公路橋梁加固碳纖維布加固技術研究

陳豐

（江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

公路橋梁作為重要的交通基礎設施，承載著大量車輛和行人的通行需求。然而，由于長期使用、車輛超載和自然環境等因素的影響，許多橋梁出現結構老化、損壞和承載能力下降等問題。常規的加固方法如鋼筋加固和混凝土補強等技術存在著施工復雜、工期長、對橋梁結構改造較大等不足之處。而碳纖維布作為一種先進的橋梁加固材料，具有重量輕、施工方便、耐腐蝕性能好等優勢，能夠有效地提高橋梁的承載能力和抗震性能，保障交通安全和延長橋梁壽命，減少維修和維護成本，提升橋梁的安全性和穩定性。因此，研究如何將碳纖維布加固技術應用到橋梁加固工程中并最大程度地發揮其優勢和作用是一項極具意義的課題。

1 碳纖維布加固技術概述

碳纖維布是一種高強度、高模量、低密度的復合材料，由碳纖維布紗線編織而成，具有優異的力學性能和耐腐蝕性能，被廣泛應用于橋梁加固領域。碳纖維布的主要成分是碳元素，具有耐高溫、抗摩擦、電導熱等特點。相較于傳統的鋼筋、混凝土等材料，碳纖維布的比強度和比剛度更高，重量卻較輕，使其成為一種理想的加固材料。在橋梁加固中，通過將碳纖維布粘貼在橋梁結構的表面，利用其高強度和高剛度特性來增強結構的承載能力和抗震能力。碳纖維布可以在不改變原有結構形態的前提下，實現增強和修復現有結構的目標。碳纖維布加固技術的應用過程如下：

首先，對需要加固的橋梁結構進行評估，確定加固方案和碳纖維布類型。

其次，清潔和處理橋梁表面，確保其光潔、無雜質。

再次，涂覆特殊的環氧樹脂膠黏劑，將碳纖維布貼附在橋梁表面，并使用壓力工具確保其與結構緊密黏合。

最后，進行后續的硬化和固化處理，以確保加固層與橋梁結構融為一體[1]。

2 碳纖維布粘貼施工工藝

2.1 工藝材料的準備

2.1.1 碳纖維布

為了確保施工質量和工程效果，需要嚴格執行設計方案的要求，并加強對施工工藝的控制。同時，根據技術規范選擇符合工程需求的碳纖維布型號和規格，并對其進行性能檢測。具體的技術指標如表1所示。

表1 碳纖維布技術指標

2.1.2 配套黏結劑

在進行碳纖維布粘貼作業時，正確選擇和使用適合的黏結劑至關重要。通常情況下，根據施工工藝的要求，黏結劑包括打底膠、找平膠和浸潤膠三種。這些膠液在現場施工中的具體性質如下：

第一，打底膠。打底膠主要應用于混凝土結構表面的土層，在混凝土結構表面形成硬化層，利用其滲透作用，確保混凝土結構表面的平整度和黏結質量符合工程建設的標準，為后續的找平膠和浸潤膠施工提供堅實基礎。

第二，找平膠。找平膠主要用于修復混凝土結構表面不符合平整度要求的部位。通過應用找平膠進行修復處理，確保碳纖維布能夠完美地貼合在混凝土表面，從而顯著提升其加固性能。

第三，浸潤膠。浸潤膠用于將碳纖維布粘貼在混凝土結構表面，使二者融為一體，共同發揮承重和抗拉的作用，實現綜合性能的提升[2]。

2.2 粘貼碳纖維布工藝流程

粘貼碳纖維布工藝的具體流程，見圖1。

圖1 粘貼碳纖維布工藝流程圖

2.3 關鍵工序的施工要點

2.3.1 混凝土表面處理

在應用碳纖維布加固技術之前，為確保加固效果最優化，需要注意以下關鍵步驟：

第一，需要將橋梁表面存在的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等結構問題清理干凈，暴露出內部的混凝土結構層。

第二，需要對裂縫部位進行修復，確保其達到良好的封閉狀態，以提高結構的整體強度和穩定性。

第三，需要對準備粘貼碳纖維布的部位進行打磨平整處理，清理混凝土結構表面的浮漿、油污等雜質，并對邊角進行倒角處理，制作成半徑超過20mm 的圓弧，以提高碳纖維布與混凝土表面的黏結強度，確保加固效果達標。

第四，在進行碳纖維布粘貼前，必須對表面進行徹底清理，去除所有污垢、水分等雜質，確保施工區域表面干燥潔凈，以免對黏結效果產生不利影響[3]。

2.3.2 涂刷打底膠和找平膠

在應用碳纖維布加固技術時，有兩個方面需要特別注意。一方面，需要確保打底膠的質量和涂刷的均勻性，以提供良好的黏結基礎。同時，找平膠的應用也非常重要，其主要用于修復混凝土表面的凹陷部位。在涂刷找平膠時，需要保證施工區域表面平整，無棱角或凸出等問題，以提高整體加固效果。另一方面，應使用滾筒等工具進行涂刷，以確保膠液均勻地涂刷在混凝土結構表面。在膠液干燥之前，應及時進行平整修復工作，以保證加固層的均勻性和平整度[4]。

