公路橋梁加固碳纖維布加固技術(shù)研究

陳豐

（江西省交通運輸科學(xué)研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

公路橋梁作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，承載著大量車輛和行人的通行需求。然而，由于長期使用、車輛超載和自然環(huán)境等因素的影響，許多橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)老化、損壞和承載能力下降等問題。常規(guī)的加固方法如鋼筋加固和混凝土補強等技術(shù)存在著施工復(fù)雜、工期長、對橋梁結(jié)構(gòu)改造較大等不足之處。而碳纖維布作為一種先進的橋梁加固材料，具有重量輕、施工方便、耐腐蝕性能好等優(yōu)勢，能夠有效地提高橋梁的承載能力和抗震性能，保障交通安全和延長橋梁壽命，減少維修和維護成本，提升橋梁的安全性和穩(wěn)定性。因此，研究如何將碳纖維布加固技術(shù)應(yīng)用到橋梁加固工程中并最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢和作用是一項極具意義的課題。

1 碳纖維布加固技術(shù)概述

碳纖維布是一種高強度、高模量、低密度的復(fù)合材料，由碳纖維布紗線編織而成，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于橋梁加固領(lǐng)域。碳纖維布的主要成分是碳元素，具有耐高溫、抗摩擦、電導(dǎo)熱等特點。相較于傳統(tǒng)的鋼筋、混凝土等材料，碳纖維布的比強度和比剛度更高，重量卻較輕，使其成為一種理想的加固材料。在橋梁加固中，通過將碳纖維布粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)的表面，利用其高強度和高剛度特性來增強結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震能力。碳纖維布可以在不改變原有結(jié)構(gòu)形態(tài)的前提下，實現(xiàn)增強和修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的目標。碳纖維布加固技術(shù)的應(yīng)用過程如下：

首先，對需要加固的橋梁結(jié)構(gòu)進行評估，確定加固方案和碳纖維布類型。

其次，清潔和處理橋梁表面，確保其光潔、無雜質(zhì)。

再次，涂覆特殊的環(huán)氧樹脂膠黏劑，將碳纖維布貼附在橋梁表面，并使用壓力工具確保其與結(jié)構(gòu)緊密黏合。

最后，進行后續(xù)的硬化和固化處理，以確保加固層與橋梁結(jié)構(gòu)融為一體[1]。

2 碳纖維布粘貼施工工藝

2.1 工藝材料的準備

2.1.1 碳纖維布

為了確保施工質(zhì)量和工程效果，需要嚴格執(zhí)行設(shè)計方案的要求，并加強對施工工藝的控制。同時，根據(jù)技術(shù)規(guī)范選擇符合工程需求的碳纖維布型號和規(guī)格，并對其進行性能檢測。具體的技術(shù)指標如表1所示。

表1 碳纖維布技術(shù)指標

2.1.2 配套黏結(jié)劑

在進行碳纖維布粘貼作業(yè)時，正確選擇和使用適合的黏結(jié)劑至關(guān)重要。通常情況下，根據(jù)施工工藝的要求，黏結(jié)劑包括打底膠、找平膠和浸潤膠三種。這些膠液在現(xiàn)場施工中的具體性質(zhì)如下：

第一，打底膠。打底膠主要應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)表面的土層，在混凝土結(jié)構(gòu)表面形成硬化層，利用其滲透作用，確保混凝土結(jié)構(gòu)表面的平整度和黏結(jié)質(zhì)量符合工程建設(shè)的標準，為后續(xù)的找平膠和浸潤膠施工提供堅實基礎(chǔ)。

第二，找平膠。找平膠主要用于修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)表面不符合平整度要求的部位。通過應(yīng)用找平膠進行修復(fù)處理，確保碳纖維布能夠完美地貼合在混凝土表面，從而顯著提升其加固性能。

第三，浸潤膠。浸潤膠用于將碳纖維布粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面，使二者融為一體，共同發(fā)揮承重和抗拉的作用，實現(xiàn)綜合性能的提升[2]。

