淺談蓋板涵碳纖維布加固

張 煒

(衡水市公路勘測設計所)

1 前言

隨著近年來載重汽車噸位的不斷增大，我們在進行的公路日常養護工作中發現許多公路經過多年運營許多橋涵的蓋板出現了混凝土開裂、風化露筋、鋼筋銹蝕等嚴重病害，橋涵蓋板的承載力下降。該病害嚴重地影響到公路行車安全，急需對發生病害的橋涵蓋板進行加固處理。

2 碳纖維材料特性

碳纖維是一種由有機母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青)采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等一系列優異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的1/2，鋼的1/5。盡管碳纖維質量輕，但它強度高，有很高的“比強度”(比強度=材料的強度極限/材料的單位重)，碳纖維還有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000m長的纖維的克數)，一般僅約為19g;拉力高達300kg/mm2;目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優異寶貴的電學、熱學和力學性能。

用于混凝土結構的加固始于20世紀70～80年代的美國、日本。日本阪神大地震及臺灣“9.11”地震后，碳纖維加固技術被廣泛用于震后建筑重建和補強，這些都促進了碳纖維在加固補強工程中的應用。我國在這方面起步較晚，但發展勢頭迅猛，進展飛快，已經有了許多橋梁加固成功的實例。如南京機場路高架橋空心板補強修復;盧溝新橋的補強修復工程等等。

3 橋涵病害產生的原因

橋涵產生病害的原因是多方面的，主要有以下幾點。(1)在橋涵建設施工時，存在質量問題，蓋板鋼筋保護層厚度不夠，混凝土震搗不密實，經常年使用，表層混凝土容易風化脫落，形成露筋。(2)蓋板防水層開裂失效，雨水不斷滲入與蓋板混凝土的主要成分硅酸鈣發生水化反應，形成游離鈣、硅酸和氫氧根，在毛細壓作用下混凝土中的鹽份被水帶出淤積于混凝土表面，進一步與空氣中的二氧化碳反應在混凝土表面結晶形成白色硬塊，最后形成堿蝕。在這個過程中，如果結構存在裂縫，就會引起鋼筋的銹脹，出現鋼筋銹蝕的情況。(3)空氣中和土質中都含有一定的氯鹽成分，鹽水滲入到蓋板混凝土的縫隙里，引起堿骨料反應發生鹽腐蝕，加速了混凝土的離析。

4 碳纖維加固技術的工作原理

碳纖維增強復合材料加固修補混凝土結構技術，是利用專門配制的粘結劑將碳纖維片粘貼在混凝土構件需補強加固部位表面，使混凝土與碳纖維片形成一體，共同工作的加固修補方式。(1)碳纖維復合材料具有優越力學性能，其抗拉強度是普通Ⅱ級鋼筋抗拉強度的10倍以上，彈模也與鋼材相當。(2)碳纖維材料不與酸堿鹽等化學物質發生反應，因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，適合于沿海地區空氣濕度大，鹽堿含量較高的特點。(3)碳纖維的單位體積重量僅為鋼材的1/4左右，制成板狀后，其厚度僅為1.4mm左右，幾乎不增加結構自重和改變截面外形。由于碳纖維布是一種柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，且不改變結構形狀及不影響結構外觀，很適合于加固橋涵蓋板這類施工面較小的工程。(4)施工簡便、工序簡單，由于其自重較輕，可用小型電動工具操作，操作空間要求較寬松。不像傳統補強方法需要眾多工種、大量勞力及大型施工設備，可以在傳統技術無法施工的有限作業空間內實施。

5 碳纖維加固技術特點及優越性

高強高效。由于碳纖維材料優異的物理力學性能，在加固修補混凝土結構中可以提高混凝土結構及構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。

施工便捷，工效高，無濕作業，不需大型施工機具，施工占用場地少。根據有關統計資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維材料是粘貼鋼板施工工效的4～8倍。

具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性。試驗表明，碳纖維材料加固混凝土結構有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抗御建筑物經常遇到的酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。

