橋梁加固碳纖維布粘貼術研究

■高彥雷 ■廣州市公路工程公司，廣東 廣州 510000

1 前言

橋梁作為交通線路的跨越、交通連接節點樞紐，在服務地方交通建設與經濟發展中發揮著極其重要的作用。隨著橋梁運營時間的增加、車流量的不斷增長和重、超載交通流的爆發式增長，橋梁病害日益嚴重，其病害主要體現在橋梁主橋箱梁頂板出現大量裂縫，主橋剛度下降，影響橋梁的承載能力、正常運行與安全。橋梁加固技術的應用與研究是擺在廣大專業技術人員面前重要課題之一。

碳素纖維布，簡稱碳纖維布是一種高性能復合材料。碳纖維布加固材料修復補強混凝土結構是一項應用外貼加固結構的新技術，碳纖維加固通過利用碳纖維材料卓越的抗拉強度，通過與其配套的粘結劑與混凝土結構形成共同體，達到的增強構件承載能力及剛度的目的。

2 碳纖維布加固性能研究

碳纖維布重量輕、強度高、彈性模量高和耐腐性能好，與結構膠配套使用成為碳纖維復合材料，可達到更加優于普通鋼的加固性能，廣泛應用于混凝土結構裂縫處理、材料老化處置、惡劣環境結構件修繕與防護、提高載荷承載能力等場合。

粘貼鋼板加固與粘貼碳纖維加固法性能比較如表1。

表1 粘貼鋼板加固與粘貼碳纖維加固法性能比較

3 橋梁主箱梁碳纖維布粘貼加固技術研究

3.1 碳纖維布粘貼加固施工工藝流程

橋梁加固維修工藝中，在箱梁頂板底面橫向粘貼符合設計要求的碳纖維布，并按設計要求的間距布置，碳纖維布粘貼施工后在其表面進行防護涂裝。橋梁主箱梁內頂板碳纖維粘貼施工工藝如圖1所示。

圖1 碳纖維粘貼施工工藝圖

3.2 施工方法及措施研究

3.2.1 放線測量與混凝土基底處理

(1)施工準備與放線測量

施工技術人員按加固修復與補強設計方案要求對粘貼范圍進行定位、彈墨線等施工準備工作。

(2)混凝土基底處理

橋梁箱梁內頂板混凝土表面潔凈與平整與否直接影響到碳纖維布的粘結效果。箱梁內頂板混凝土表面的蜂窩、麻面、剝落、孔隙、腐蝕等殘缺和破損和風化、浮漿、脫膜劑、剝離的原漿、不潔物等表面裂化層、交接部位等表面凸出位置均可用砂輪機進行打磨，使得加固位置混凝土基底表面密實、平整、潔凈、干燥。

3.2.2 底涂樹脂涂刷

(1)底涂樹脂制作

底涂樹脂，也稱為底涂膠，應與準備施工粘貼的碳纖維布配套使用。底涂樹脂按設計要求的配合比對主劑和固化劑進行稱量、配伍、并攪拌均勻，單次制作量以在限用時間使用完畢為準。

(2)工具與涂刷工藝

底涂樹脂中禁止添加任何溶劑，底涂樹脂毛刷、滾筒等涂刷工具不得粘有溶劑，底膠涂刷均勻，涂刷底層樹脂厚度不得超過1mm;雙層涂刷時，應待第一層指觸干燥(3h～24h)后再涂刷第二層;底涂樹脂固化后因凝結而凸起的表面可用砂紙打磨，如打磨處混凝土基面露出，則需補刷底涂樹脂。

氣溫低于5℃、相對濕度大于85%、混凝土表面含水率大于4%、雨天、結露等情況下不得進行涂刷施工。

3.2.3 混凝土找平修整

橋梁箱梁頂板混凝土表面存在的蜂窩、麻面、小孔等凹陷和段差、起拱等內角嚴重影響碳纖維布粘貼施工質量，為確保碳纖維布粘貼嚴密平整不起鼓，必須需要采用找平膠對混凝土凹陷和內角進行找平修復和填補平順;對找平膠涂刮后表面存在的凹凸紋，采用砂紙進行打磨平整。

