淺談預應力碳纖維板加固技術在橋梁預防性養護中的應用

趙文娟

（張掖公路事業發展中心，甘肅 張掖 734000）

甘肅省張掖公路事業發展中心管養的G30連霍高速公路黑河1 號大橋全長785.4m，黑河2 號大橋全長405.4m，橋梁上部結構均為預應力混凝土空心板，目前運營已超過15年。兩座橋梁板底均出現較多橫向裂縫、網狀裂縫和混凝土局部劣化、滲水泛堿等病害，及時對梁板受力強度進行補強顯得尤為重要。2020 年，張掖公路事業發展中心首次在管養的G30高速公路黑河1號、2號大橋預防性養護工程中嘗試使用了預應力碳纖維板加固技術。經跟蹤觀測，碳纖維板與梁板板底粘結牢固未出現脫空、開膠、開裂，碳纖維板未出現斷裂或滑移，板底未新增裂縫，達到了橋梁預防性養護的預期目的。2021年至今該項技術已在該中心管養的10 座橋梁預防性養護中推廣應用，實施效果較好。

1 病害原因分析、采取的加固維修措施及預應力碳纖維板應用特點

1.1 病害原因分析

受超載車輛及大密度交通量長期碾壓，加之橋面排水不暢，地表水滲入梁板，造成橋梁板底橫向裂縫、網狀裂縫較多，局部混凝土劣化、滲水泛堿等病害。2019年G30高速公路黑河1號、2號大橋定檢評定為3類橋。根據《公路橋涵養護規范》[1《]公路橋梁技術狀況評定標準》[2]規定，需對該橋采取預防性養護措施，以確保橋梁使用安全。

1.2 加固維修措施

鑿除梁板底已劣化的混凝土，鋼筋做防銹處理，對板底裂縫進行注膠封閉，采用聚合物砂漿進行板底找平，對破損鉸縫進行加固處理，板底實施預應力碳纖維板加固，在距梁端2.5 m 處鑿孔安裝PVC管。

1.3 應用特點

該項目實施前，中心對碳纖維板材料的使用性能及其施工工藝等進行了充分的了解掌握，具有如下應用特點：

（1）抑制梁板病害產生。通過張拉碳纖維板產生的預應力使空心板板底受力得到補強，顯著提升梁板的承載能力，抵抗和減少梁板變形，約束和減少因梁板自身預應力不足產生的裂縫，有效延長橋梁的使用壽命，達到了橋梁預防性養護的預期目的。

（2）碳纖維板使用性能優。該材料是輕質材料，粘貼錨固于梁板上不明顯增加構部件重量不改變構件的形狀，與混凝土相比受空氣、水、光照等自然因素侵蝕較少，具有較好的耐老化性、耐腐蝕性和韌性。

（3）施工作業安全壓力小。預應力碳纖維板加固施工是橋下作業，不在路面上布設安全作業現場，不中斷交通，減輕了施工中安全維護的壓力。

（4）養護投入少，經濟效益顯著。預應力碳纖維板加固投入為4 683～5 600 元∕m2，使用壽命為50年以上。如按照橋梁5 年進行一次預防性養護計，與傳統的橋梁病害處治采取鋼筋混凝土養護等方法相比較，預應力碳纖維板加固減少了養護次數、施工簡單快捷、養護成本低，節約了砂石材料的使用，避免了環境的破壞，節約了養護資金的投入。

（5）技術簡單、施工方便、施工質量易于保證，易推廣。預應力碳纖維板作業輕松，張拉機具和錨固裝置小巧不需大型機械設備，只需少許人操作即可完成。碳纖維板耐久性好，長度可依據需求任意剪裁，可長期使用。施工工期短，后期維護工作少，易于在橋梁養護中推廣應用。

2 預應力碳纖維板加固實施

2.1 材料及機具

（1）碳纖維板：采用CFPP-I-12 型Ⅰ級高強度預應力碳纖維板，板寬10 cm 厚1.4 mm，其安全性鑒定的項目及合格指標滿足《工程結構加固材料應用安全性鑒定規范》（GB 50728—2011）中的相關要求。

（2）碳板專用膠：采用卡本CFPR-A∕B 型專用碳板膠，A 膠每桶20kg，B 膠每桶10kg，滿足《公路橋梁加固設計規范》（JTG∕T J22）中A級膠性能要求。

