碳纖維及芳綸纖維在橋梁加固中的推廣應(yīng)用

于 野

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司)

0 前言

橋梁絕大部分是可能通過(guò)加固改造而繼續(xù)使用的，碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一處新的，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于鋼筋混凝土表面，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固站強(qiáng)養(yǎng)護(hù)的目的，碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于20世紀(jì)80年代美，日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起步較晚，應(yīng)大力研究推廣應(yīng)用。

1 碳纖維片材料的材料性能

碳纖維是具有優(yōu)越的物理力學(xué)性質(zhì)的新材料，也是目前性能最好，用途最多的增強(qiáng)纖維，在木土工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)中，使用較多的碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維片材。目前，在我國(guó)應(yīng)用最多的是日本生產(chǎn)的碳纖維片。

(1)碳纖維片材的物理機(jī)械性能。鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為240～550 MPa，高強(qiáng)度碳纖纖片材提高了鋼筋的屈服荷載，減少了鋼筋內(nèi)的消力，高模量碳纖維進(jìn)一步提高警惕服荷載，可減少片材的使用層數(shù)。

(2)耐久性。經(jīng)加速暴露的試驗(yàn)證實(shí)，碳纖維片的強(qiáng)度和粘著性有在相當(dāng)于50年的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生劣化。環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)料在核輻射試驗(yàn)中可經(jīng)受20年，通過(guò)紅外線分光法試驗(yàn)，確認(rèn)內(nèi)部環(huán)氧樹(shù)脂完好無(wú)損。

2 碳纖維材料在橋梁結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用及施工工藝流程

2.1 具體應(yīng)用

(1)抗彎拉補(bǔ)強(qiáng)。在受拉區(qū)及連續(xù)板梁，懸臂板梁支座的上部，沿受力筋方向粘貼碳纖維片，根據(jù)受力需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定粘貼層數(shù)，若應(yīng)用高彈性模量片村，補(bǔ)強(qiáng)效果更顯著，由于碳纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時(shí)延伸率小于鋼筋。

(2)抗剪補(bǔ)強(qiáng)。通常是在梁靠近端部主拉應(yīng)力較大的區(qū)域或較大集中荷載作用的部位，補(bǔ)強(qiáng)時(shí)在梁的兩側(cè)面豎向粘貼，或與梁底形成U形環(huán)包，相當(dāng)于增加抗剪箍筋以分擔(dān)原箍筋的剪力，必要時(shí)可交就粘貼單向碳纖維片。

(3)中心受壓補(bǔ)強(qiáng)。用碳纖維在構(gòu)件中部橫向環(huán)包，增強(qiáng)混凝土的約束，提高抗壓強(qiáng)度。

(4)偏心受壓構(gòu)件。在構(gòu)件受彎拉的側(cè)面沿柱軸縱向粘貼，可有效補(bǔ)強(qiáng)。

(5)抗震性能補(bǔ)強(qiáng)。在地震或臺(tái)風(fēng)的橫向力作用下，柱端彎矩和剪力都很大，可以縱向粘貼和環(huán)包同時(shí)進(jìn)行，既提高構(gòu)件賁向側(cè)力，又改善能量吸收性能。提高結(jié)構(gòu)和延性，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力能力顯著提高。

(6)涵洞，隧道及襯砌側(cè)修補(bǔ)。由于環(huán)向壓力不均勻造成橫斷面各方位應(yīng)力產(chǎn)生縱向受力不均勻造成橫斷面各方位應(yīng)力異常而產(chǎn)生縱向受拉裂縫，甚至襯砌剝落，以及由于地基沉降不均勻造成的縱向錯(cuò)位，都可以采用混凝土局部填補(bǔ)，置換和碳纖維片補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合應(yīng)用的方法。

(7)封閉及防護(hù)功能。粘貼碳纖維片可將結(jié)構(gòu)裂縫封閉，較寬較深的裂縫還可以在貼片前用環(huán)氧樹(shù)脂灌縫進(jìn)行封閉，從而控制裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，阻止水分滲入引起鋼筋銹蝕，還能增強(qiáng)抗腐蝕性能。