適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補混凝土結構可廣泛適用于各種結構類型(如建筑物、構筑物、橋梁、隧道等)、各種結構形狀(如矩形、圓形、曲面結構等)、各種結構部位(如梁、板、柱、節點、拱、殼、墩等)的加固修補，且不改變結構形狀，這是目前任何一種結構加固方法所不可比擬的。尤其重要的是，對于一些大型橋梁橋墩、橋梁、橋板以及隧道、大型筒體及殼體結構工程等，采用舊的加固手段幾乎無法實施，而采用該項加固技術都能順利解決。

施工質量易保證。由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固的結構表面不是非常平整也基本可以達到100％的有效粘貼率，而粘貼鋼板則很難達到100％的有效粘貼面，相應的驗收標準也只要求其達到70％就可以了。

碳纖維材料質量輕且薄，粘貼后每平方米重量不到1.0kg，粘貼一層的厚度僅1.0mm左右，加固修補后基本不增加原結構自重及原構件尺寸。

6 碳纖維加固技術的設計原則

碳纖維加固修補混凝土結構作為一項新技術，既有其不可比擬的優點，但也有其一定的適用范圍和適用條件，超出此范圍而盲目地采用此技術就會導致不安全、不經濟、不合理的后果。首先，被加固結構構件的最小截面尺寸必須滿足有關規范的要求;其次，被加固構件的受壓區高度、配筋率、面積配箍率、體積配箍率等仍要滿足現有規范的要求;第三，要求加固后不改變原有結構的最終破壞形式;碳纖維布的應用存在使用效率問題，同樣的碳纖維布用量，分條加固效果好于整條粘貼，構件受彎承載力隨碳纖維布用量的增加而提高，當碳纖維布使用層數較少時，提高幅度相對較大，隨著碳纖維布層數的增加，提高幅度相應減少;當碳纖維布用量過多時，構件破壞將由碳纖維布被拉斷引起的破壞轉變為混凝土被壓碎破壞，構件延性有所降低。

7 碳纖維加固施工流程

橋涵蓋板加固工程的施工日期要安排在雨季前或雨季后，以減少雨水對工程的影響。其施工工序為施工準備、混凝土表面處理、配置、涂刷底膠、配置找平膠并找平面層、粘貼碳纖維片材、保護。施工基本流程為:被加固結構物表面處理→斷面修復→底層表面的涂布→不平面修整→碳纖維貼片施工→固化→表面涂裝→施工質量檢查。

(1)施工準備:認真閱讀設計圖紙，根據實際情況擬定施工計劃，備齊施工所需的各種材料及機具。

(2)混凝土表面處理:清除橋涵蓋板底面剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層，對于較大面積的劣質層在鑿除后用環氧砂漿進行修復。用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，將混凝土面層打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，轉角粘貼處進行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20mm)。用吹風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

(3)配置、涂刷底膠∶按主劑∶固化劑=2∶1的比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌，根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

(4)配置找平膠(FE膠)并找平面層混凝土蓋板表面凹陷部位用FE膠填平，模板接頭等出現高度差的部位應用FE膠填補，轉角處用FE膠修補成光滑的圓弧，半徑不小于10mm。

(5)粘貼碳纖維片材:按尺寸裁剪碳纖維布，調配、攪拌粘貼碳纖維材料的加固專用膠(FR膠)，攪拌至色澤均勻，然后用滾筒刷均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在確定所粘貼部位無誤后剝去離型紙，將碳纖維布拉緊展平并鋪在涂有FR膠基面上，用特制滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維。碳纖維沿纖維方向的搭接長度不小于100mm，碳纖維端部固定用橫向碳纖維固定。多層粘貼重復上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥進行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維的表面均勻涂抹FR膠。其厚度為1～2mm。

(6)保護在加固后的碳纖維表面噴防火涂料進行保護。

8 結束語

材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優異性能，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應用的時代。通過不同工程實例應用碳纖維加固技術整治、加固技術，總體反映都取得了良好的效果。實踐證明碳纖維具有高強高效、材質薄、重量輕、施工便捷、耐久耐腐蝕性好等特點。因此，該項技術具有重要的社會意義，并蘊藏著巨大的經濟效益。采用碳纖維加固修補混凝土結構在公路養護中具有廣闊的應用前景。