試論碳纖維材料在橋梁維修加固中的應(yīng)用

林春茂

（廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司揭惠高速公路管理中心廣東揭陽　515300）

試論碳纖維材料在橋梁維修加固中的應(yīng)用

林春茂

（廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司揭惠高速公路管理中心廣東揭陽515300）

從20世紀(jì)70年代開始，歐洲最開始將纖維材料使用在土木工程中，比強(qiáng)度和必剛度等都是極好的，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)中，逐漸形成了原有混凝土橋梁施工與纖維材料相結(jié)合的新技術(shù)。本文圍繞以上內(nèi)容對(duì)橋梁維修加固中碳纖維材料的應(yīng)用展開進(jìn)一步分析。

碳纖維材料；橋梁；維修加固

近年來因?yàn)槭艿蕉喾N因素的影響，現(xiàn)已建成的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中已經(jīng)出現(xiàn)了各種問題，這些問題中不乏一些事因?yàn)槌休d能力不足導(dǎo)致的，這些出現(xiàn)問題的混凝土橋梁中，多數(shù)通過改造可以使其結(jié)構(gòu)受力性能得到提高，進(jìn)而重新將其投入使用始終。在公路混凝土橋梁施工過程中經(jīng)常使用粘貼鋼板法，這種方法一般是通過環(huán)氧樹脂或者專門結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面的，這樣一來它們就會(huì)成為一個(gè)受力整體，使橋梁維修加固的效果更強(qiáng)。

1　材料基本特性

使用碳纖維材料補(bǔ)強(qiáng)加固的材料是高彈性或者高強(qiáng)度模量的連續(xù)碳纖維，將其單向排列成束，然后使用碳纖維或者沒有經(jīng)過樹脂浸漬固話的碳纖維布，最后形成的就是碳纖維布。通過對(duì)片材專門制成的浸漬樹脂或粘貼樹脂的利用，將其加固在部件的表面，然后經(jīng)過樹脂固化之后與原構(gòu)件二者形成一種新的受力復(fù)合體。

1.1碳纖維片材

就片材碳纖維材料本身來說，其拉伸強(qiáng)度在2400～3600MPa之間，與普通碳素鋼板（240MPa）相比，拉伸強(qiáng)度要高很多。這種材料的彈性模量以為內(nèi)片材的力學(xué)性能不同，可以將其分為三個(gè)不同的種類：即高模量、高強(qiáng)度以及中等模量，其中的高模量種類彈性模量更高，但是其伸長率卻是較低的。與普通材料相比，碳纖維的單位重量要低很多，這直接說明了碳纖維片材是比較輕的，值得一提的是，碳纖維本身存在比較穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)不會(huì)受到各種化學(xué)介質(zhì)和酸堿鹽的腐蝕，此外，還具有非常好的耐熱性和耐寒性。

1.2配套樹脂類粘結(jié)材料

這種配套樹脂系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括：①底層涂料，這種材料用在混凝土表面，通過粘結(jié)形成一種長期的界面基礎(chǔ)；②油灰主要用于對(duì)整個(gè)表面空隙進(jìn)行填充，進(jìn)而形成一個(gè)平整的表面，使得碳纖維材料的使用更加方便；③浸漬樹脂主要用于碳纖維布粘貼，粘結(jié)樹脂主要用于碳纖維板粘貼。使用這兩種材料的目的在于粘結(jié)碳纖維片和混凝土構(gòu)件，使二者形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，進(jìn)而共同參與工作。所以樹脂與混凝土粘貼的強(qiáng)度要比混凝土的剪切強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度高很多。針對(duì)碳纖維片材加固技術(shù)在公路混凝土橋梁工程中的應(yīng)用來說，在不同施工環(huán)境溫度之下，環(huán)氧樹脂的固化性能都具有十分重要的意義，這主要與粘貼工作量和橋梁交通的中斷時(shí)間有關(guān)。在公路混凝土橋梁使用環(huán)氧樹脂材料，施工表面溫度保持在10～40℃時(shí)，它的固化時(shí)間大于15h，粘貼之后可以對(duì)其使用的實(shí)踐大于45min，同時(shí)環(huán)氧樹脂材料的各種性能均能與混凝土橋梁加固工作相適應(yīng)。

2　碳纖維片材加固的形式

碳纖維片材主要的用途是加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土橋梁基本節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件，以期通過碳纖維片材的使用達(dá)到提高構(gòu)件抗剪承載力、抗彎承載力以及受壓構(gòu)件軸向抗壓承載力，同時(shí)提高構(gòu)件的延性和構(gòu)件的剛度。同時(shí)通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，通過碳纖維片材對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固，其裂縫寬度等問題均可以得到有效控制。因?yàn)樘祭w維片材的質(zhì)量輕切薄，同時(shí)柔度也比較好，所以在混凝土橋中相關(guān)部位的應(yīng)用也比較靈活，因?yàn)樘祭w維片材的碳纖維排列方向不同，同時(shí)拉伸強(qiáng)度也不同，一旦出現(xiàn)了碳纖維片材纖維向與受力方向相同，那么它的拉伸強(qiáng)度便是最高的，相反的，如果兩個(gè)方向之間垂直，那么它的強(qiáng)度便是最低的。由此來看，通過碳纖維片材對(duì)公路橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對(duì)纖維布的布置方向進(jìn)行正確掌握。同時(shí)結(jié)合混凝土構(gòu)件加固的計(jì)算，可以通過條帶件或者連續(xù)式粘貼碳纖維片材的方式進(jìn)行。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，其中分條加固的效果遠(yuǎn)比整條布的加固效果要好的多。

