碳纖維布在橋梁加固中的應用

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)是一種新型復合材料，它具有高強、高性能、質量輕、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，其粗細僅相當于一根頭發絲，這種高性能材料早在20世紀60年代就應用于航天工業，隨后在運動器材中也開始得到應用，應用于土木工程則是日本于20世紀90年代初期用于混凝土結構的修復補強。碳纖維是在幾千度的高溫下經特殊工藝制造出的一種高科技產品，碳纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬形成碳纖維增強復合材料片材。將片材用專門配制的環氧樹脂粘貼在結構受拉面，樹脂固化后與原結構形成新的受力復合體，碳纖維即可與鋼筋共同受力，由于碳纖維片分擔了荷載就降低了鋼筋的應力，從而使結構得到加固補強。我國是1996年才開始對碳纖維結構加固技術進行研究，兩年后應用于工程實踐。

2 碳纖維布加固施工技術

根據中國工程建設標準化協會組織編制的《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》，碳纖維用于混凝土結構進行加固修復，主要使用碳纖維片材，配套樹脂類結合材料及表面防護材料，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氧樹脂類結構膠粘劑粘結在混凝土構件的表面上，利用碳纖維布良好的拉伸強度達到增強構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構表面。在橋梁加固工程中，碳纖維布的采用量最大，技術也日趨成熟。

2.1 碳纖維布加固的施工步驟

施工準備→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處理→樹脂涂刷→粘貼碳纖維片材→表面防護。

2.2 各步驟的施工要點

2.2.1 表面處理

(1)消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，并用修復材料將表面修復平整。

(2)按設計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理。

(3)被粘貼混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出混凝土結構新面，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨或圓弧狀，圓弧半徑不應小于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。

(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行下一步工序施工。

(3)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。

2.2.3 找平處理

(1)混凝土表面凹陷部位用找平填補平整，且不應有楞角。

(2)待找平材料表面指觸干燥時，即進行下一步工序施工。

2.2.4 粘貼碳纖維布

(1)在粘貼碳纖維布前，應按加固設計部位放線定位并按設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進行多次的滾壓，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)多層粘貼重復上述步驟待纖維表面指觸干燥時，即進行下一層的粘貼。

(4)在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂沫浸漬樹脂。

3 碳纖維布加固技術的優越性

(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基本不增加結構自重及截面尺寸，因而對結構產生的附加荷載較小。

(2)抗拉強度高、貼合率高、施工質量易保證。

經實驗測試碳纖維布的抗拉強度在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，因此即使構件表面不太平整，也能保證100%的貼合率，這是實現碳纖維布與原構件共同受力的重要保證。施工后發現氣泡時也易于處理，同粘貼鋼板相比施工質量易保證。

(3)抗腐蝕、耐久性好。

碳纖維布的化學結構穩定，耐各類介質的腐蝕，使經過補強和維修的構件具有極強的抗酸、堿、鹽和防水能力，可以大大增強構件對惡劣外部環境的適應能力，延長構件壽命，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，不需要大型施工機械和重型設備，也不需要太大的作業空間，占用的場地也較小，而且進度快、工期短，更能在持續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］ 公路養護技術規范(JTJ073-96)［S］.

［2］ 高速公路養護管理手冊［M］.人民交通出版社.

［3］ 張立科.淺談碳纖維結構加固.

［4］ 陳小軍.混凝土橋梁加固用碳纖維復合材料的選材和應用.