2.2 粘貼碳纖維布工藝流程

粘貼碳纖維布工藝的具體流程，見圖1。

圖1 粘貼碳纖維布工藝流程圖

2.3 關(guān)鍵工序的施工要點

2.3.1 混凝土表面處理

在應(yīng)用碳纖維布加固技術(shù)之前，為確保加固效果最優(yōu)化，需要注意以下關(guān)鍵步驟：

第一，需要將橋梁表面存在的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等結(jié)構(gòu)問題清理干凈，暴露出內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)層。

第二，需要對裂縫部位進行修復(fù)，確保其達到良好的封閉狀態(tài)，以提高結(jié)構(gòu)的整體強度和穩(wěn)定性。

第三，需要對準備粘貼碳纖維布的部位進行打磨平整處理，清理混凝土結(jié)構(gòu)表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，并對邊角進行倒角處理，制作成半徑超過20mm 的圓弧，以提高碳纖維布與混凝土表面的黏結(jié)強度，確保加固效果達標。

第四，在進行碳纖維布粘貼前，必須對表面進行徹底清理，去除所有污垢、水分等雜質(zhì)，確保施工區(qū)域表面干燥潔凈，以免對黏結(jié)效果產(chǎn)生不利影響[3]。

2.3.2 涂刷打底膠和找平膠

在應(yīng)用碳纖維布加固技術(shù)時，有兩個方面需要特別注意。一方面，需要確保打底膠的質(zhì)量和涂刷的均勻性，以提供良好的黏結(jié)基礎(chǔ)。同時，找平膠的應(yīng)用也非常重要，其主要用于修復(fù)混凝土表面的凹陷部位。在涂刷找平膠時，需要保證施工區(qū)域表面平整，無棱角或凸出等問題，以提高整體加固效果。另一方面，應(yīng)使用滾筒等工具進行涂刷，以確保膠液均勻地涂刷在混凝土結(jié)構(gòu)表面。在膠液干燥之前，應(yīng)及時進行平整修復(fù)工作，以保證加固層的均勻性和平整度[4]。

2.3.3 粘貼碳纖維布

第一，在粘貼碳纖維布之前，必須對現(xiàn)場的環(huán)境條件進行全面的檢測和評估。低溫環(huán)境對于膠液的固化速度會產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致膠液無法充分固化，從而影響碳纖維布的黏結(jié)效果和加固質(zhì)量。同時，濕度過高會增加膠液干燥的時間，導(dǎo)致施工周期延長，并且可能對膠液的性能產(chǎn)生不利影響。此外，降雨也會對施工造成干擾，可能引起碳纖維布粘貼不牢固或出現(xiàn)水泡等問題。如果環(huán)境溫度低于5℃、存在降雨或者濕度超過95%的情況，則必須禁止施工。

第二，根據(jù)設(shè)計方案的要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對碳纖維布進行裁剪處理，實際粘貼尺寸應(yīng)小于設(shè)計參數(shù)值，偏差控制在20mm 以內(nèi)，防止偏差過大而造成結(jié)構(gòu)的強度不合格。

第三，如果碳纖維布的排列方向有所差異，則會造成各個方向碳纖維布的強度也有所差異，所以要考慮具體的結(jié)構(gòu)形式，確保粘貼的方向合理，以免造成嚴重的質(zhì)量缺陷問題。

第四，碳纖維布與混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼面積應(yīng)超過95%。如果碳纖維布存在空鼓的情況，且面積不超過10cm2時，可采用針管注膠的方式進行修復(fù)處理；如果空鼓面積超過10cm2時，則將空鼓部位的碳纖維布割除，重新粘貼施工。

第五，在現(xiàn)場進行碳纖維布的粘貼操作時，應(yīng)從橋梁的跨中部位開始逐步向兩側(cè)展開，以減少施工過程中產(chǎn)生的氣泡，施工現(xiàn)場與工后效果見圖2、圖3。

