淺談碳纖維在橋梁加固中的應用

李天林（梅州寶誠建設工程有限公司）

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淺談碳纖維在橋梁加固中的應用

李天林
（梅州寶誠建設工程有限公司）

【摘要】本文結合省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋兩座舊橋的加固實例，介紹了碳纖維的基本特性、碳纖維加固技術的施工工藝，為同類橋梁加固施工提供借鑒。

【關鍵詞】碳纖維；橋梁；加固

1　引言

近年來，隨著經濟的發展，城市化進程不斷加快。受交通運輸日益繁重和超重車輛增多的影響，相當一部分現有橋梁由于建成時間較長，原有設計荷載等級較低，存在不同程度的病害，不能滿足現階段及將來的通行需要。為確保橋梁運營安全，需要對舊橋進行合理有效的加固改造，以恢復和提高既有橋梁的承載能力。

粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術在國外的應用已廣泛，日本是世界上碳纖維的生產大國，不僅產量幾乎占世界的一半，其對碳纖維的研究也較深入。1995年以后，我國才開始這方面的研究，工程積累經驗也不是很足。粘貼碳纖維加固技術作為一種新型的橋梁加固改造技術，能夠恢復和提高既有橋梁的承載能力。筆者參與了我市梅縣區采用粘貼碳纖維加固技術加固改造省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋兩座危舊橋的工程，根據完工后的荷載試驗和監測結果，舊橋加固效果良好，加固后的橋梁承載能力均達到設計預期目標。由于碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項新技術，本文試通過兩座舊橋加固的實例，對碳纖維加固橋梁技術的應用進行探討和研究。

2　碳纖維材料的基本特性

粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術是在橋梁需加固部位粘貼高性能的碳纖維材料來對橋梁進行加固補強的一項新技術，所采用的基本材料是碳纖維片材和配套樹脂類粘結材料。其基本原理是將碳纖維片材用專門配制的樹脂類粘結材料粘貼在修復處理后的橋梁加固部位表面，使碳纖維和原結構混凝土在固化后合為一體，共同受力工作。

2.1碳纖維片材

碳纖維片材包括碳纖維布和碳纖維板，其中碳纖維布是布狀制品，碳纖維板是經拉擠成型后的板狀制品，碳纖維板較多應用于預應力加固。碳纖維片材具有以下幾個特點：①抗拉強度高。碳纖維材料的拉伸強度較高，碳纖維布的抗拉強度標準值不低于3000MPa，碳纖維板的抗拉強度標準值不低于2000MPa，大大高于普通鋼材。②彈性模量高。碳纖維布的受拉彈性模量不低于2.1×105MPa，碳纖維板的受拉彈性模量不低于1.4× 105MPa。③單位質量較輕。單層碳纖維布的單位面積質量一般不高于300g/m2。④良好的化學穩定性。由于化學結構穩定，碳纖維不易受各類化學物質的腐蝕，且耐寒和耐熱性均較理想。⑤耐久性好。碳纖維片材的強度和粘結性在50年內幾乎沒有任何變化，而且抗拉強度沒有任何損失。⑥施工方便。碳纖維片材由于質輕，施工工序簡單，用工量較少，工期較短，可以隨意裁剪，施工極其方便。

2.2碳纖維布

目前加固工程中大量使用的是單向碳纖維片材，雙向或多向碳纖維片材工程實踐經驗較少。在橋梁工程加固中，應用較多的是單向碳纖維布，單向碳纖維布又一般分為高強度I級和高強度II級兩種，高強度I級的性能指標高于高強度II級。據相關應用研究表明，采用碳纖維布加固后，不僅可以增強梁、柱的抗剪能力達30%～80%，而且可以提高梁、板的抗彎能力達30%～100%。單向碳纖維布用于橋梁加固時，一般應核對或抽樣檢測下列7個性能項目：抗拉強度、彎曲強度、層間剪切強度、仰貼條件下纖維復合材與混凝土的正拉粘結強度、受拉彈性模量、伸長率、單位面積質量。必須由具備相關資質條件的檢測機構進行檢測。

2.3配套樹脂類粘結材料

配套樹脂類粘結材料質量的好壞是粘貼碳纖維片材質量好壞的關鍵。在進行橋梁結構加固時，必須使用配套的底膠、修補膠和結構膠粘劑才能保證加固效果。底膠、修補膠和結構膠粘劑均為樹脂類材料。

⑴底膠。底膠必須嚴格按生產廠家提供的說明書進行配制，按規定比例將主劑和固化劑配制好后，將底膠涂于橋梁加固部位的混凝土表層，其主要作用是提高加固部位的混凝土表面強度及粘結強度。底膠根據性能高低分為A級膠和B級膠，A級膠性能優于B級膠，一般應核對或抽樣檢測的性能項目有：濕熱老化后抗剪強度降低率、混合后初黏度、與混凝土的正拉粘結強度、鋼-鋼拉伸抗剪強度、不揮發物含量。