（3）化學錨栓：采用M16×190 mm、M12×190 mm和M10×130 mm 化學錨栓，為普通全牙螺桿，力學性能指標滿足要求。

（4）張拉設備：已標定的張拉設備1套。

（5）其他設備：支座、手動油泵、電動攪拌機、沖擊鉆、砂輪切割機、吹風機、清孔刷等。

（6）其他材料（包括砂、石、水等）的質量符合《公路橋涵施工技術規范》（JTG∕T F50-2011）有關規定和要求。

2.2 施工工藝

混凝土劣化修復施工的步驟如下：

施工放線→病害處治及找平→植入螺栓→安裝支座→穿碳纖維板→配膠、抹膠→張拉碳纖維板→養護→抹面。

（1）施工放線。在加固板底上按照施工圖設計準確放出預應力碳纖維板粘貼的中心線和兩端錨具位置，根據支座位置確定實際鉆孔以及碳纖維板加工的自由段長度。

（2）病害處治及找平。施工前鑿除板底混凝土疏松層至新界面，對鋼筋做浮銹清除、防銹處理，對裂縫進行灌縫注膠封閉，對破損鉸縫進行修復加固處理，對混凝土高凸面進行打磨，對混凝土低凹面應采用聚合物砂漿找平。最后根據鑿除混凝土部位的厚度一次性或多次采用聚合物砂漿恢復梁板。根據施工經驗，板底混凝土平整度控制在小于5 mm∕2 m時，混凝土與碳板可以很好的粘結。

（3）植入螺栓。采用電錘鉆孔，盡量保證鉆孔中心線與混凝土梁面垂直，鉆孔中心位置偏差不應超過3 mm。該項目固定端采用M16錨栓，植入深度13 cm。張拉端采用M12 錨栓，植入深度10 cm。為確保定位準確，便于安裝張拉端和固定端構件，中心在施工時制作了與支座形狀形同的木板模具，在植入螺栓時可以準確鉆孔。鉆孔后用吹風機、硬毛刷清孔，清理植入螺栓上的油污，用丙酮擦拭孔壁、孔底和螺栓。灌注孔深2∕3 的植筋膠，并保證在植入螺栓后有少許膠體溢出。注膠后立即將螺栓旋轉插入，螺栓應垂直于梁面，直至達到設計深度。

（4）安裝支座。在錨栓完全固化后，安裝預應力碳纖維板固定端和張拉端支座，支座中心線應與碳纖維板中心線重疊。錨具兩端支座中心延長線按碳纖維板全長計算偏差不得超過±5 mm。兩端支座板安裝孔與螺栓之間的間隙和兩端支座調平后與板底之間的空隙采用環氧修補膠填補找平。

（5）穿碳板。該項目每塊梁板設置3條碳板，碳纖維板根據每塊梁板寬度分布均勻設置即可，夾緊夾具單元，固定張拉單元。檢查碳纖維板直線度，其全長直線度偏差不超過20 mm。

（6）配膠、抹膠。配膠、抹膠。A、B 雙組份膠按A∶B=2∶1 配合比稱重后攪拌至顏色均勻無氣泡，按照中間厚、邊緣薄的原則刮抹至所需膠體厚度4～10 mm，并清理出多余的膠體。因鉆孔偏差與螺栓出現的間隙和兩端支座調平后與混凝土之間的空隙均可用碳板膠找平，使碳纖維板與板底緊密黏合。

（7）張拉碳纖維板。

①在張拉前分別計算出張拉力值、油壓表讀數和碳纖維板伸長量理論值。

a.張拉力值=張拉控制應力×碳板橫截面積

b.根據千斤頂標定報告提供的線性回歸方程Y=a*×+b，計算出碳板不同張拉力下千斤頂上油壓表讀數。

c.碳纖維板伸長量理論值=碳纖維板的自由段長度*X∕E，同時計算出理論伸長量的差值。

②安裝張拉支架和千斤頂，調整處于水平位置。加壓張拉至設計張拉應力值的15%，檢查兩端錨具之間碳纖維板與梁表面是否有間隙，刻錄錨具張拉移動起始線。伸長率從油壓表讀數和實測伸長量進行雙控，分段加壓張拉至設計張拉應力值的30%、50%、70%、90%、100%，如表1 記錄所示，當預應力施加到100%即張拉力為134.4KN時，千斤頂油壓表讀數為26.6，實測碳纖維板張拉伸長值9.7mm，理論伸長值為10.3mm，伸長量差值為0.6mm，滿足規范要求張拉端錨具行程位移與理論伸長量誤差不大于±6%的要求，持荷5 min 沒有異常的情況下，鎖固螺栓扭緊，拆除千斤頂和錨具張拉支架，固定張拉端碳纖維板。張拉應在碳板膠適用期30 min內完成。

