橋梁加固中碳纖維材料的應用

謝 群

（九江市公路應急搶險大隊，江西 九江 332099）

橋梁是地面交通工具得以跨越河流、險地的有力工具，隨著車輛工程的發展，運輸車輛的載重也越來越高，由于我國的橋梁大多建于建國初期，受到材料和技術等條件的限制，在經過幾十年的服役過程當中，出現受損和老化，以至于無法滿足現代交通運輸對橋梁承載力的需求，更有著潛在的安全危險性[1]。對出現有一定風險的橋梁進行修補和加固處理，使其適應現代交通的承載重量，安全穩定地服役是十分有意義的。碳纖維材料對橋梁的加固處理技術是近年來開發出的新加固技術之一，因為其優異的加固性能和穩定性受到行業應用。本文簡單介紹了碳纖維材料對橋梁進行加固修補技術及應用。

1 碳纖維材料特點及碳纖維加固技術基 本特性

1.1 碳纖維材料特點

碳纖維材料通常特指碳纖維復合材料，由碳纖維與樹脂基材料進行復合制成[2]。碳纖維材料的密度小、質量輕，可以有效降低自重載荷，同時具有很高的強度和韌性。同時，碳纖維材料還具有很好的穩定性、抗沖擊性等優點，利用碳纖維對橋梁加固的過程中，施工過程簡單易行，且對橋梁的整體結構幾乎沒有改變，絲毫不影響正常車輛的通行，故而受到橋梁加固工程領域的喜愛。

1.2 碳纖維加固技術基本特性

碳纖維加固技術的施工過程簡單、總體成本較低，其本質是將碳纖維材料制成碳纖維布等結構，通過黏附樹脂等工藝將其貼合在受損橋梁的表面，從而達到降低構件負荷、加固橋梁的作用。由于此加固技術是碳纖維布發揮主要作用，所以其基本特性很大程度受到碳纖維材料本身特點的影響，如耐酸堿、耐熱耐寒、高彈性、高強度、高韌性等[3]。將碳纖維材料制成布狀結構，還可以實現在外界高應力強度下分散局部的應力集中的作用，避免了碳纖維布在受到大載荷下的裂紋和失效。除碳纖維外，粘結材料也是值得注意的部分，粘結材料需要有穩定性高、粘結能力強和高強耐熱等性質，保障碳纖維布和橋梁構件的穩定貼合，防止兩者間的脫落和剝離，使碳纖維布長久穩定地發揮作用。

2 常見其他橋梁加固技術

2.1 錨噴混凝土加固法

錨噴混凝土加固法是將新制的混凝土和嵌入的鋼筋一同與橋梁構件粘合，形成完整的新舊混凝土和錨桿結構，一同將其噴射黏附在橋梁加固部位。錨噴混凝土加固法可以使原本受損的結構中的應力重新均勻分布，有效地減少應力集中，且混合的混凝土材料與原本橋梁結構結合狀態較好，避免后續的變形斷裂等問題。錨噴混凝土加固法的施工一般分為5個過程[4]：①搭設外作業支架；②清理橋梁加固表面；③加設錨桿（或安裝其他固定結構如膨脹螺絲等）；④嵌入鋼筋結構；⑤混凝土的噴射和養護。

2.2 橋面補強層加固法

橋面補強層加固法的施工步驟較為簡單，將原本橋梁的受損構件上重新加裝一層新的鋼筋混凝土結構，橋面補強層加固法不僅可以加強相關構件的承載能力，還具有穩定原本橋梁結構的優點，需要注意的是，在施工之前需要對原本橋梁構件的表面進行處理，促進新舊兩種鋼筋混凝土結構的結合[5]。

2.3 改變結構受力體系加固法

當橋梁的材料沒有明顯的劣化和損傷，而是經過長時間的服役，橋梁本身的結構帶來的承載力逐步下降，達不到使用要求時，可以通過在外部加設支梁、鋪設加固鋼筋等方式加強橋梁的受力體系，達到加強橋梁承載力、保護橋梁結構的作用，這種方法叫做改變結構受力體系加固法[6]。

2.4 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固[7]方式顧名思義，是利用有機樹脂等粘結性材料將鋼板與需要加固的受損構件的表面粘接在一起，使得鋼板參與到加固的構件的整體中，承擔構件的部分受力。此方法操作較為簡單，且施工工期短，可以有效地加強構件的力學性能，不影響構件的本身結構和外形，是典型的被動加固類型之一，當橋梁的部分構件出現彎曲變形或偏心負荷過大時常常選用此方法。但由于鋼板的耐腐蝕能力極差，當鋼板腐蝕后，腐蝕產物會嚴重影響兩者的粘合性[8]，且會降低鋼材的力學性能，所以選擇此方法時需要注意使用條件。

