碳纖維布在橋梁維修加固中的應用研究

摘要 為解決橋梁病害問題，提高維修加固質量，該文以馬廠減河橋為背景案例，介紹了橋梁基本情況及病害形成原因，指出碳纖維布加固的工藝原理和技術特點，從加固總體方案、碳纖維布維修加固施工方法、施工質量驗收3個方面，詳細闡述了碳纖維布在橋梁維修加固中的施工應用。結果表明：碳纖維布應用在橋梁局部破損病害的維修加固中，能夠有效修補梁體，延長橋梁結構的使用壽命，經濟和社會效益良好，可在類似工程中推廣。

關鍵詞 碳纖維布；橋梁工程；維修加固；損壞原因；施工方法

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0101-03

0 引言

碳纖維布加固是利用膠黏劑，將碳纖維布粘貼在受損的混凝土部位，使兩者合為一體，控制變形和裂縫進一步發展，以提高混凝土結構的承載力、耐久性。碳纖維布的適用面廣，適用于建筑、橋梁、隧道等各種結構類型的加固修復，具有施工便捷、效率高、環境影響小等優點[1]。以下結合工程實踐，探討了碳纖維布在橋梁維修加固中的實際應用情況。

1 工程概況

馬廠減河橋位于天津市津南區漢港線，中心樁號K12+140，橋梁全長50 m，橋梁全寬15.2 m，建成時間1986年。橋梁上部結構為鋼筋混凝土空心板梁，跨徑組合5×10 m，橫向設置13塊板，支座為板式橡膠支座；下部結構為樁柱式墩臺，樁基礎，設置片石護坡、未設置錐坡；橋寬組合為1.6 m人行道+12 m機動車道+1.6 m人行道，橋面采用瀝青混凝土鋪裝，設置2道伸縮縫，兩側設有人行道護欄，設計荷載為汽車超20級，掛車120級。該橋現狀僅在人行道外側設置了人行道欄桿，未達到車輛防護要求，故不滿足規范要求，根據建設單位要求提出改造方案，并對橋梁病害進行修復處理。

2 橋梁病害檢測及損壞原因分析

2.1 病害檢測情況

2.1.1 上部結構病害

上部結構主要病害包括：（1）梁底裂縫，其中部分裂縫已維修，但仍存在1 563條橫向裂縫，其中27條與腹板豎向裂縫形成L形裂縫，累計長度1 571.1 m，最大裂縫寬0.16 mm；9條縱向裂縫和4條斜向裂縫，累計長19.85 m，最大裂縫寬0.16 mm；腹板共有26條豎向裂縫，累計長5.2 m，最大裂縫寬0.12 mm；26處破損和銹脹開裂，累計長度5.7 m，累計面積4.91 m2。（2）上部一般構件主要病害是鉸縫通長滲水泛堿。

2.1.2 下部結構病害

下部結構主要病害包括：（1）橋墩蓋梁共有17處銹脹露筋，累計長度13.3 m，累計面積2.85 m2。（2）橋臺臺身共有2處銹脹開裂，累計長度3 m。

2.1.3 附屬結構病害

附屬結構病害主要包括：（1）橋面鋪裝共有2條橫向貫通裂縫；3處網裂，累計面積45.2 m²；1條縱向裂縫，長度10 m，寬1.5 mm；1處麻面露筋，面積32 m²。（2）人行道側壁共銹脹露筋34根，累計長度4.3 m，累計面積1.96 m²。（3）護欄共有31處銹脹露筋，累計長度6.2 m；1處破損露筋，面積0.2 m²。（4）調治構造物共有2處塌陷，累計面積4.2 m²。（5）排水系統中的泄水孔全部堵塞。

2.2 技術等級評定

依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011），采用分層綜合評定法進行評定，全橋技術狀況評分為78.0分，橋梁技術狀況等級為3類，如表1所示。

2.3 損壞原因

根據現狀橋梁病害情況及檢測、檢算結果，初步分析該橋主要病害為：板底橫向裂縫和腹板豎向裂縫、板底縱向裂縫、混凝土表面破損露筋、橋面鋪裝橫向裂縫等，病害原因分析如下：

（1）板底橫向裂縫和腹板豎向裂縫，該橋空心板板底出現大量規律性橫向貫通裂縫，部分與腹板豎向裂縫形成L形裂縫，但裂縫寬度均未超限，板底及腹板出現裂縫的原因可能有：裂縫大多屬于在超載和重載交通荷載作用下產生的正彎矩裂縫，即超載、重載交通量大[2]；截面抗剪承載力不足；施工過程中養護不當，混凝土澆筑質量差，產生過大收縮裂縫；鋼筋銹脹引起混凝土順筋裂縫。