表1 G30高速公路K2199+003黑河1號大橋預防性養護工程項目預應力碳板張拉原始記錄

（8）養護。碳板膠施工環境溫度應不低于25℃，碳纖維板施工宜選擇在夏季，碳板膠未完全固化前不得觸動、振動碳纖維板、螺栓，待達到設計強度90%后切割分離碳纖維板，拆除張拉機具。

（9）抹面。待膠體終凝后在碳纖維板表面實施3 mm厚的聚合物砂漿，涂抹砂漿層應平整、美觀。

2.3 質量檢驗

依據《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG-F80∕1—2017）[3]和《公路橋涵施工規范》（JTG∕TF50—2011），應符合以下要求：

（1）碳板膠、碳纖維板的規格、性能應符合設計要求，產品合格。

（2）板底裂縫、鋼筋銹蝕等病害已處治，碳纖維板粘貼范圍內無劣化混凝土、浮漿等，表面平整、干凈。

（3）碳纖維板無褶皺及折痕，表面無灰塵、碳粒等雜物。

（4）錨具鋼構件加工的材質、厚度、螺孔位置、螺桿長度滿足設計要求。

（5）碳板膠厚度、涂刷滿足設計要求。

（6）預應力碳纖維板在有效面積內粘結牢固，無彎折、扭曲等現象。

（7）根據設計要求，結合《公路橋涵施工規范》的相關規定，錨具安裝的容許誤差為±10 mm。

（8）根據設計要求，參照《預應力砼施工規范》的相關規定，碳纖維板張拉采用張拉力與伸長值雙指控制，張拉伸長量容許誤差為±6%。

（9）預應力碳纖維板在有效面積內粘結牢固，無彎折、扭曲等現象。

3 施工注意事項

3.1 張拉注意事項

（1）張拉順序。以一跨為單位，先張拉中間兩塊板，然后依次向兩側對稱張拉。單塊板三道碳纖維板張拉順序為先對稱張拉兩側，再張拉中間。

（2）張拉控制。加壓張拉至設計張拉應力值的30%時，應檢查碳板邊緣與板底之間是否有膠體擠壓溢出，如局部未出現膠體溢出，應泄壓補充膠體后再張拉；同時檢測錨具行程位移是否對應預張拉時的刻錄線。

（3）安全防范。碳纖維板在張拉過程中如施工不當容易被拉斷，加壓或減壓時千斤頂行程速度應控制在20 mm∕min 以內，禁止快速沖、放千斤頂行程。張拉端應設置擋板防護，張拉人員需在擋板后進行操作，其他人員應遠離張拉區域。

（4）鉸縫修復。先修復鉸縫后張拉碳纖維板，修復好的絞縫在碳纖維板張拉時有松脫落現象。為確保鉸縫完好，應待碳纖維板張拉加固后再修復。

3.2 碳板膠實施注意事項

（1）碳板膠必須攪拌均勻。如果碳板膠攪拌不均勻將影響粘性和粘結時間，攪拌均勻的膠必須在30 min 之內用完。為確保碳纖維板與膠體緊密粘結，張拉前應使用丙酮擦拭干凈塵土和雜物。

（2）碳板膠涂抹。碳板膠對組織密實、光滑的碳纖維板浸潤性較差，為了使膠劑能充分浸潤、滲透、粘附于碳纖維板，應先使用抹刀在碳板刮抹少量膠粘劑，用力刮抹數遍，再刮抹至所需膠體厚度。

3.3 錨固注意事項

（1）錨固端和張拉端設置。為使梁板兩端受力均勻，張拉端和錨固段應錯開設置，即梁板的一端即有張拉端又有錨固端，或者也可將錨固端全部設置在梁板的同一側，但應隔板施工。

（2）錨板設置。該項目施工中考慮碳纖維板較長，為使碳纖維板與板底緊密粘結，在張拉端和錨固段之間均勻設置了4 處錨板，經后期跟蹤觀測對碳纖維板和板底混凝土粘結有一定的固定作用。