圖2 碳纖維布的粘貼施工

圖3 粘貼效果

此外，為了確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)表面的黏結(jié)質(zhì)量，需要采用特制的滾筒按照纖維的方向進行多次滾壓施工，以提高膠液的滲透性，確保浸潤膠充分浸透碳纖維布，與結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合[5]。

2.3.4 其他工藝要求

為了確保施工的安全性和效果的可靠性，還需要遵循以下工藝要求：

首先，要加強現(xiàn)場安全施工管理。確保碳纖維布與電氣設(shè)備、電源保持一定的距離，避免發(fā)生意外情況。

其次，要保證現(xiàn)場空氣正常流通，避免出現(xiàn)氧氣不足或有害氣體積聚的情況。

再次，禁止在施工現(xiàn)場吸煙或使用明火，以免引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

最后，當碳纖維布粘貼完成后，應(yīng)及時進行養(yǎng)生，以保證加固部位的性能穩(wěn)定。通常養(yǎng)生時間應(yīng)超過72h，在此期間，要對施工區(qū)域加強防護，在確認結(jié)構(gòu)性能符合要求后，才能進行后續(xù)的施工。

3 碳纖維布在橋梁加固工程中的應(yīng)用實例

某橋梁項目長度為660m，上部結(jié)構(gòu)采用T 形結(jié)構(gòu)形式。該橋梁投入運營的時間超過30 年，每天都有大量的運輸車輛經(jīng)過，特別是運煤、礦石的車輛，超載問題比較嚴重，超大噸位的車輛通行數(shù)量比較多，重車通行的部分存在嚴重的梁板單板受力問題，造成結(jié)構(gòu)斷裂問題比較嚴重，無法滿足當前的通行需要，甚至可能引發(fā)嚴重的交通事故。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，行車道的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)損壞嚴重，橋梁的跨中撓度損失嚴重，變形過于劇烈。工程技術(shù)人員對橋梁的承載力參數(shù)進行計算，發(fā)現(xiàn)其承載力下降非常明顯，需要進行大范圍的加固施工才能滿足交通需求。工程管理單位綜合考慮多個方面的要素后，決定采用碳纖維布作為加固材料，提升梁板底部的強度，使其符合運行標準。在該橋梁的加固施工過程中，應(yīng)用碳纖維布加固技術(shù)，并且全面落實質(zhì)量控制措施。對橋梁的鋪面結(jié)構(gòu)進行合理的改善，增加混凝土材料的標號，滿足結(jié)構(gòu)強度的標準要求，同時將上部混凝土鑿除，更換一層水泥混凝土材料，并且加入聚丙烯纖維材料，提升結(jié)構(gòu)的防滲性和抗裂性能；增加鋼筋材料，使用加粗、加密的方式進行鋪設(shè)，確保結(jié)構(gòu)的承載性能合格；將重車行駛部位的鉸縫混凝土清理干凈，再應(yīng)用高標號的混凝土材料重新澆筑施工，并且增加鉸縫鋼筋。經(jīng)過對現(xiàn)場施工效果進行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用碳纖維布加固技術(shù)的效果良好，加固后的結(jié)構(gòu)具備較高的承載性能，且施工方便、工期較短，橋梁整體性能恢復(fù)比較明顯，完全符合通行標準。

4 結(jié)語

總體而言，良好的加固技術(shù)是保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在此過程中，碳纖維布加固技術(shù)表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，通過在橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用碳纖維布和黏結(jié)劑，可以顯著提高橋梁的承載能力和抗震性能。碳纖維布加固技術(shù)具有施工方便、施工速度快、無須大規(guī)模拆除和改造等優(yōu)點，對于已有橋梁的加固和改善具有重要意義。但是，碳纖維布加固技術(shù)在實際應(yīng)用中還存在施工標準化、質(zhì)量控制等方面的問題，未來仍需要不斷加強研究和探索，以進一步完善和優(yōu)化該加固技術(shù)，為交通運輸事業(yè)的發(fā)展提供堅實的保障。