找平膠涂刮施工氣溫需大雨5℃，相對濕度小于85%。

3.2.4 粘貼碳纖維布

(1)溫濕度控制

混凝土粘貼表面應干燥、潔凈。氣溫低于5℃、相對濕度大于85%、雨天或結露時不得進行碳纖維布粘貼施工。

(2)碳纖維布裁切

按設計與施工放線要求進行碳纖維布長度尺寸裁切，裁切數量以施工當日用量為準。為確保碳纖維布斷頭齊整不脫絲。

(3)粘結樹脂制作

應按設計要求的配合比對粘結樹脂主劑和固化劑進行稱量、配伍和攪拌均勻，單次制作量以在限用時間使用完畢為準。

(4)粘貼施工

碳纖維粘貼面底膠、橋梁箱梁頂板混凝土基底涂刷底涂膠與找平膠符合指觸干燥要求后方可進行粘貼施工。如果混凝土基底涂刷底涂膠、修補與找平膠完工至碳纖維粘貼施工間隔時間超過1周，需用砂紙打磨混凝土基底涂刷層，以確保凝土基底和碳纖維布粘合性能。

下涂也就是在待粘貼位置混凝土表面進行滾筒涂刷均勻的粘結樹脂。碳纖維布搭接部位、混凝土拱起與拐角位置和殘缺修補處可適當加大涂刷量。碳纖維布縱向接頭搭接長度需大于10cm，搭接區域應多涂粘結膠，橫向則無需進行搭接施工。

碳纖維布粘貼后，施工技術人員采用羅拉等專用工具沿碳纖維方向在碳纖維布上進行多次滾壓和按壓，有效消除碳纖維布和粘接膠之間的空氣，并使下涂粘結樹脂充分滲浸粘貼的碳纖維束。碳纖維布粘貼施工20min～90min后，用滾筒在碳纖維布上涂刷粘結樹脂進行上涂作業，用以防護碳纖維布。上涂后采用羅拉沿碳纖維方向用力滾壓脫泡，使碳纖維內部繼續補充滲浸粘結樹脂。上涂粘結樹脂固化后，在碳纖維布表面形成一層堅硬防護層，并與碳纖維布共同構成復合材料。雙層碳纖維布粘貼施工則分層重復進行，待第一層碳纖維布表面干燥后方可進行下一層粘貼施工。

橋梁箱梁頂板混凝土棱角粘貼碳纖維布時，碳纖維布應沿其纖維方向進行粘貼。

碳纖維布上涂施工固化后須進行空鼓檢查，按相關規范和設計要求進行碳纖維布粘貼位置、粘貼數量、空鼓率、拉拔強度、粘結劑厚度等項目檢測工作。

橋梁加固碳纖維布實際施工效果如圖2所示。

圖2 橋梁加固碳纖維布施工效果圖

3.2.5 碳纖維布粘貼施工缺陷研究

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘結初期硬化后的常用缺陷為空鼓，空鼓可采用注入粘結樹脂法、割刀切入填充樹脂修補法和替換修復法三種方法進行修復處理。碳纖維布的空鼓面積小于1000mm2時，可采用注入粘結樹脂法、割刀切入填充樹脂修補法進行修補;缺陷空鼓面積大于1000mm2時，可采用替換修復法進行修復。

(1)注入粘結樹脂法

注入粘結樹脂法如圖3，在空鼓處碳纖維布上開2個以上小孔，使用注射器將粘結樹脂注入至空鼓處各小孔樹脂溢出即可。

圖3 注入粘結樹脂法

(2)割刀切入填充樹脂修補法

割刀切入填充樹脂修補法如圖4。將空鼓位置的碳纖維布用割刀切開，然后填充樹脂并用刮片刮平。

(3)替換修復法

替換修復法如圖5所示。先用刀具將空鼓處碳纖維布裁切，然后另外裁切與空鼓處同形狀碳纖維布進行搭接粘貼，搭接長度不小于100mm。

圖4 割刀切入填充樹脂修補法

圖5 替換修復法

3.2.6 養護與防護措施

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘貼后初期固化需自然養護24h，橋梁在固化期間禁止開放交通;碳纖維布粘貼自然養護1周左右即可以滿足設計強度要求。

