碳纖維布在橋梁加固中的應(yīng)用

李志虎

(河北保津高速公路有限公司)

1 碳纖維材料(CFRP)介紹

碳纖維材料(carbon fiber reinforced polymer)是一種新型復(fù)合材料，它具有高強(qiáng)、高性能、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐久性好等特點。碳纖維絲由3 000至12 000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細(xì)僅相當(dāng)于一根頭發(fā)絲，這種高性能材料早在20世紀(jì)60年代就應(yīng)用于航天工業(yè)，隨后在運動器材中也開始得到應(yīng)用，應(yīng)用于土木工程則是日本于20世紀(jì)90年代初期用于混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維是在幾千度的高溫下經(jīng)特殊工藝制造出的一種高科技產(chǎn)品，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的基本材料是將高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材。將片材用專門配制的環(huán)氧樹脂粘貼在結(jié)構(gòu)受拉面，樹脂固化后與原結(jié)構(gòu)形成新的受力復(fù)合體，碳纖維即可與鋼筋共同受力，由于碳纖維片分擔(dān)了荷載就降低了鋼筋的應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)得到加固補(bǔ)強(qiáng)。我國是1996年才開始對碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)進(jìn)行研究，兩年后應(yīng)用于工程實踐。

2 碳纖維布加固施工技術(shù)

根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織編制的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，碳纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)，主要使用碳纖維片材，配套樹脂類結(jié)合材料及表面防護(hù)材料，碳纖維片材即為碳纖維布和碳纖維板的總稱，碳纖維布在使用前不浸潤樹脂，只是在施工時才用高性能的環(huán)氧樹脂類結(jié)構(gòu)膠粘劑粘結(jié)在混凝土構(gòu)件的表面上，利用碳纖維布良好的拉伸強(qiáng)度達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載力及剛度的目的，而碳纖維模式板材則是在使用前浸潤樹脂并使其固化成板狀，施工時再用樹脂將其粘貼于結(jié)構(gòu)表面。在橋梁加固工程中，碳纖維布的采用量最大，技術(shù)也日趨成熟。

2.1 碳纖維布加固的施工步驟

施工準(zhǔn)備→混凝土表面處理→底層樹脂配制→找平材料配制并對不平整處修復(fù)處理→樹脂涂刷→粘貼碳纖維片材→表面防護(hù)。

2.2 各步驟的施工要點

2.2.1 表面處理

(1)消除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整。

(2)按設(shè)計要求對裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。

(3)被粘貼混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨或圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20 mm。

(4)將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

2.2.2 底層樹脂配制涂刷

(1)配制底層樹脂。施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

(2)用滾筒將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面觸指干燥時即進(jìn)行下一步工序施工。

(3)樹脂配制時應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)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(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時間。

2.2.3 找平處理

(1)混凝土表面凹陷部位用找平填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有楞角。

(2)待找平材料表面指觸干燥時，即進(jìn)行下一步工序施工。

2.2.4 粘貼碳纖維布

(1)在粘貼碳纖維布前，應(yīng)按加固設(shè)計部位放線定位并按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布。

(2)用特制的滾筒從中間向兩側(cè)進(jìn)行多次的滾壓，擠出氣泡，并使樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。

(3)多層粘貼重復(fù)上述步驟待纖維表面指觸干燥時，即進(jìn)行下一層的粘貼。

(4)在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂沫浸漬樹脂。

3 碳纖維布加固技術(shù)的優(yōu)越性

(1)自重輕、厚度薄。

碳纖維的比重為1.8 g/cm3僅為鋼的1/4，每層厚度小于1 mm基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸，因而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載較小。

(2)抗拉強(qiáng)度高、貼合率高、施工質(zhì)量易保證。

經(jīng)實驗測試碳纖維布的抗拉強(qiáng)度在3 600 MPa以上，是普通碳素鋼板(240 MPa)的10多倍，可以充分提高構(gòu)件的承載力。同時未固化的碳纖維布是柔軟材料，因此即使構(gòu)件表面不太平整，也能保證100%的貼合率，這是實現(xiàn)碳纖維布與原構(gòu)件共同受力的重要保證。施工后發(fā)現(xiàn)氣泡時也易于處理，同粘貼鋼板相比施工質(zhì)量易保證。

(3)抗腐蝕、耐久性好。

碳纖維布的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐各類介質(zhì)的腐蝕，使經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)和維修的構(gòu)件具有極強(qiáng)的抗酸、堿、鹽和防水能力，可以大大增強(qiáng)構(gòu)件對惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力，延長構(gòu)件壽命，這是粘貼鋼板方法不可比擬的。

(4)施工便捷。

由于碳纖維材料密度小，下料切割方便，其加固施工具有良好的可操作性，不需要大型施工機(jī)械和重型設(shè)備，也不需要太大的作業(yè)空間，占用的場地也較小，而且進(jìn)度快、工期短，更能在持續(xù)有振動的情況下操作，不用截斷交通，從而大大提高施工效率。

［1］ 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范(JTJ073-96)［S］.

［2］ 高速公路養(yǎng)護(hù)管理手冊［M］.人民交通出版社.

［3］ 張立科.淺談碳纖維結(jié)構(gòu)加固.

［4］ 陳小軍.混凝土橋梁加固用碳纖維復(fù)合材料的選材和應(yīng)用.