⑵修補膠。修補膠必須嚴格按生產廠家提供的說明書進行配制，修補膠的主要作用是找平修整，修復加固部位混凝土的表面質量缺陷。修補膠并不是使用得越多越好，當加固部位的混凝土表面質量和平整度均較好時，宜盡量減少修補膠的使用量。修補膠一般應核對或抽樣檢測的性能項目有：膠體抗彎及抗拉強度、與混凝土的正拉粘結強度。

⑶結構膠粘劑。結構膠粘劑的主要作用是使碳纖維材料與原結構混凝土的粘結變得充分，固化后合成一個整體，共同受力。結構膠粘劑根據性能高低分為A級膠和B級膠，A級膠性能優于B級膠。一般應核對或抽樣檢測的性能項目有：膠體性能（抗彎、抗拉、抗壓強度、伸長率、受拉彈性模量）、不揮發物含量、粘結能力。

3　粘貼碳纖維片材加固施工工藝流程

為使碳纖維粘貼效果達到預期目標，在橋梁加固時，應采取相關措施使影響橋梁加固部位的荷載作用減到最少。粘貼碳纖維施工工序：施工準備→處理加固部位基面→涂刷底膠→找平修復處理→制備結構膠粘劑→加固部位外貼碳纖維→涂刷防腐漆→檢查驗收。

3.1施工準備

加固前，施工人員應熟悉施工圖紙，檢查核對進場材料的產品合格證和質檢報告，不合格材料不得使用，并清理出施工現場，但不得隨意丟棄。根據施工現場的實際情況，制訂好施工方案并按規定程序報批。

3.2處理加固部位基面

加固部位混凝土表面如存在劣化混凝土，應先將劣化層清除，打磨后用大于或等于原混凝土強度的環氧樹脂砂漿材料對表面進行修復。如加固部位存在局部裂縫，應先對裂縫進行灌縫或封閉處理。

用鋼絲刷在加固部位混凝土表面打毛，再用空壓機除去粉塵，清水沖洗干凈，并用脫脂棉在完全干燥后的混凝土基面擦少許二甲基酮。

3.3涂刷底膠

配制底膠，必須嚴格按照生產廠家提供的說明書進行現場配制，攪拌必須均勻（可用人工或電動攪拌）。配制底膠的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環氧樹脂，產品一般經過毒性檢驗，不會含有乙二胺、有害溶劑和非反應性稀釋劑等。為確保粘貼質量，配制時，應根據當天的氣溫計算好底膠需用量，并在規定的使用時間內涂刷完畢。超過規定的使用時間，沒有涂刷完的底膠應廢棄。

涂刷底膠時，應保持均勻且不得有疏漏，并注意控制涂刷的厚度，一般不厚于0.4mm，檢查確認無氣泡后，一般待底膠干燥2小時以上方可轉入下道工序。

3.4找平修復處理

基礎修補找平膠應在施工現場配制，且配制時配合比應嚴格按生產商提供的使用說明書配制。配制基礎修補找平膠的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環氧樹脂，產品一般經過毒性檢驗。

基礎修補找平膠一般用量較少，一般用于加固表面混凝土凹凸不平、轉角及接頭高差等部位。為確保碳纖維粘貼質量，上述部位應修補完整并經找平處理，處理后接頭部位無棱角，轉角處表面光滑。

3.5制備結構膠粘劑

上述工序完成后，方可在施工現場配制結構膠粘劑，配制結構膠粘劑的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環氧樹脂，產品經過毒性檢驗，配制時配合比應嚴格按生產商提供的使用說明書配制。

3.6加固部位外貼碳纖維

在橋梁需加固部位待粘面上畫出各層位置，并嚴格按設計要求的尺寸裁剪出各部位的碳纖維片材。為防止保管期間的破損，裁剪數量只裁所需使用的數量。裁剪好碳纖維片材后，將配制好的結構膠粘劑涂刷于待粘部位。涂刷結構膠粘劑應在所有要粘貼碳纖維材料的部位均勻地涂刷，而且涂刷必須采用專用工具（滾筒），滾壓必須同一方向多次來回，但滾壓時應注意保護好碳纖維片材，碳纖維片材盡量平展順直，避免彎折。氣泡完全消除且結構膠粘劑浸透片材后至少靜置半小時。

