碳纖維加固技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

摘要：碳纖維作為一種新型的高強(qiáng)度復(fù)合材料，因其具有質(zhì)輕、耐腐蝕、片材薄、抗拉強(qiáng)度高、現(xiàn)場(chǎng)粘貼無(wú)需重型設(shè)備、能有效地封閉混凝土的裂縫以及易施工操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在加固橋梁時(shí)能很好地提高橋梁的結(jié)構(gòu)承載力而被廣泛應(yīng)用。在本文中，首先從碳纖維加固技術(shù)特點(diǎn)及其在橋梁工程中的應(yīng)用入手分析，從而著重論述了其在加固橋梁時(shí)的施工要點(diǎn)，最后僅就碳纖維在加固橋梁時(shí)的施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了補(bǔ)充，以更好地促進(jìn)碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳纖維；橋梁加固；施工技術(shù)；應(yīng)用

1 前言

碳纖維又稱(chēng)高強(qiáng)度復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Piastics）CFRP，它加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用對(duì)混凝土有很強(qiáng)的滲透性和足夠的粘結(jié)強(qiáng)度的樹(shù)脂，將碳纖維布粘貼于混凝土表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達(dá)到對(duì)建筑物加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。由于它具有質(zhì)量輕、減震性能好、現(xiàn)場(chǎng)粘貼無(wú)需重型設(shè)備、優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、能有效地封閉混凝土的裂縫以及易施工操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁結(jié)構(gòu)加固中得到了較為廣泛的應(yīng)用。已有的研究結(jié)果表明，采用碳纖維加固橋梁可有效的恢復(fù)與提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力。

當(dāng)前，隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)20世紀(jì)中后期建造的大部分橋梁開(kāi)始進(jìn)入了大修期，而采用加固技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行加固，恢復(fù)和提高舊橋的承載力和通行力也就成了維修的重點(diǎn)。而縱觀一些常用的加固技術(shù)，如粘貼鋼板加固法、體外施加預(yù)應(yīng)力等，其在一定程度上會(huì)破壞原橋的結(jié)構(gòu)。而相對(duì)于這些加固技術(shù)，碳纖維加固法因其所具有的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于橋梁的加固工程中。

2 碳纖維加固技術(shù)的特點(diǎn)及其在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1碳纖維加固技術(shù)的特點(diǎn)

1.采用碳纖維加固法方便快捷，不需要使用大型加固機(jī)具，效率高，施工速度快，所需工作面小。因而在作業(yè)空間受限時(shí)，該優(yōu)點(diǎn)更是其他加固方法無(wú)法比擬的。

2.將碳纖維布粘貼在混凝土表面，可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，其高強(qiáng)高模量的特性還延緩或消除裂縫的生成和擴(kuò)展，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.采用碳纖維布進(jìn)行加固，不用打孔，無(wú)須設(shè)置錨固螺栓及開(kāi)鑿混凝土，因而不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成新的損傷。

4.碳纖維布的自重僅為200-300g/m2，設(shè)計(jì)厚度為0.111-0.167mm，加上樹(shù)脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響是微乎其微。由于碳纖維布的厚度很薄，在粘貼固化后還可以涂刷一層與原結(jié)構(gòu)顏色一致的涂料，因此應(yīng)用于橋梁加固后不改變?cè)袛嗝娴拇笮『托螤睿獗磔p巧美觀。

5.經(jīng)濟(jì)耐用，加固效果好，不需要后期進(jìn)行維修。

6.由于碳纖維材料本身抗疲勞性能優(yōu)異，用碳纖維布加固的混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能將會(huì)提高。

7.碳纖維布是一種復(fù)合材料，幾乎無(wú)腐蝕性和磁性以及其有較好的耐熱性，抗腐蝕性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，加固后的構(gòu)件不僅經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕，同時(shí)也適用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性的環(huán)境，因而可以說(shuō)碳纖維加固法可以應(yīng)用于各種復(fù)雜工作環(huán)境中的構(gòu)件加固。

8.碳纖維材料糙率低于混凝土表面糙率，在加固段可以提高水流的通過(guò)能力。

9.提高加固構(gòu)件的抗?jié)B能力和抗沖刷能力。

2.2碳纖維材料在橋梁工程中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代末到90年代初，日本開(kāi)始進(jìn)行了碳纖維材料用于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究，也是世界上最早采用碳纖維布進(jìn)行橋梁加固的國(guó)家之一。隨后，碳纖維加固技術(shù)開(kāi)始在韓國(guó)、美國(guó)、歐洲、等國(guó)家得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。相對(duì)于美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家，我國(guó)對(duì)碳纖維加固橋梁技術(shù)的研究起步較晚。

碳纖維材料不僅可以用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固，也可以用于橋梁下部結(jié)構(gòu)——墩臺(tái)的加固，即在橋墩外面纏繞纖維，使橋墩的強(qiáng)度及受力狀態(tài)得到明顯改善，從而提高橋墩的承載能力。在進(jìn)行加固時(shí)，可以將碳纖維布粘貼在混凝土梁的頂板、底板上，用于提高梁的剛度；也可以將其粘貼在混凝土梁的腹板上，用于提高梁的抗剪強(qiáng)度。

3 橋梁施工中碳纖維加固技術(shù)的施工要點(diǎn)

3.1表面處理

1.為了使加固時(shí)粘合劑和碳纖維更好地連接，在進(jìn)行碳纖維的加固前可用人工鑿除法、氣動(dòng)工具鑿除法或高速射水法將加固部位表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土清除干凈，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，確保施工面一定保持無(wú)雜物附著、無(wú)凹凸不平區(qū)域、無(wú)松散材料等。