2.3.3 粘貼碳纖維布

第一，在粘貼碳纖維布之前，必須對現場的環境條件進行全面的檢測和評估。低溫環境對于膠液的固化速度會產生不利影響，可能導致膠液無法充分固化，從而影響碳纖維布的黏結效果和加固質量。同時，濕度過高會增加膠液干燥的時間，導致施工周期延長，并且可能對膠液的性能產生不利影響。此外，降雨也會對施工造成干擾，可能引起碳纖維布粘貼不牢固或出現水泡等問題。如果環境溫度低于5℃、存在降雨或者濕度超過95%的情況，則必須禁止施工。

第二，根據設計方案的要求，結合現場實際情況，對碳纖維布進行裁剪處理，實際粘貼尺寸應小于設計參數值，偏差控制在20mm 以內，防止偏差過大而造成結構的強度不合格。

第三，如果碳纖維布的排列方向有所差異，則會造成各個方向碳纖維布的強度也有所差異，所以要考慮具體的結構形式，確保粘貼的方向合理，以免造成嚴重的質量缺陷問題。

第四，碳纖維布與混凝土結構的粘貼面積應超過95%。如果碳纖維布存在空鼓的情況，且面積不超過10cm2時，可采用針管注膠的方式進行修復處理；如果空鼓面積超過10cm2時，則將空鼓部位的碳纖維布割除，重新粘貼施工。

第五，在現場進行碳纖維布的粘貼操作時，應從橋梁的跨中部位開始逐步向兩側展開，以減少施工過程中產生的氣泡，施工現場與工后效果見圖2、圖3。

圖2 碳纖維布的粘貼施工

圖3 粘貼效果

此外，為了確保碳纖維布與結構表面的黏結質量，需要采用特制的滾筒按照纖維的方向進行多次滾壓施工，以提高膠液的滲透性，確保浸潤膠充分浸透碳纖維布，與結構緊密結合[5]。

2.3.4 其他工藝要求

為了確保施工的安全性和效果的可靠性，還需要遵循以下工藝要求：

首先，要加強現場安全施工管理。確保碳纖維布與電氣設備、電源保持一定的距離，避免發生意外情況。

其次，要保證現場空氣正常流通，避免出現氧氣不足或有害氣體積聚的情況。

再次，禁止在施工現場吸煙或使用明火，以免引發火災等安全事故。

最后，當碳纖維布粘貼完成后，應及時進行養生，以保證加固部位的性能穩定。通常養生時間應超過72h，在此期間，要對施工區域加強防護，在確認結構性能符合要求后，才能進行后續的施工。

3 碳纖維布在橋梁加固工程中的應用實例

某橋梁項目長度為660m，上部結構采用T 形結構形式。該橋梁投入運營的時間超過30 年，每天都有大量的運輸車輛經過，特別是運煤、礦石的車輛，超載問題比較嚴重，超大噸位的車輛通行數量比較多，重車通行的部分存在嚴重的梁板單板受力問題，造成結構斷裂問題比較嚴重，無法滿足當前的通行需要，甚至可能引發嚴重的交通事故。經過分析發現，行車道的橋面鋪裝結構損壞嚴重，橋梁的跨中撓度損失嚴重，變形過于劇烈。工程技術人員對橋梁的承載力參數進行計算，發現其承載力下降非常明顯，需要進行大范圍的加固施工才能滿足交通需求。工程管理單位綜合考慮多個方面的要素后，決定采用碳纖維布作為加固材料，提升梁板底部的強度，使其符合運行標準。在該橋梁的加固施工過程中，應用碳纖維布加固技術，并且全面落實質量控制措施。對橋梁的鋪面結構進行合理的改善，增加混凝土材料的標號，滿足結構強度的標準要求，同時將上部混凝土鑿除，更換一層水泥混凝土材料，并且加入聚丙烯纖維材料，提升結構的防滲性和抗裂性能；增加鋼筋材料，使用加粗、加密的方式進行鋪設，確保結構的承載性能合格；將重車行駛部位的鉸縫混凝土清理干凈，再應用高標號的混凝土材料重新澆筑施工，并且增加鉸縫鋼筋。經過對現場施工效果進行分析，發現應用碳纖維布加固技術的效果良好，加固后的結構具備較高的承載性能，且施工方便、工期較短，橋梁整體性能恢復比較明顯，完全符合通行標準。

4 結語

總體而言，良好的加固技術是保證橋梁結構穩定性的關鍵。在此過程中，碳纖維布加固技術表現出獨特的優勢和應用潛力，通過在橋梁結構上應用碳纖維布和黏結劑，可以顯著提高橋梁的承載能力和抗震性能。碳纖維布加固技術具有施工方便、施工速度快、無須大規模拆除和改造等優點，對于已有橋梁的加固和改善具有重要意義。但是，碳纖維布加固技術在實際應用中還存在施工標準化、質量控制等方面的問題，未來仍需要不斷加強研究和探索，以進一步完善和優化該加固技術，為交通運輸事業的發展提供堅實的保障。