淺談碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用

葉雄

【摘要】本文首先對(duì)碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)作一些簡(jiǎn)介，然后結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用談一些看法。

【關(guān)鍵詞】碳纖維材料 橋梁 加固 應(yīng)用

碳纖維質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化，有著優(yōu)異的力學(xué)性能。用其加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單便捷，在橋梁維修加固中得到廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用談一些看法。

一、碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介

1、碳纖維材料特性

碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過(guò)一定的制作工藝與特定的樹(shù)脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時(shí)，將大量的碳纖維長(zhǎng)絲沿一個(gè)主方向均勻平鋪，用極少的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000Mpa，彈性模量大于2.1×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想最大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢(shì)，適宜將C（RP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。

2、碳纖維材料加固的原理

用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的。

3、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性

（1）優(yōu)異的力學(xué)性能，可有效用于多種形式的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風(fēng)，控制裂縫及撓度的擴(kuò)展。

（2）優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。碳纖維布具有極強(qiáng)的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應(yīng)氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。

（3）材料本身質(zhì)輕高強(qiáng)?？梢圆辉黾咏Y(jié)構(gòu)體積和不改變結(jié)構(gòu)外型。增加的結(jié)構(gòu)重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂裝，而不留補(bǔ)強(qiáng)痕跡。

二、在橋梁加固工程的應(yīng)用

1、工程概況

某公路橋梁為一座東西走向的三跨普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板梁橋，跨徑組合10m+10m+10m，為正交橋梁。該橋梁于上世紀(jì)90年代拓寬改建，中幅為老橋，南、北兩幅為拓寬新橋。由車流量較大，且通過(guò)該橋的超載車輛較多，導(dǎo)致橋梁的主要病害為橋面鋪裝縱、橫向裂縫，混凝土破損、露筋嚴(yán)重，局部修補(bǔ)后又出現(xiàn)破損、露筋。已有單梁受力傾向，威脅橋梁運(yùn)營(yíng)安全，因此對(duì)本橋梁采用碳纖維加固技術(shù)對(duì)橋梁的板梁進(jìn)行加固。

2、施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）加固材料性能。加固材料的選擇需滿足規(guī)范對(duì)材料強(qiáng)度的基本要求，并且應(yīng)有較好的強(qiáng)度儲(chǔ)備，并能滿足耐久性等要求。具體主要包括以下要求：

①材料強(qiáng)度高：抗拉強(qiáng)度≥3400N/mm2，安全儲(chǔ)備充足。

②材料延伸率高：高于1.5%，材料韌性好。

③耐久性好：配套樹(shù)脂應(yīng)經(jīng)過(guò)《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗(yàn)方法》GB/T14522-93規(guī)定環(huán)境條件的2000h加速老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003）中要求。

（2）基層表面處理及修復(fù)。

①根據(jù)不同情況對(duì)缺陷處進(jìn)行修復(fù)和處理：裂縫寬度>0.2mm時(shí)，應(yīng)采用壓力灌注、封閉處理；對(duì)松動(dòng)的混凝土表面則將浮層鑿去；裸露鋼筋進(jìn)行除銹處理，再用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

②要求清除表面的浮漿、油污、木屑等所有雜質(zhì)，除去表面2-3mm厚的砂漿層，直至露出堅(jiān)實(shí)的骨料。表面層打磨后應(yīng)用強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)或吸塵器將表面灰塵徹底清除。

（3）材料準(zhǔn)備。

①現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)圖紙下料，對(duì)加固碳纖維布的規(guī)格、長(zhǎng)度、寬度、厚度進(jìn)行核查。應(yīng)注意布的兩端是否寬度一致。

②施工前應(yīng)檢查所用粘結(jié)劑是否與提供的材料產(chǎn)品說(shuō)明書相符，使用材料是否過(guò)期。

③粘結(jié)劑的攪拌應(yīng)按產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的配比，A組分：B組分=3：1，采用天平稱量并置于容器中，用攪拌器攪拌至色澤均勻。

④粘結(jié)劑攪拌時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格防止異物落入粘結(jié)劑內(nèi)，應(yīng)遠(yuǎn)離正在進(jìn)行混凝土基層打磨現(xiàn)場(chǎng)或采取嚴(yán)密防塵措施避免灰塵落入，粘結(jié)劑內(nèi)不得添加其它溶劑。

