左右兩幅，每幅含19 跨，上層結構為混凝土空心板，下層結構為樁柱式橋墩。

4 病害調查

高速公路投入使用一段時間后，在車輛通行與氣候環境因素的影響下，公路橋梁產生了一些病害。專業人員經調查發現，橋梁中的病害大多為裂縫，且裂縫大多位于橋梁的鋪設層、板底及蓋梁等部位，混凝土破損與滲水現象大多位于梁端、鉸縫處及跨中部位。橋梁主要存在以下兩個方面問題：第一，裂縫從鉸縫區逐步開裂，可觀察到這些裂縫有繼續開裂擴增的可能，應對這些裂縫及時進行修補，同時對可能發生開裂的區域進行加固，確保橋梁運行的安全性。第二，混凝土破損與滲水現象的發生區域大多位于梁端、鉸縫處及跨中部位，這些破損會影響橋梁的穩定性。經多方面考慮，選擇用碳纖維材料對其進行修補加固。

5 碳纖維加固施工技術

5.1 施工準備

在進行修補加固工作前應做好以下幾個方面的準備：第一，派相關工作人員對施工場地進行勘察，了解施工場地周邊環境，掌握施工場地的地質情況，以便更合理地設計施工方案及圖紙，從而使后續施工得以順利進行。第二，觀察施工場地位置，合理布置施工設備，確保橋梁加固修復工程順利開展。第三，處理好施工場地的廢物，掃清影響施工的雜物。第四，按照施工要求，合理設置施工隔離區域，所安置的圍欄不可影響周圍居民通行，并妥當安放警示標志。

5.2 混凝土基底處理

第一，在混凝土基底劣化層的處理方面，通常選用鋼絲輪角磨機進行作業。除去劣化層后，應將梁底溝縫內殘存的砂漿清理干凈，同時借助吹風設備，吹去剩余的砂漿，以獲得干凈的混凝土基底面，便于后續修補加固作業的順利進行[2]。

第二，如果發現混凝土基底存在膨脹、松散、腐蝕等情況，應先使用鑿除設備去除松散部位，再使用除銹劑除去金屬的腐蝕部分，同時為保證混凝土的完整性，需對缺損部位進行修補。一般在進行修補作業前，應使用環氧膠涂抹破損區域，以提高原有混凝土與砂漿的黏合度，以確保橋梁在后續的使用過程中短期內不出現裂縫。對于破損較大的區域，如出現蜂窩等孔徑較大的洞，需采用輕質修復砂漿進行填補處理。填補砂漿的厚度不可超過1.5cm，平整度應保證在0.5cm/m 以上。

第三，在修補作業過程中，若發現修補區域表面存在裂縫，應立即對裂縫區域采取對應措施進行處理。

第四，為確保混凝土整體的協調性與美觀度，應及時采用輕質修補砂漿對經剔鑿和除銹后基底面出現的缺損進行處理。

第五，完成上述作業后，應對基底面殘存的粉塵和松渣進行清理。可選用專用吹風機吹去粉塵，同時使用相關化學試劑，除去基底表面的油污等其他異物。

5.3 碳纖維板底層膠配制及涂刷

第一，在待加固修補的混凝土表面，應使用刷子將用于黏合碳纖維板的底膠涂抹均勻。涂抹在混凝土表面的區域，必須大于碳纖維板的面積，以免碳纖維板黏合不全，導致后續脫落。另外，在含有鋼筋或平整度較差的區域，需多次涂抹樹脂。第二，底膠涂抹后，45 分鐘左右便會凝固干燥。此時，若發現混凝土表面存在凸起，應及時派工作人員使用砂紙對凸起部位進行打磨，以確保混凝土表面的平整度，為防止破壞底膠層，應當在打磨前確定好打磨時間。

5.4 找平材料處理

第一，待底膠完全干燥后，應派工作人員進行檢查，若發現混凝土表面存在破損的情況，應采用適宜的材料填補破損區域。對于轉角處的缺損，應將之填補成半徑大于2cm 的光滑圓角。第二，完成填補作業后，同樣應對凸起部位進行打磨，以提高混凝土表面的平順度。