2.按設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)橋梁的裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。然后待灌縫結(jié)束后將混凝土表面打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)。3.在橋梁轉(zhuǎn)角處等較為復(fù)雜的部位時(shí)，在進(jìn)行表面處理時(shí)應(yīng)將其菱角部位處理并打磨成圓弧狀，使其成為光滑的圓弧狀。一般，要求處理后其圓弧半徑不應(yīng)小于2Omm。最后混凝土表面應(yīng)清理干凈并保持干燥。

3.2涂刷底層樹(shù)脂

1.應(yīng)按產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)提供的工藝規(guī)定配制底層樹(shù)脂。在配制樹(shù)脂時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明規(guī)定的配比稱(chēng)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)。

2.由于底層樹(shù)脂的性質(zhì)容易受到環(huán)境、溫度等因素的影響，因此在配制時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度決定樹(shù)脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。

3.在涂刷底層樹(shù)脂時(shí)，應(yīng)采用滾筒刷將底層樹(shù)脂均勻涂抹于混凝土表面，待其表面指觸干燥后，即可進(jìn)行下一工序的施工。

3.3找平處理

應(yīng)對(duì)混凝土表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，不應(yīng)有棱角。轉(zhuǎn)角處應(yīng)采用找平材料修理成為光滑的圓弧，半徑不應(yīng)小于20mm。待找平材料表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。

3.4粘貼碳纖維布

1.在粘貼碳纖維布前，應(yīng)根據(jù)工程的設(shè)計(jì)要求，對(duì)施工基面的寬度及大小進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，要求其沿纖維受力方向的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于1O0mm。這樣，即可準(zhǔn)確地裁剪碳纖維布，也可避免在粘貼時(shí)出現(xiàn)基面裸露、表面褶皺或邊緣翹起等現(xiàn)象。

2.按工藝規(guī)定的配比將主劑和硬化劑放入拌合桶內(nèi)進(jìn)行配制浸漬樹(shù)脂，在拌合時(shí)使用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行拌合，要求兩種材料要均勻拌合2min以上。待浸漬樹(shù)脂配制好后即可均勻涂抹于粘貼部位。

3.碳纖維的選取要符合表1中性能指標(biāo)的要求，具體見(jiàn)表1。

表1碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)

性能碳纖維布

抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck（MPa）≥3000

彈性模量（MPa）≥2.1×105

延伸率（%）≥1.4

注：?jiǎn)螌犹祭w維布纖維單位面積質(zhì)量不宜小于150g/m2，不宜高于400g/m2。

4.將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，采用專(zhuān)用的帶肋式滾刷順纖維方向反復(fù)多次滾壓，使碳纖維布和浸漬樹(shù)脂充分融合，擠除布內(nèi)的氣泡，同時(shí)在滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。

5.當(dāng)采用多條或多層碳纖維布加固時(shí)，各條或各層碳纖維布的搭接位置宜相互錯(cuò)開(kāi)。

3.5表面防護(hù)

1.粘貼完碳纖維布且成型后，考慮到其后期的使用壽命和保養(yǎng)等問(wèn)題，根據(jù)工程的具體要求可在其表面人工涂抹保護(hù)涂料。如需要單純的防止風(fēng)于、延緩老化，需在碳纖維布的表面涂抹防曬漆；如果需要提高其防火性能，則需在其表面均勻涂上一層防火漆，避免高溫?fù)p傷。一般，防護(hù)涂料應(yīng)涂抹20-30mm厚。

2.在涂抹保護(hù)涂料時(shí)，要求涂料顏色與板底混凝土顏色一致，涂抹前應(yīng)將表面清理干凈，保證粘貼完碳纖維布的梁底美觀。

4 碳纖維布加固時(shí)的施工注意事項(xiàng)

4.1在表面處理和粘貼碳纖維布前應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線(xiàn)定位。

4.2碳纖維布配套樹(shù)脂的原料應(yīng)密封儲(chǔ)存，遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射。

4.3在進(jìn)行混凝土病害部位的清理時(shí)，要注意不要損傷梁體原有鋼筋（尤其是主筋）。

4.4碳纖維為導(dǎo)電材料，使用時(shí)應(yīng)盡量原理氣設(shè)備及電源。

4.5碳纖維布粘貼完畢后24小時(shí)內(nèi)嚴(yán)禁擾動(dòng)，達(dá)到加固效果后嚴(yán)禁對(duì)碳纖維有任何的人為損傷。

4.6碳纖維布施工時(shí)宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹(shù)脂或采用升溫處理措施。

4.7在進(jìn)行碳纖維布施工時(shí)必須要穿戴保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，交通量急劇增加，大部分橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于超負(fù)荷的工作狀態(tài)，橋梁老化速度明顯加快，橋梁結(jié)構(gòu)的損害情況也日益增加，這就使得橋梁維修加固的工作日益繁重。在幾種加固橋梁的技術(shù)中，很多在維修過(guò)程中會(huì)破壞橋梁的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，或者是有些對(duì)施工場(chǎng)地有特別的要求。而采用碳纖維進(jìn)行橋梁的加固，其可很好地避免其他幾種加固技術(shù)的缺點(diǎn)，提高橋梁的加固質(zhì)量和效率，因此在我國(guó)橋梁的維修加固中得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著碳纖維加固技術(shù)的大量應(yīng)用，希望工作在第一線(xiàn)的橋梁工程師們和施工人員可以根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步了解這種加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步完善其在橋梁加固中的應(yīng)用。相信隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，碳纖維加固技術(shù)會(huì)有更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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