碳纖維筋在危橋加固中的應用

劉　宇

(云南省交通科學研究院，云南 昆明　650011)

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碳纖維筋在危橋加固中的應用

劉宇

(云南省交通科學研究院，云南 昆明650011)

摘要：碳纖維筋橋梁加固是一項新的應用外粘高性能碳纖維復合材料增強結構技術，碳纖維筋與高強聚合物砂漿的聯合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強度、聚合物砂漿的快凝強度和砂漿與鋼筋混凝土結構的溫縮模量的近似特性，提升鋼筋混凝土結構的承載能力，達到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用，提升橋梁加固結構安全領域的技術水平。

關鍵詞：碳纖維筋；橋梁加固；應用

在工程應用研究方面，重點研究碳纖維片材(碳纖維布/碳纖維板之總稱)。在90年代由國家課題支持開展碳纖維片材在混凝土結構(包括橋梁、隧道、水利設施和房建結構)，取得了應用成果并得到廣泛推廣。2003年由中國工程建設標準化協會頒布了《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》(CECS146：2003)，作為指導性文件提供了設計施工和質量檢驗依據。而碳纖維片材用于橋梁加固技術是目前應用較為普遍的技術之一，其十幾年來的應用為橋梁加固事業作出了歷史性的貢獻。

針對傳統橋梁加固改造工程中所存在不足，諸如：因采用的加固材料(如鋼板/纖維布)溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，不能形成同步的溫縮變形狀態，影響加固耐久性；采用鋼材加固增加防銹處理等后期維護投入；以及采取增大截面法，結構面會留下不和諧修補“傷疤”，影響結構外觀和技術狀況評價等問題，碳纖維筋橋梁加固是一項新的應用外粘高性能碳纖維復合材料增強結構技術，主要形式包括“嵌入植筋加強法”和“體外配筋擴大截面增強法”。碳纖維筋與高強聚合物砂漿的聯合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強度、聚合物砂漿的快凝強度和砂漿與鋼筋混凝土結構的溫縮模量的近似特性，既可提升鋼筋混凝土結構的承載能力，也可充分利用新材料環境特征，達到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用。

碳纖維筋為棒型材料，主要成分為由碳元素制成的特種纖維，通過特殊技術處理與石榴石黏結而成。碳纖維分子結構界于石墨和金剛石之間，含碳體積分數在0.9以上。碳纖維根據原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基3種，由原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。根據碳纖維原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基3種。目前，PAN碳纖維按力學性能又分為高模量、超高模量、高強度和超高強度4種；按用途可分為宇航級小絲束碳纖維和工業級大絲束碳纖維，其中小絲束以1K、3K、6K、12K和24K(1K為1 000根長絲單位重量)，大絲束為48K以上，包括60K、120K、360K、480K等。

碳纖維筋的主要性能：(1)質量輕(相當于鋼密度的1/5)；(3)強度高(抗拉強度是鋼筋的7～10倍)；(3)密度小(1.5～2 g/cm3)；(4)彈性模量高(彈性回復100%)；(5)熱膨脹系數小，耐高溫和低溫性好；(6)耐酸性好，對酸呈惰性，耐濃酸侵蝕；(7)表面灌注石榴石，與砂漿附著力強。

聚合物砂漿是由水泥、速凝添加劑、粉末狀聚合物、碎石與水等混合拌制而成，其粘結強度高，熱膨脹系數與混凝土類似。

聚合物砂漿的主要特點：(1)黏附性好，與原結構舊混凝土表面黏附良好，使纖維筋與原結構共同受力；(2)穩定性好，能有效抑制有害物質的滲透和擴散；(3)和易性好，利用快捷、速凝的功能特點，修繕結構腐蝕表面，達到修舊如新。聚合物砂漿可以維修各種老化受損的混凝土表面。

橋梁作為公路交通的關鍵設施，具有跨越深谷、承受運載、通航泄洪、保證安全、連接路網的重要功能。目前，我國各級公路上營運的橋梁總數達60余萬座，總計3 000余萬延米

按橋梁設計技術標準對大中小類型的橋梁平均使用壽命測算，橋梁平均設計使用壽命在50年左右。全國年均需要改造翻新的橋梁約有10 000余座，合計約60余萬延米。以二級路為例，每年國家需要投入的橋梁改造費用上百億人民幣，這是一筆巨大的投資。根據近10年危橋改造的統計數據表明，現有重交通組成作用下的橋梁使用壽命平均在33年之內，部分路段橋梁的使用壽命甚至更短。如何更有效的延長橋梁的使用壽命、如何更有效的提高危險橋梁的改造利用技術、如何將加固后的橋梁變得更持久，是當前橋梁管理中面臨且急需解決的問題。

面對當前大規模的橋梁改造任務，各級橋梁管理部門都十分重視其處理效果，近年來積極研究和尋求有效的維修加固新技術，但這并不是一件容易的事情，目前在橋梁加固改造中常采用的技術還是十幾年前的研究成果，主要方法如：“帖鋼板加固法”、“擴大截面加固法”、“體外(內)預應力加固法”、“帖碳纖維布加固法”等，這些材料技術為輕交通狀態下的橋梁加固做出過貢獻。隨著近幾年重交通的發展和擴散，現有橋梁的加固材料和工藝技術在適應性方面面臨巨大挑戰。一方面是目前所使用的加固材料(如鋼板/纖維布)其溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，造成加固后的補強材料與原結構的溫縮變形差異化，形成不同步的溫縮變形狀態，影響加固耐久；另一方面當前加固中為提高結構受力的高強材料仍然采用鋼材，因鋼材有防銹處理的要求，這樣就增大了后期的維護投入，在結構層面上需要增設3 cm以上厚度的防銹保護，造成自重增加，影響使用效果；此外，在增大截面法中，因材料強度因素，需要增厚自重增加，影響結構受力和加固效果。現有加固材料和工藝中即便是解決了受力要求，但施工后的結構面會留下不和諧修補“傷疤”，影響結構外觀和技術狀況評價。

由此可見，研究和選擇一種高強、防腐蝕、經濟、施工方便，且與鋼筋混凝土材料溫縮模量相一致的維修加固材料，達到理想的加固改造,且能提高橋梁的承載能力是十分迫切和必要的工作。

碳纖維筋橋梁加固技術為新材料新工藝應用科學研究范疇，該技術適用廣泛、概念新異、高效耐久，為現有橋梁加固材料的替代產品，將積極推動我國舊橋加固技術的發展，解決困擾各級橋梁管理人員有關橋梁行駛安全的顧慮，大大提升結構安全領域的技術進步。

參考文獻：

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[2]趙稼祥.碳纖維復合材料在基礎設施和土木建筑中的應用[J].玻璃鋼/復合材料，2004.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀[J].高科技纖維與應用，2004.

[4]簡匯宏.碳纖維之結構與導電性的關系[J].高科技纖維與應用，2003.

收稿日期：2016-02-19

作者簡介：劉宇(1982-)，男，工程師。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)06-0144-02

Application of carbon fiber reinforcement in the dangerous bridge strengthening

LIU Yu

(Yunnan Traffic Science Research Institute, Kunming, Yunnan 650000, China )

Abstract:Carbon fiber reinforced concrete bridge is a new technology, which is used to improve the tensile strength of fiber reinforced concrete, and to improve the bearing capacity of reinforced concrete structure, and to improve the safety of the bridge structure in the field of maintenance.

Keywords:carbon fiber reinforcement; bridge strengthening; application