多層碳纖維片材進行粘貼時，必須按以上步驟進行操作，每一層碳纖維表面干燥后立即進行下一層碳纖維片材的粘貼。

3.7涂刷防腐漆

碳纖維片材粘貼后，在碳纖維片材表面必須涂刷兩道聚氨脂防腐漆，以形成碳纖維的保護層（當碳纖維為間隔粘貼時，涂刷范圍為碳纖維加固區域，即包括碳纖維片材間的空隙）。

3.8檢查驗收

檢查驗收的方法比較簡單，易于掌握，一般采用錘擊法或手壓法來檢驗片材的粘結質量。具體驗收標準為：總有效粘結面積大于或等于95%。當空鼓面積小于100cm2時，可用針管注入結構膠的方式進行補救；空鼓面積大于100cm2時，先將空鼓部位的片材切除，再在空鼓處搭接20cm以上的等量碳纖維片材。

3.9其它事項

碳纖維片材及配套膠粘劑必須存放于通風良好的陰涼干燥處。存放時，碳纖維片材作為能導電的材料，應做好防火、防電、防潮保護措施。

現場施工人員應密切監控施工現場的環境溫度和天氣情況，一般適宜施工的溫度在5℃以上、40℃以下。否則，必須采取相關升溫或降溫措施方可施工。施工企業必須建立健全的施工現場職業健康安全管理制度，為現場作業人員購置各種勞動安全保護用品。

表1　梅州市梅縣區近年應用碳纖維加固橋梁詳細情況

4　工程應用實例

4.1工程概述

⑴省道S223線梅縣劍英大橋位于梅縣雁洋，跨越廣東省梅縣梅江河，橋梁全長326.29m，橋梁上部結構是6×45m鋼筋混凝土鋼架拱，下部結構采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.4m，橋臺采用樁基礎與重力式組合橋臺。2007年8月完成加固與維修施工圖設計，加固與維修設計要求對橋梁上部、下部結構均進行加固，其中主拱實腹段、拱腿和弦桿正彎矩段采用粘貼碳纖維布加固。

⑵梅縣Y035線錦江大橋位于梅縣丙村鎮，是連接丙村鎮錦江南北兩岸丙村和紅光村的唯一通道，大橋全長257.73m，橋面全寬7.4m，凈寬6.5m，錦江大橋主橋采用9孔鋼筋混凝土肋拱結構，兩端各2孔10m鋼筋混凝土T梁結構，橋跨橫斷面由4片拱肋組成，主橋下部結構形式為重力式實體墩身、沉井基礎。該橋始建于1934年，1948年建成通車，后經多次加固，2009年7月經廣東省公路工程質量監測站檢測后，該橋技術狀況等級評定為五類橋，必須立即加固才能使用。加固設計要求對橋梁上部、下部結構均進行加固，其中對全部拱肋的跨中部分拱肋底、上弦桿、橫系梁，破損、露筋的拱肋、立柱，出現網裂的橋面板板底修復后采用粘貼碳纖維布加固。

上述兩座橋梁結構類似，均采用碳纖維布加固，具體加固詳情見表1。

4.2碳纖維加固舊橋效果評價

省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋加固完成后，據運行幾年來的定期監測發現，碳纖維與原結構混凝土表面粘結完好，無空鼓、無裂紋，加固質量得到建設單位和設計單位的認可，達到了設計預期目標，取得了較滿意的效果。

4.3碳纖維加固舊橋經濟性能評價

碳纖維加固工程不需要大型施工機具和輔助機械，節省了臺班費用；碳纖維屬于輕質柔性材料，易于施工，降低了人工費用；碳纖維具有良好的耐腐蝕性能，不需要定期維護，節省了維護費用。例如：梅縣Y035線錦江大橋，碳纖維布加固面積為1470.3m2，碳纖維布加固預算造價為134.35萬元，折算為913.8元/m2，實際施工中標價比預算價格更低。

5　結束語

綜上所述，粘貼碳纖維加固技術對于橋梁中不同部位的受力構件均可以方便地加固，可以在不破壞原有結構、幾乎不增加結構自重和截面尺寸前提下達到抗彎補強，是一種有效的新型橋梁加固技術。需要注意的是，舊橋治理改造不同于新橋施工，風險和不確定性因素較復雜，因此施工時必須嚴格遵守施工次序，必須進行對稱施工，不得顛倒和超前施工。隨著碳纖維價格的逐年下降和工程實踐經驗的不斷積累，碳纖維加固技術的優越性將會越來越明顯，在舊橋加固中的應用也會越來越廣。

【參考文獻】

[1]CECS 146:2003碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程［S］.

[2]JTG/T J23-2008公路橋梁加固施工技術規范［S］.

[3]王永剛.碳纖維加固橋梁新技術[J].交通世界,2010,(11).