碳纖維粘貼施工結束，可在橋梁箱梁頂板整體噴涂耐候性涂料對碳纖維布進行有效防護，提高抗老化性能。

護較為合適。

3.3 檢驗及驗收研究

3.3.1 進場驗收

碳纖維布及其配套的各種樹脂膠粘劑進場驗收時，橋梁加固施工單位應會同監理單位對碳纖維布及其配套樹脂膠粘劑的產品合格證、質量檢驗報告、中文標志等進行進場檢查，并抽樣復驗產品的安全性能是否符合相關設計規范要求。

(1)碳纖維布安全性能指標

碳纖維布安全性能指標主要有抗拉強度標準值、受拉彈性模量、伸長率、仰貼彎曲強度、正拉粘結強度、單位面積質量等。橋梁箱梁頂板加固碳纖維布安全性能指標要求見表2。

表2 碳纖維布安全性能指標

常用碳纖維布單位面積質量、截面面積和計算厚度如表3。

表3 常用碳纖維布的單位面積質量、截面面積和計算厚度

(2)配套樹脂膠粘劑性能檢驗要求

橋梁箱梁頂板加固粘貼用樹脂膠粘劑應采用與碳纖維布配套的底涂樹脂、修補找平膠和浸漬、粘結能力強的粘結樹脂。

底涂樹脂安全性能檢驗指標如表4。

表4 底涂樹脂安全性能檢驗指標

修補找平膠安全性能指標如表5。

表5 修補找平膠安全性能指標

碳纖維布粘結樹脂安全性能指標如表6。

表6 碳纖維布粘結樹脂安全性能指標

3.3.2 隱蔽工程檢驗

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘貼施工應按隱蔽工程與相關設計規范要求進行各工序檢驗及驗收，確保碳纖維布粘貼面積和位置偏差符合設計要求。隱蔽工程檢驗合格方可進行下一工序施工。

3.3.3 粘結質量檢驗

(1)檢驗方式

橋梁箱梁頂板加固碳纖維布粘結質量檢驗采用手壓、小錘輕敲的方法進行檢查，確保碳纖維布有效粘結面積不低于95%。碳纖維布粘結強度檢驗采用碳纖維粘結強度測定儀進行現場抽樣檢驗及評定。

以1500～2000N/min勻速加載，記錄破壞時的荷載值，并觀察破壞形態。

(2)檢驗計算

正拉粘結強度計算應按下式計算:

其中f為碳纖維正拉粘結強度(MPa);P為試樣破壞荷載值(N);A為鋼標準塊粘結面面積(mm2)。

(3)試樣破壞判斷

試樣破壞形式分為內聚破壞、粘附破壞和混合破壞三種。其中內聚破壞又分為混凝土內聚破壞和膠粘劑內聚破壞。

試樣正常與不正常破壞判斷標準如表7。

表7 試樣正常與不正常破壞判斷標準

(4)碳纖維布粘貼施工質量合格檢驗標準

碳纖維布粘貼施工質量合格檢驗分為組檢驗和批檢驗，檢驗結果以正拉粘結強度和破壞形式來表示。碳纖維布粘貼施工質量正拉粘結強度檢驗每組取樣3個，并以算術平均值為檢驗結果。當檢驗組內所有試樣正拉粘結強度均符合或者有1個式樣不符合要求但加倍重做檢驗結果符合要求，且試樣為正常破壞形式，評定該組為組檢驗合格。批檢驗內各組均組檢驗合格，或者批檢驗的組試樣不少于20組且只有一組因個別試樣檢驗不合格，評定該批碳纖維布粘貼施工質量合格。

4 結語

碳纖維布粘貼技術在橋梁箱梁頂板加固施工中得到廣泛的應用和實踐，可有效增強橋梁箱梁頂板剛度，恢復橋梁運營性能與通行能力，取得了良好的應用效果與經濟效益。橋梁主橋箱梁頂板碳纖維布粘貼加固施工，應按設計規范要求做好材料進場質量關、隱蔽工序檢驗關和現場檢驗關把關，確保碳纖維布粘貼施工質量合格。

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