2.2 碳纖維片補(bǔ)強(qiáng)施工的工藝流程

(1)混凝土構(gòu)件的表面處理。將混凝土表面的疏松，脆裂等缺陷清除達(dá)到表面堅(jiān)實(shí)，露筋的銹塊，脆裂等缺陷清除達(dá)到表面堅(jiān)實(shí)，露筋的銹塊，銹皮均須清除，必要進(jìn)須做防銹處理，對(duì)混凝土表面寬度小于0.2 mm的裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂涂抹封閉，寬度大于0.2 mm的裂縫，需用環(huán)氧樹(shù)脂灌。對(duì)混凝土表面殘缺部分用高于原混凝土強(qiáng)度等級(jí)的砂漿或混凝土修補(bǔ)夾帶，并將混凝土表面的風(fēng)化劣化層，浮漿，油污等清理干凈，混凝土表面的漿楞，模板段差，直角等帶有棱角的地方應(yīng)打磨圓滑夾帶，將存留在表面的粉未清除干凈，保持被修補(bǔ)表面的徹底清潔。

(2)除底層界面劑。在處理好的混凝土表面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂底層涂料，使底層樹(shù)脂滲入到混凝土中，增加粘結(jié)力。

(3)構(gòu)件表面的殘缺修補(bǔ)。底層涂料涂刷面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂底層涂料，使底層樹(shù)脂滲入到混凝土中，增加粘結(jié)力。

(4)構(gòu)件表面的殘缺修補(bǔ)。底層涂料涂刷后，用環(huán)氧膩?zhàn)訉⒒炷帘砻娴目紫缎拚?。再在其表面涂刷一層粘結(jié)樹(shù)脂，貼片工序操作的技術(shù)性很強(qiáng)，有嚴(yán)格的操作堆積和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以確保粘貼的質(zhì)量。

(5)養(yǎng)護(hù)。粘貼工作完成后，通常在自然條件下養(yǎng)護(hù)1～2周，視溫度條件而定。

(6)涂裝。補(bǔ)強(qiáng)完成后，碳纖維片的表面可視需要涂刷各種性能和不同顏色的涂裝，增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)的效果。

3 芳綸纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工程序

(1)材料進(jìn)場(chǎng)。混凝土芳綸纖維的加固補(bǔ)強(qiáng)一般用以下幾種材料，芳綸纖維，浸漬樹(shù)脂，底膠。

(2)芳綸纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)，抗沖擊性能好，耐腐蝕性好以及非導(dǎo)電性的復(fù)合材料，芳綸纖維的抗拉強(qiáng)度在實(shí)際施工中中的是芳綸纖維布，芳綸纖維布是將纖維按同一方向排列編制而形成的片材。

(3)浸漬樹(shù)脂浸透芳纖維。使纖維組合成板狀整體，具有一定強(qiáng)度，并使之粘貼在混凝土表面，一般情況下，浸漬樹(shù)脂是環(huán)養(yǎng)樹(shù)脂系列，是常溫裂化型的主劑和硬化劑的混合體。保管方法:存放地方要求通風(fēng)，避光，且無(wú)水份及灰塵。

(4)底膠是非溶劑性低粘度的環(huán)氧樹(shù)脂。涂在混凝土表面，能夠浸透構(gòu)件表面，確?；炷僚c纖維布及浸漬樹(shù)脂有高度的粘結(jié)力。不同混凝土強(qiáng)度對(duì)于底膠的粘結(jié)力要求也不同，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土與芳綸纖維的粘結(jié)力強(qiáng)度也不斷提高，施工時(shí)選用的底膠是環(huán)氧樹(shù)脂系二組液態(tài)混合物。

4 修補(bǔ)墩柱裂縫及表面處理

混凝土表面如果不經(jīng)表面處理，芳綸纖維與混凝土的結(jié)合性會(huì)降低，而達(dá)不到應(yīng)有的補(bǔ)強(qiáng)效果，因此，混凝土在補(bǔ)強(qiáng)前必須對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理。

