淺析碳纖維布加固橋梁混凝土結構的原理與施工技術

賈　馳

摘要：中國橋梁工程的發展已具有相當規模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負荷日趨加重。粘貼碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同工作，而達到對建筑物進行加固、補強的作用。

關鍵詞：公路橋梁；碳纖維布；加固

中國橋梁工程的發展已具有相當規模，有一部分公路橋梁是中國20世紀80年代以前修建的，因其設計荷載標準偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠沒有達到設計壽命時出現耐久性能嚴重退化的現象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當的加固和改造技術措施，恢復和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應現代化交通運輸的需要變得十分迫切。

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區。碳纖維材料具有優異的物理力學性能。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經編織而制成的柔軟片材。

1 碳纖維布結構加固技術簡介

碳纖維增強聚合物是由環氧樹脂粘高抗拉強度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有以下幾個優點：a、強度高（強度約為普通鋼材的10倍），效果好；b、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性；c、自重輕（約200g/m2），基本不增加結構自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣；d、施工簡便（不需大型施工機構及周轉材料），易于操作，經濟性好；e、施工工期短（本工程實例僅用一周）；因此，碳纖維結構加固技術在混凝土結構方面已產生較大的效應。

碳纖維加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于c15即可；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。

2 碳纖維布加固的原理。用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到加固的目的。

3 碳纖維加固補強的施工技術

3.1 根據設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理

3.1.1 將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；

3.1.2 裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫；

3.1.3 將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

3.1.4 清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。

3.2 底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）

3.2.1 把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準；

3.2.2 用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

3.2.3 底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；

3.2.4 注意在氣溫小于5C，相對濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。

3.3 環氧膩子對構件表面殘缺的修補

3.3.1 構件表面凹陷部位應用環氧膩子填平，修復至表面平整；

3.3.2 內角（段差、起拱等）要用環氧膩子填補使之平順。

3.4 貼碳纖維片

3.4.1 為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折。貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷纖維片，每段長度一般不超過6rn。

3.4.2 碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

3.4.3 按規定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；

3.4.4 貼片時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

3.5 養護。粘貼碳纖維片后，需自然養護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

3.6 涂裝。根據需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

4 碳纖維（片材）加固處理要點。在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm。利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm。

涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。

找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。

粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。必要時進行表面防護及外觀處理。

5 注意事項

碳纖維片材選擇注意事項。碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。

碳纖維（片材）粘貼注意事項：①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。②按設計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應小于100mm。③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm。⑤將涂有粘結樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm。⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續粘貼。如不能連續粘貼，則再開始前應對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。⑦施工宜在5℃以上環境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。⑧施工時應考慮環境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4％。⑨樹脂配制時應按產品使用說明規定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內不得有油污及雜質。宜根據現場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。⑩為了保證粘貼的質量，不同季節、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。

6 對碳纖維加固補強技術的展望。碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優點：a.施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；b.不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m～300g/m，設計厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；c.能適應各種結構外形的補強；d.可以多層粘貼。可根據設計要求，在一個部位重疊粘貼。

結束語

隨著我國高等級公路的迅速發展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。