（4）找平處理。

①應(yīng)對(duì)混凝土表面凹陷部分用找平材料填補(bǔ)平整，避免棱角。

②宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序施工。

（5）粘貼碳纖維片材。

①攪拌充分的粘結(jié)劑應(yīng)均勻涂刷到混凝土基層表面。

②粘貼前，再次按設(shè)計(jì)圖要求對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行定位確認(rèn)，注意碳纖維的搭接要求，必要時(shí)放線。

③將碳纖維布用手輕壓于需粘貼的位置，采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹(shù)脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。粘貼碳纖維布涂刷浸漬樹(shù)脂擠出氣泡。

④多層粘貼時(shí)，應(yīng)在下層粘結(jié)劑達(dá)到指觸干燥時(shí)及時(shí)進(jìn)行上一層的粘貼。如間隔超過(guò)60分鐘，則需等待12小時(shí)后，才可粘貼下一層。

⑤粘結(jié)劑的固化，一般在常溫下即可。對(duì)于粘貼好的碳纖維布在24小時(shí)內(nèi)，嚴(yán)禁擾動(dòng)。

（6）檢查驗(yàn)收。施工結(jié)束后驗(yàn)收時(shí)，以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘接質(zhì)量為主，用小錘等工具輕敲擊碳纖維布表面，以回聲來(lái)判斷粘接效果，若出現(xiàn)空鼓等粘帖不實(shí)現(xiàn)象，用針管注膠進(jìn)行補(bǔ)救。

3、施工應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）施工中周圍溫度必須高于結(jié)露點(diǎn)3℃以上，否則需要用紅外線等加熱施工面。

（2）在粘貼碳纖維布之前，必須對(duì)混凝土表面的劣化層予以清除，并用吹風(fēng)機(jī)吹凈，露出干凈、堅(jiān)實(shí)的基面；對(duì)出現(xiàn)急劇凹陷或構(gòu)件缺損的部位，應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿等材料填補(bǔ)修復(fù)平整或圓滑順暢過(guò)渡。

（3）對(duì)混凝土表面尖銳凸起部位，應(yīng)用混凝土磨片角磨機(jī)磨平，并進(jìn)行倒角處理，打磨至圓滑（R≥30mm）。

（4）底層樹(shù)脂用量必須根據(jù)碳布面積計(jì)算，應(yīng)保證用膠量>1.2kg/m2，確保在適用期內(nèi)一次用完，不允許使用時(shí)間拌和較長(zhǎng)的材料。

（5）攪拌需采用低速電鉆（最大500rpm轉(zhuǎn)/分），攪拌時(shí)間需達(dá)到3分鐘，直至所有顏色條帶消失，隨后將這個(gè)混合物倒入一干凈容器中，再次低速攪拌約1分鐘。

（6）在打磨底層樹(shù)脂時(shí)，注意不能把底層樹(shù)脂層打磨穿，如有此種情況發(fā)生，必須重新進(jìn)行清理、涂底層樹(shù)脂。

（7）嚴(yán)格控制粘結(jié)膠涂布面應(yīng)不小于所粘貼的碳纖維布大小。

（8）按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布，注意不要在幅寬方向進(jìn)行裁剪。

（9）在粘貼時(shí)，用膠輥在碳纖維布上沿碳纖維布方向施加壓力并反復(fù)碾壓，使樹(shù)脂膠液充分浸漬粘貼碳纖維布，消除氣泡和除去多余樹(shù)脂，使碳纖維布和底層充分粘接。

（10）粘貼施工結(jié)束后，等待粘結(jié)膠固化，應(yīng)再次對(duì)所貼碳纖維布仔細(xì)檢查，如果貼層有空鼓或氣泡，可以用刀片將碳纖維布劃開(kāi)（注意不要?jiǎng)潝嗵L(zhǎng)），然后采用注射器針管將調(diào)制好的粘結(jié)膠注入空鼓或氣泡內(nèi)填充至密實(shí)；如果發(fā)生大面積此種情況，必須按照施工工藝重新從頭施工。

三、結(jié)束語(yǔ)

總之，碳纖維質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化，有著優(yōu)異的力學(xué)性能。用其加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單便捷，在橋梁維修加固中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

1、陸慶榮，淺談碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用，《技術(shù)與市場(chǎng)》2010年第10期