(1)橋裂縫嚴(yán)重。(2)對(duì)墩進(jìn)行處理。鑿掉部分破損及空洞的混凝土，向裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧樹(shù)脂膠，同時(shí)對(duì)鋼筋外漏處，應(yīng)對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理，然后用水泥砂漿修補(bǔ)平整。(3)對(duì)全橋墩柱進(jìn)行打磨處理，必須清除墩柱表面浮漿及凹凸不平處，施工時(shí)模板拉縫處的錯(cuò)臺(tái)也要進(jìn)行整平處理，直到漏出細(xì)骨料為止，用濕布擦試墩柱表面，有油膩部分應(yīng)用丙酮清洗。(4)涂底膠。按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的使用方法按比例調(diào)配底膠，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，每次調(diào)和的樹(shù)脂要盡可能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，調(diào)配底膠時(shí)必須帶保護(hù)眼鏡，口罩，手套等安全工具，并注意安全，注意防火。

涂底膠時(shí)的施工要點(diǎn)(1)涂底膠前要確認(rèn)混凝土的一有面干燥，潮濕狀態(tài)下，要進(jìn)行干燥處理。(2)底膠在指觸硬化前，外界溫度若在5度以下，要采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┗蛘卟捎玫蜏匦偷啄z。(3)因?yàn)榈啄z提高浸漬樹(shù)脂的粘結(jié)性，所以用滾筒或毛刷將底膠干燥后，要用環(huán)氧類(lèi)膩?zhàn)舆M(jìn)行整平處理，使芳綸纖維布緊貼在混凝土表面。

5 粘貼芳綸纖維布

(1)打墨線:按照芳綸纖維布，在墩柱混凝土表面打出粘貼的標(biāo)準(zhǔn)線。

(2)混凝土表面狀態(tài)的鑒定?？吹啄z表面是否附著水分及灰塵，如果有應(yīng)及時(shí)采取措施除去。底膠含有機(jī)溶劑時(shí)，指觸即可確定干燥程度，若指觸不干，則可采取升溫措施，加速底膠硬化。

(3)拌和浸漬樹(shù)脂。把浸漬樹(shù)脂的主劑和硬化劑按一定比例放入容器，人工按同一方向均勻攪拌，攪拌之后，樹(shù)脂之后含有大量氣泡，應(yīng)待氣泡減少后再使用。

(4)涂底層浸漬樹(shù)脂。用滾動(dòng)毛刷浸漬樹(shù)脂均勻涂在混凝土表面，樹(shù)脂用量按照說(shuō)明書(shū)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用。

(5)粘貼芳綸纖維布。芳綸纖維布按圖進(jìn)行粘貼，應(yīng)注意是否有氣泡及其他殘留物，用滾筒滾壓芳綸纖維布，使其與混凝土緊密結(jié)合。

(6)涂外層浸漬權(quán)脂。底層的浸漬樹(shù)脂浸透纖維布后，外層還要再涂一遍樹(shù)脂，底層的浸漬樹(shù)脂浸透維布的紡織方向均勻地涂抹樹(shù)脂，同時(shí)應(yīng)注意除去殘留氣泡，使纖維布和里外樹(shù)脂結(jié)成一體。

(7)涂外層浸漬樹(shù)脂。底層的浸漬樹(shù)脂浸透纖維布后，外層還要再涂一遍樹(shù)脂，同時(shí)應(yīng)注意除去殘留氣泡，使纖維布和里外樹(shù)脂結(jié)成一體。

(8)養(yǎng)護(hù)。樹(shù)脂初期硬化時(shí)表面若附著水分，會(huì)出現(xiàn)不良硬化層，為防止水分附者，用PVC膜覆蓋養(yǎng)護(hù)。硬化過(guò)程中，若雨水侵蝕墩柱混凝土表現(xiàn)面樹(shù)脂，則應(yīng)對(duì)基進(jìn)行處理，用專(zhuān)用沖淡劑登記去硬化層，然后再進(jìn)行下一步施工。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)公路建設(shè)已逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)改建階段，大量橋梁構(gòu)造物需要加固補(bǔ)強(qiáng)，以適應(yīng)交通量增長(zhǎng)的需要。碳纖維以其較突出的優(yōu)點(diǎn)著稱(chēng)，我們只有在實(shí)際施工中不斷應(yīng)用，不斷提高，才能更好地發(fā)揮它的作用。