5.5 浸漬樹脂涂刷

在樹脂涂刷環節，同樣應確保涂刷區域不小于碳纖維板的面積[3]。

5.6 粘貼碳纖維板

第一，在混凝土表面涂刷完黏結膠后，再將碳纖維板鋪設在混凝土表面，同時需確保鋪設操作符合施工標準，如每層混凝土碳纖維板的搭設方向均與纖維方向保持一致。第二，應將碳纖維板的搭接長度控制在100m 以上，同時避免在主要受力區域進行搭接。對于多層混凝土的加固處理，應錯開搭接。第三，應保證碳纖維板由上至下的黏合順序，同時使用膠輥在碳纖維板上多次壓實，以確保樹脂膠液與碳纖維板充分黏合。

5.7 固化與養護

第一，完成碳纖維板的黏合作業后，應在不進行其他操作的情況下，將之靜置幾天干燥、固化。為確保碳纖維板的固化質量符合標準，在靜置期間應避免其受到其他外部因素的干擾，必要時可設置隔離區域。第二，遇到雨水天氣，應合理采取防護措施，如在樹脂固化后的混凝土表面使用塑料膜遮擋。第三，樹脂固化過程中，必須將溫度控制在5℃以上，如果沒有條件進行溫度控制，則應選擇低溫類型的固化樹脂。第四，在樹脂固化完全后，應對碳纖維板黏合區域進行認真檢查，若存在鼓起氣泡區域，可選用專用注射器將黏合膠注入氣泡內，確保碳纖維板的整體密實度，最后需對其進行磨平處理。

5.8 施工注意事項

第一，碳纖維板是一種力學性能優越的復合材料，采用該材料對橋梁進行修補作業時，需借助具有高滲透性與高黏合性的樹脂將碳纖維板與混凝土黏合。并且，進行修補加固作業時，應仔細尋找混凝土中的裂縫。在黏合碳纖維板前，一定要預先做好找平工作，確保碳纖維板與混凝土完全黏合，使加固修復后的橋梁承的載力達到預期目標[4]。此外，應合理控制碳纖維板黏合的施工溫度，避免在溫度過高或過低的環境下進行施工。需要將環境溫度控制在5℃～35℃。由于碳纖維板黏合作業中需要使用黏合劑，因此還要考慮環境溫度對黏合劑的影響，確保作業溫度為黏合劑效果發揮的最佳溫度。

第二，在施工過程中，必須嚴格按照相關施工標準展開作業。施工作業前，應對施工所需設備進行檢查。施工完成后，需派工作人員對施工質量進行檢測，確保工程投入運營后的安全性。

第三，在進行碳纖維板包裝、涂刷染料前，必須將油污等其他異物清理干凈，否則會影響碳纖維板與混凝土的黏合度，降低修復加固作業質量。同時，避免在雨水天氣進行碳纖維板黏合作業。

第四，碳纖維板黏合作業完成后，需派相關技術人員對黏合質量進行檢測，若黏合密實度過低，必須重新進行作業。

第五，碳纖維板黏合時需注意避免在主要受力區域搭接，在進行多層混凝土加固處理時，應錯開搭接。

第六，在進行碳纖維板黏合作業時，15℃左右的溫度環境下，黏合劑的黏合效果最佳，黏合固化所需時間較短，不易發生二次污染。此外，應避免黏合膠被陽光直射，并做好防火措施。

5.9 檢驗

在樹脂固化期間，應避免其他因素的干擾。固化完成后，需進行檢測，檢測時尺寸位置的偏差不可大于2cm，黏合密實度應當大于5%。如果不符合上述標準，則應重新進行黏合作業[5]。

6 加固效果

完成橋梁加固修復施工后，需對橋梁的運營情況持續跟蹤檢測一段時間。上述橋梁經加固修復后，檢測結果表明，碳纖維板與橋梁結構黏合度基本未受到影響，整體結構受力穩定。此外，橋梁的承載力也得到了一定程度的提升。混凝土表面未出現裂縫、碳纖維保護層也未有明顯破損。投入運營后，駕駛者對橋梁加固修補效果較為滿意。

7 結語

碳纖維材料的力學性能優秀，選用碳纖維板作為橋梁修補加固材料，可有效修復裂縫，可在一定程度上提高橋梁結構的承載力，延長橋梁的壽命，避免安全事故的發生，且實際橋梁加固修復工程案例表明，該材料可有效提高橋梁的安全性，將之應用于相關工程，有助于我國整體橋梁修復水平的提高。