3 碳纖維加固施工技術

碳纖維加固橋梁的方式主要劃為兩種：對橋梁中混凝土梁及橋墩、橋面等構件的加固和維修處理[9]。在以往的傳統橋梁加固技術中，對梁構件的加固方式往往是外加鋼筋等方式，但外露的鋼筋極易被腐蝕，造成強度的大幅度下降，同時在鋼筋自身的高重量下，會從構件處脫落，起不到穩定的加固作用。而新型的橋梁加固技術以加裝混凝土為主，雖然可以保持一定時間的穩定性，但不可避免的增加了橋梁的自重，且涉及到后續混凝土的養護，施工周期長[10]。而碳纖維加固施工技術很好地解決了相關問題，碳纖維材料穩定性好、耐酸堿、抗熱寒，擁有優良的抗壓、抗拉強度和高彈性，增強橋梁構件的抗壓能力和穩定性，密度小、質量輕的特點又減輕了因加固帶來自重的增大[11]。

碳纖維加固技術適用于多種情況，如加固混凝土梁，或是對橋梁的板橋等構件進行抗彎加固處理等，都可以達到較為良好的預期效果，明顯提高各個部件的穩定和耐久性能，一般而言，碳纖維材料對橋梁各部件的加固適應性見表1[12]。

表1 碳纖維加固技術對不同加固類型的適應性Table 1 Adaptability of carbon fiber reinforcement technology to different reinforcement types

碳纖維加固施工技術一般分為以下步驟[13]：①表層預處理：橋梁經過長時間的服役，在其混凝土的表面會有劣化層的出現，通常由灰塵、贓污和風化的混凝土構成，嚴重影響了混凝土與由碳纖維材料的粘合性，因此在對橋梁進行加固處理前，需要對原本老舊的表面進行處理，打磨掉劣化層，并沖刷掉表面雜質顆粒。②斷層修復：去除混凝土表面的劣化層后，需要防止施工過程中對混凝土結構中鋼筋的腐蝕，一般采用強度較高的有機樹脂材料對混凝土中的斷層和孔隙中進行填補和注入工作，需要注意的是，裸露在空氣中的鋼筋也需要涂覆環氧樹脂以避免腐蝕的發生，以及注意混凝土的抗滲性，不得在混凝土結構中混入水[14]。③表面修復：碳纖維材料的粘合需要相對光滑平整的表面，對于凸起部分需要用工具將其打磨，而凹陷部位可以使用樹脂或砂漿等材料進行修復。④底層涂料：底層涂料的涂覆需要適宜的溫度（>5℃）和濕度（濕度不宜過大，因而雷雨天氣并不適宜）下進行，選擇合適的涂料均勻涂抹在修復完畢的受損表面上，確保沒有遺漏的部分，施工完畢后需要對表面進行維護，不能使其出現表面損傷，保障通風。⑤碳纖維材料的粘貼：等待底層涂料涂覆完畢并干燥后，將碳纖維材料按照受損構件表面尺寸制成碳纖維布，使用樹脂基粘結材料將碳纖維布粘貼在受損表面上，粘貼完成后用力按壓碳纖維布和受損表面，將兩者間的孔隙排出。在粘貼多層碳纖維材料時重復上述步驟。粘貼過程需要注意兩點：粘貼表面需要保持干燥和光滑狀態；粘貼表面的鋼筋不能出現銹蝕狀態，需要提前打磨掉鋼筋表面的氧化皮。⑥后期保養維護：在碳纖維材料粘合過程未成型前，需要注意環境的溫度不能過高，防止粘結劑的失效，而成型后也需要避免高溫環境導致的粘結劑功能下降的問題，可在其表面涂覆功能性涂料防止機械損傷和環境的影響。

4 碳纖維加固技術的優點

①化學及物理性能穩定：碳纖維作為優良的新型纖維材料，在各種極端環境如酸、堿或高紫外線輻射等環境下都能穩定服役，適合絕大多數的場所和氣候。碳纖維材料的特性使得碳纖維加固技術使用于許多惡劣環境下服役的橋梁，有效增加橋梁的服役時間[15]。②力學性能優越：碳纖維材料在運用于橋梁的混凝土梁加固或是節點加固過程中，可以分散局部應力集中，達到提高構件的抗彎、抗壓等力學性能的目的。并且，由于碳纖維材料的韌性高，所以還具有一定的抗沖擊和抗疲勞的作用[16]。③施工過程簡單：碳纖維材料的粘合過程簡單易行，不需要大型施工設備或大量人力資源的支撐，后期維護也較為簡捷。④自重較低：碳纖維材料的密度小，相對同等體積下的混凝土或金屬材料，碳纖維布與粘結劑的總重量都在兩者的1/3以下，而碳纖維材料的抗拉強度也高出兩者5倍以上，相比而言，碳纖維材料的使用不僅加強了構件的力學性能，同時也能避免因為加固帶來的自重的增加[17]。

5 結語

我國對橋梁等交通道路的承載力需求越來越高，但橋梁的重建成本太大，橋梁的加固技術成為了補強橋梁的首要選擇。碳纖維加固技術作為近年來出現的新型加固技術，擁有其他加固技術所無法比擬的高力學性能和穩定性等優點，成為橋梁加固施工中的最佳選擇之一。在實際對碳纖維加固技術的應用中，需要對各個環節進行模擬分析，嚴格按照相關工藝進行施工和維護，并做好后期的質量檢查和核查工作，以期達到預期的長久穩定的橋梁加固效果，為我國的交通工程建設出力。