碳纖維加固橋梁的技術(shù)與探討

【摘要】 分析碳纖維材料的性能，研究碳纖維材料加固橋梁的主要特點、機理以及施工工藝，并介紹碳纖維在橋梁加固工程中的應(yīng)用。探討碳纖維的技術(shù)特點以及應(yīng)用碳纖維布對橋梁進行加固的技術(shù)要點。

【關(guān)鍵詞】 碳纖維；加固；橋梁；技術(shù)

【中圖分類號】 TU997【文獻標識碼】 A【文章編號】 1005-1074(2009)04-0189-01

碳纖維是一種碳經(jīng)過幾千度高溫、用特殊工藝制造出的新型建材，因其質(zhì)輕、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高而被廣泛應(yīng)用。碳纖維布加固法亦被視為梁式橋加固補強、提高承載能力，尤其是當高度受限制時的首選加固方法，其施工工藝也很簡單。此外，碳纖維質(zhì)地柔軟，可在不改變結(jié)構(gòu)外型的前提下加固補強各種混凝土結(jié)構(gòu)物，加固后可用混凝土砂漿涂敷，或根據(jù)要求涂各種顏料，修復(fù)補強不留痕跡。碳纖維補強加固橋梁技術(shù)作為一種新興的、技術(shù)含量高的補強加固方法，具有很高的研究推廣價值和巨大的社會經(jīng)濟效益，本文探討了該項技術(shù)的加固特點、加固功能、加工工藝、加工機理以及碳纖維材料類別和局限。

1 碳纖維加固特點

作為一種新型高效的加固技術(shù)，碳纖維加固技術(shù)具有以下特點:

1.1 與其它加固方法相比，采用碳纖維布加固法不增加恒載及斷面尺寸 碳纖維布的自重較輕僅，設(shè)計厚度較薄，加上環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕，不影響結(jié)構(gòu)外觀，不減小橋下凈空。

1.2 可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要制成不同的形狀和尺寸，易于成型 因碳纖維布的隨型性極強的特點，可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期。

1.3 施工簡便該法工藝簡便 無需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐，操作起來簡單易行。

1.4 采用碳纖維布加固補強，對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷 采用環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料進行粘貼，不需要設(shè)置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會對已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞。

1.5 能有效地封閉混凝土的裂縫 碳纖維布粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，其高強高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成與擴展，改變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成分散的細微裂縫，從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。

1.6 碳纖維布具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性 碳纖維布是一種復(fù)合材料，幾乎無腐蝕性和磁性以及具有較好的耐熱性，不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕，而且當應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕環(huán)境時，其壽命也較長。

1.7 不影響結(jié)構(gòu)的外觀 碳纖維布的厚度很薄，碳纖維布能在一個部位重疊粘貼，充分滿足構(gòu)件的補強要求。

2 碳纖維加固性能

2.1 碳纖維材料性能碳纖維片具有優(yōu)異的力學性能，是與它自身的材質(zhì)屬性、成片加工工藝等密不可分的。

2.1.1 材料的勻質(zhì)性 碳纖維束分布排列均勻，加工成片后起到整體均勻受力的作用。

2.1.2 碳纖維片中預(yù)浸樹脂 一般用于結(jié)構(gòu)補強的碳纖維片是含有預(yù)浸樹脂的。其作用是使纖維之間的相互約束、相互粘接成為共同受力的整體，碳纖維補強混凝土結(jié)構(gòu)是靠上涂及下涂環(huán)氧樹脂對碳纖維片的反復(fù)滲透來完成的。

2.2 粘結(jié)劑性能 將連續(xù)纖維狀的碳纖維結(jié)合在一起，同時又與混凝土表面粘合的系統(tǒng)粘接材料。它的性能將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的加固效果。

2.2.1 底層涂料 在處理好的混凝土表面上涂一層很薄的底層涂料，既可以浸入混凝土表面，強化混凝土表面強度，又可以改進膠接性能，從而使混凝土與碳纖維片之間的粘結(jié)性得以提高。

2.2.2 找平材料 碳纖維片只有與所加固修補的混凝土表面緊密接觸，才可能產(chǎn)生良好的補強效果。在涂敷的底層涂料指觸干燥后，必須用找平材料進行找平。找平材料本身具有良好的施工性能與觸變性能。施工過程中，找平材料應(yīng)易于操作，且不隨時間的延長而出現(xiàn)明顯的變形。

2.2.3 浸漬樹脂 浸漬樹脂在粘接材料中起著至關(guān)重要的作用，它最終將碳纖維片粘貼于經(jīng)過處理的混凝土表面。它的粘度應(yīng)控制在一定范圍，有利于浸漬樹脂順利地將碳纖維片粘附于混凝土表面，經(jīng)過車輛的碾壓，浸漬樹脂浸透碳纖維片。浸漬樹脂本身應(yīng)具有很好的觸變性，易于施工且不會發(fā)生明顯的滴淌現(xiàn)象。