（2）板底縱向裂縫：截面抗剪承載力不足；施工過程中養護不當，混凝土澆筑質量差，產生過大收縮裂縫；鋼筋銹脹引起混凝土順筋裂縫。

（3）混凝土表面破損露筋：橋面雨水（雪水）下滲在混凝土表面凍融循環；橋梁服役時間長，內部鋼筋銹脹及混凝土自然風化、酥化造成表層混凝土開裂和脫落等；混凝土澆筑質量較差，未充分振搗即澆筑上層混凝土。

（4）橋面鋪裝裂縫：橋面鋪裝層抗裂性能不足，橋面車輛重載作用下產生網裂；墩頂橋面連續鋪裝處的反射裂縫；車輛反復作用等。

3 碳纖維布加固的工藝原理和技術特點

3.1 工藝原理

碳纖維布是由12K碳纖維絲織造而成，與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復合材料，適用于各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、橋梁、筒體等，施工環境溫度為5～35℃，相對濕度≤70%[3]。碳纖維布加固的工藝原理是：黏結在混凝土構件的表面，利用碳纖維材料的良好抗拉強度，增強構件的承載能力和強度，具體到橋梁工程中，碳纖維布的加固范圍包括：（1）梁板加固，處理梁板承載力不足、因受力裂縫導致承載力下降等問題，提高梁板的承載力和耐久性。（2）橋墩加固，處理橋墩出現的剝落、裂縫等問題，提高橋墩的承載力和耐久性。（3）橋面鋪裝加固，處理鋪裝層出現的破損、裂縫等問題，提高橋面鋪裝的承載力和耐久性。（4）節點加固，處理節點受力不均、連接不良導致的應力集中問題，提高節點的承載力和穩定性。

3.2 技術特點

碳纖維布加固技術特點包括：（1）質量輕、強度高，加固后基本不會改變原結構的外形尺寸，不會增加結構的自身重量，其力學性能指標如表2所示。以Ⅰ-200型碳纖維布為例，其抗拉強度≥3 400 MPa，伸長率≥1.6%，但克重僅有200 g/m2，厚度僅有0.111 mm。（2）碳纖維布的彈性模量高，對混凝土結構加固后，能有效控制溫度、銹脹引起的裂縫，變形控制效果好。（3）碳纖維布可耐酸堿、化學腐蝕，能在惡劣環境中使用，而且柔韌性好，適合多種形式結構的加固補強，可延長結構的使用壽命[4]。（4）現場施工工藝簡單、效率高，能減少施工環境帶來的影響，利于節省工期，降低維護和更換成本。

4 碳纖維布在橋梁維修加固中的施工應用

4.1 橋梁維修加固總體方案

根據調查分析結果，該次工程考慮對現狀橋梁上部結構板梁病害進行維修加固，同時對局部破損處進行修補，使橋梁結構在其全壽命周期內得到充分利用，獲得更好的經濟和社會效益。經過方案比選，最終采用板梁封縫灌縫+粘貼碳纖維布+局部病害維修+橋梁護欄改造方案。

（1）針對空心板梁裂縫，先對裂縫附近混凝土利用砂紙打磨，裂縫寬度<0.15 mm的利用環氧樹脂表面封縫，裂縫寬度≥0.15 mm的利用環氧樹脂灌縫[2]。

（2）全部板梁在裂縫封閉處理后，再粘貼碳纖維布加固，提高板梁耐久性。

（3）空心板、蓋梁混凝土破損修補；鉸縫、蓋梁滲水泛堿打磨后涂刷混凝土保護劑；橋臺外露鋼筋表面人工除銹，采用聚合物砂漿修補；橋面瀝青混凝土鋪裝小裂縫使用改性瀝青灌縫，大裂縫銑刨鋪裝后重新施作橋面瀝青熱撒布防水層，澆筑6 cm厚AC-20中粒式瀝青混凝土、4 cm厚AC-13細粒式改性瀝青混凝土；護欄底座銹脹露筋修補，全橋護欄表面涂刷油漆；疏通全橋泄水孔；河道護坡塌陷部分拆除重新砌筑等。