3　粘貼碳纖維加固技術(shù)分析

3.1面層處理

存在于混凝土表面的游離石灰、粉刷層等劣化層必須通過砂輪機(jī)去除并研磨，通過空氣噴嘴等去除砂輪機(jī)與毛刷之間待補(bǔ)強(qiáng)的粉塵以及松動(dòng)物質(zhì)，用水將其洗凈之后，對(duì)其進(jìn)行充分的干燥。

3.2斷面修復(fù)

清除混凝土面層的孔隙、腐蝕等不良部分，如果存在鋼筋外露的情形，一定要對(duì)其進(jìn)行良好的腐蝕處理，然后用環(huán)氧樹脂砂將材料（強(qiáng)度大于或者等于混凝土）進(jìn)行修補(bǔ)。裂縫應(yīng)用用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌注，裂縫的部分如果存在漏水的情形，應(yīng)在第一時(shí)間將止水和導(dǎo)水等處理工作做好。

3.3表面修正

表面平整度凸出部分應(yīng)該用砂輪機(jī)或者切割機(jī)將其鏟除，而凹陷部分應(yīng)該用環(huán)氧樹脂對(duì)其繼續(xù)擰填充，在轉(zhuǎn)角處將其研磨至凸角為R=20mm以上，而凹角則用樹脂砂漿對(duì)其進(jìn)行填補(bǔ)。

3.4底層涂料

在溫度小于5℃的雨天，或者在RH大于95%時(shí)是不能展開施工的，一旦施工環(huán)境的濕度和溫度均得到確認(rèn)之后，可以選用適當(dāng)?shù)牡讓油苛线M(jìn)行施工，同時(shí)應(yīng)保證施工現(xiàn)場(chǎng)空氣暢通，在施工過程中施工人員應(yīng)穿戴口罩、橡膠手套等保護(hù)性裝備。

3.5粘貼碳纖維片材

按照設(shè)計(jì)的尺寸將纖維貼片的大小裁好，將其長度和尺寸保持在2m的范圍之內(nèi)，為了避免碳纖維片材在保管期間出現(xiàn)破損，同時(shí)應(yīng)注意裁剪的數(shù)量僅供需要使用的數(shù)量則可。施工過程中應(yīng)通過指觸的方式對(duì)施工面底漆的干燥程度進(jìn)行確認(rèn)，如果施工實(shí)踐大于1星期，則應(yīng)通過砂輪機(jī)對(duì)其進(jìn)行磨平。

將環(huán)氧樹脂硬化劑與主劑按照規(guī)定進(jìn)行配比，讓其放在拌合桶中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)其進(jìn)行攪拌2min，攪拌一次使用的量僅供使用即可，一旦超過可使用的量則不可使用。用毛刷滾輪將環(huán)氧樹脂平均涂布底漆上，涂布的量應(yīng)結(jié)合施工面粗糙程度而改變，同時(shí)應(yīng)注意在轉(zhuǎn)角的部分多涂。將強(qiáng)化纖維粘貼在樹脂涂布面上之后，就可以用橡皮刮刀和毛刷滾輪順著纖維的方向?qū)⑵渫破?，去除樹脂浸透中的氣泡，保證纖維方向的搭接長度可以保證10cm，如果短一點(diǎn)則不必使用，粘貼之后將其放置30min，如果有纖維浮出或者脫線等情形出現(xiàn)，可以用滾輪或者險(xiǎn)僻刮刀將其壓平修正。指的注意的是，施工現(xiàn)場(chǎng)一定要保證空氣暢通，嚴(yán)禁煙火，在施工過程中一定要穿戴口罩、橡皮手套等保護(hù)性裝備。

4　結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段我國多數(shù)工程中已經(jīng)開始使用碳纖維片材和配套樹脂類粘結(jié)材料，但是絕大多數(shù)材料均以國外進(jìn)口為主，顯少使用國產(chǎn)產(chǎn)品，這主要是由于國產(chǎn)產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)指標(biāo)還存在一定差距，但是進(jìn)口材料單價(jià)比較高，這一點(diǎn)往往會(huì)對(duì)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)決策造成影響，因此應(yīng)該通過先進(jìn)技術(shù)提高國產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)加固效果，使橋梁的經(jīng)濟(jì)性和正常運(yùn)營效益得到保證。

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1673-0038（2015）03-0152-02

2015-1-5

林春茂（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事工程管理工作。