3 碳纖維材料類別

碳纖維又稱增強復(fù)合材料。目前，用于混凝土結(jié)構(gòu)補強加固的碳纖維材料種類較多，其分類方法也多種多樣。①按形式分類可分為:片材、棒材、型材和短纖維4種。②按力學性能分類可分為:高模量(Ⅰ型)、高強度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型) 3種。③按原絲種類分類可分為:聚丙烯腈(PAN)基碳纖維和瀝青基碳纖維2種。

4 碳纖維加固工藝

4.1 施工前的準備作業(yè) 相關(guān)材料的預(yù)算與準備，已經(jīng)相關(guān)設(shè)施的配置。

4.2 混凝土T型梁表面處理 對需加固混凝土T型梁梁底處理打磨、清除混凝土表面浮漿、松脫缺陷和污物，對漏筋處清除鋼筋表面銹蝕層，經(jīng)防腐處理后用混凝土修補平整，對T型梁梁體已有裂縫修補、封閉。

4.3 涂刷底層結(jié)合劑 在已處理好的T型梁梁底表面涂刷特殊底層結(jié)合劑，并使其浸入混凝土表層，增強碳纖維與混凝土結(jié)合力。

4.4 T型梁梁底表面細微找平 在已涂刷底層結(jié)合劑的T型梁梁底，采用獨特的環(huán)氧膩子找平材料，對細微處整平，以便碳纖維與混凝土良好結(jié)合。

4.5 粘貼碳纖維 在經(jīng)過處理后的T型梁梁底涂刷特殊的結(jié)合材料，將預(yù)先裁好的碳纖維粘貼于混凝土表面，碳纖維粘貼后再在其表面涂刷粘結(jié)材料。

4.6 表面防護及涂裝 碳纖維粘貼完成后，對表面進行水泥膠漿涂裝，保持修補后與修補前及未修補位置的顏色一致性和結(jié)構(gòu)美觀。

局部各道工序均有嚴格的操作要求，操作手必須進行專業(yè)培訓，必須具有上崗證，承包單位應(yīng)具有一定的經(jīng)驗和資質(zhì)證明，以確保“粘貼結(jié)合面”的可靠工作。

5 碳纖維加固機理

鋼筋和混凝土這兩種力學性能不同的材料之所以能有效結(jié)合在一起共同工作，主要的受力機理為:

5.1 鋼材與混凝土有良好的粘結(jié)力，能夠在受力后共同變形。

5.2 鋼材與混凝土良好的化學相容性。因為在混凝土中具有一定的堿性性質(zhì)，故不會使鋼筋發(fā)生腐蝕，且由于鋼筋被包裹在混凝土之中，更使鋼筋有了一個可靠的保護而不致被腐蝕。

5.3 鋼筋具有比混凝土更高的彈性模量和抗拉強度，這是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力的基本機理。

5.4 具有相近的溫度線形膨脹系數(shù)，會由于溫度變化產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)應(yīng)力而破壞兩者之間的粘結(jié)。

6 碳纖維加固局限

碳纖維在一定程度上優(yōu)化了公路橋梁建設(shè)，但是，我國建筑工程領(lǐng)域碳纖維加固補強技術(shù)的推廣使用還有以下局限性:

6.1 工程使用的碳纖維材料主要依賴進口，而且必須使用價格昂貴的配套粘結(jié)膠；

6.2 有限的粘結(jié)、連接和錨固技術(shù)，導(dǎo)致碳纖維材料界面增多、加固效率降低、工程量增大、成本增加；

6.3 由于材料的特殊性，施工需要一定的技術(shù)，因此需要經(jīng)過專門培訓的施工員進行操作；

6.4 由于生產(chǎn)工藝不同，還沒有形成統(tǒng)一的檢驗方法和標準；

6.5 國產(chǎn)碳纖維布(板)，由于原材料性能等的限制，其力學性能等還有待提高。

7 結(jié)語

碳纖維是一種高科技材料，它最早應(yīng)用于航空及航天工業(yè)，現(xiàn)已逐步在土木工程中推廣應(yīng)用。由于碳纖維具有良好的力學性能，高強高效、材質(zhì)薄、重量輕、施工簡便、耐久耐腐蝕性好等優(yōu)點，是加固混凝土結(jié)構(gòu)的一種好方法，可以提高加固工程的經(jīng)濟效益和社會效益，值得大力推廣，具有廣闊的應(yīng)用前景。