（4）拆除現狀人行道及欄桿，清理干凈后在組合護欄相應位置的板梁頂面植筋，順橋向間距20 cm，澆筑防護等級為A級的混凝土組合護欄及新建人行道板。護欄基礎埋入至現澆層頂面，將人行道板鋼筋與現澆護欄相應鋼筋焊接牢固，改造后人行道寬度為1.1 m，組合護欄寬0.5 m，組合護欄高1.1 m，如圖1所示。

4.2 碳纖維布維修加固施工方法

4.2.1 材料選擇

（1）該工程選用的碳纖維布，抗拉強度標準值≥3 000 MPa，彈性模量≥210 GPa，伸長率≥1.5%。（2）底層樹脂的正拉黏結強度≥2.5 MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值。（3）找平材料的正拉黏結強度≥2.5 MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值。（4）浸漬樹脂、黏結樹脂的性能指標如表3所示。

4.2.2 施工要點

（1）結構表面處理：1）鑿除混凝土表層劣化現象如剝落、蜂窩、腐蝕，用無油壓縮空氣吹除粉塵，并用工業酒精擦拭，保持表面干凈干燥。若鑿除面積較大，使用聚合物水泥砂漿修補，針對混凝土裂縫，進行灌漿或封閉處理。2）粘貼混凝土表面使用角磨機打磨，去除表面的浮漿、油污等雜質，使其完全露出新混凝土面，注意轉角粘貼處進行倒角處理，圓弧半徑≥2 cm[5]。3）混凝土表面凸凹不平處、模板接頭處，用修補材料填平，減小高度差。

（2）涂刷底層膠：底層膠在使用前置于容器中，用電動攪拌器攪拌均勻，避免雜質進入容器中。攪拌后用滾筒刷或毛刷，將其均勻涂抹在混凝土表面，并控制好膠層厚度，待表面干燥后進行下一步施工，此外根據現場實際氣溫，確定樹脂的用量和使用時間。

（3）構件表面修補：混凝土構件表面凹陷部位，應用環氧膩子填平，修復至表面平整，內角處用環氧膩子填補，若表面仍存在凹凸糙紋需進行打磨。

（4）粘貼碳纖維布：按設計尺寸裁剪碳纖維布，需要搭接時沿纖維方向的搭接長度≥15 cm，調制浸漬膠，均勻涂抹在粘貼部位，膠層厚度應滿足設計要求，且搭接、拐角等部位需多涂抹一遍。粘貼碳纖維布時，先貼縱向、后貼橫向，用特制滾筒沿纖維方向多次滾壓、擠除氣泡，確保黏結劑充分浸透碳纖維布。對于斜交的板梁，碳纖維粘貼時可作適當調整，最后一層碳纖維布的表面，均勻涂抹面層浸漬膠，安排專人自然掩護24 h達到固化效果。

（5）整修：若加固部位易受外力沖擊，使用M10及以上的水泥砂漿防護，厚度≥20 mm。

（6）安全防護：裁剪及使用碳纖維布時應遠離電源，尤其是高壓電線及輸電線路，配套膠原料密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。膠的配制和使用場所保持良好通風，現場施工中，施工人員穿工作服，戴口罩和手套，配備滅火器以備救護。

4.3 碳纖維布維修加固施工質量驗收

（1）表面處理檢驗：混凝土表面處理后應平整，無剝落、蜂窩、腐蝕、裂縫等劣化和損傷現象，保持清潔干燥，其中拐角粘貼處進行倒角處理，圓弧半徑≥20 mm。（2）不平整修補檢驗：由技術人員目測檢驗，要求表面無明顯凸凹現象。（3）樹脂涂刷檢驗：樹脂涂刷應均勻、表面無流淌現象，涂刷厚度滿足設計要求，且能滲透至碳纖維布表面。（4）浸漬膠檢驗：碳纖維布粘貼后，混凝土表面應有均勻浸透至表層的粘貼樹脂，且無氣泡，浸透程度達到指觸有濕感[6]。（5）其他檢驗項目如表4所示。

5 結論

在橋梁工程的維修加固中，碳纖維布是一種常用的加固材料，通過該次研究得出結論如下：（1）根據橋梁病害現狀、檢測結果，通過方案比選采用最優施工方案，才能充分發揮出碳纖維布的功能和優勢，提高橋梁維修加固綜合效益。（2）現場施工中，應合理選擇材料，嚴格控制施工要點，并落實施工質量驗收工作，才能確保施工作業順利進行，提高綜合施工效益。

參考文獻

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