碳纖維加固技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

王 素 芹

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 晉中 030600)

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碳纖維加固技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

王 素 芹

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 晉中 030600)

介紹了碳纖維材料的特點(diǎn)與加固技術(shù)原理，從施工準(zhǔn)備、斷截面修復(fù)、底層處理等方面，闡述了碳纖維加固技術(shù)的施工工序，總結(jié)了碳纖維技術(shù)在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，指出碳纖維加固技術(shù)具有自重輕、柔韌性好、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

碳纖維，加固技術(shù)，橋梁，粘貼處理

1 碳纖維加固技術(shù)概述

1.1 碳纖維材料特點(diǎn)

碳纖維材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，在現(xiàn)代橋梁建筑工程應(yīng)用中很常見。碳纖維加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的(抗彎、抗剪)承載能力，由此達(dá)到對建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的[1]?；蛘咭部梢哉f，碳纖維加固技術(shù)作為一種新型高效的加固技術(shù)，通過在構(gòu)件表面粘貼碳纖維材料，使其與混凝土牢固地結(jié)合在一起，可以改善受力性能，達(dá)到加固結(jié)構(gòu)，提高承載力和抗震性的目的。

這種碳纖維加固技術(shù)之所以被廣泛應(yīng)用也是因?yàn)樘祭w維材料自身具備鮮明的優(yōu)勢。比如，碳纖維抗限抗拉強(qiáng)度非常大，約為鋼材的10倍，在提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件承載能力以及延性方面性能較好；再者，由于碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，加上熱膨脹系數(shù)小，在粘鋼加固后也可以杜絕化學(xué)腐蝕問題，具有較好的抗腐抗耐性，對結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響小，也有利于施工質(zhì)量的保障，同時(shí)節(jié)省了不必要的維護(hù)費(fèi)用。碳纖維加固技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。

1.2 碳纖維加固技術(shù)原理

簡單地說，碳纖維加固技術(shù)的工作原理是：將碳纖維制作成碳纖維布，結(jié)合損害建筑構(gòu)件的受力相關(guān)因素，采用一定的方法將其附著在建筑構(gòu)件的表面，從而分散其受力，實(shí)現(xiàn)加固效果。首先，在碳纖維加固技術(shù)中需要使用到碳纖維布和粘結(jié)材料，由于兩者的作用和特點(diǎn)不同，在制作的過程中需要將其兩者形成一個(gè)完美的整體，如此可以增強(qiáng)其穩(wěn)定性，有效地規(guī)避單根纖維在強(qiáng)力作用下出現(xiàn)的斷裂問題。其次，碳纖維布韌性高，負(fù)載拉力強(qiáng)，而且受到外力作用變化小，粘合材料在受力傳遞上容易受外界作用力較大的影響，為避免碳纖維與建筑構(gòu)件在外作用力下出現(xiàn)剝離，粘合材料需要非常高的韌性指標(biāo)和強(qiáng)度。它是一種技術(shù)創(chuàng)新，由于傳統(tǒng)的加固方式往往是被動(dòng)受力的，而預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是主動(dòng)受力，碳纖維板所施加的預(yù)應(yīng)力通過張拉錨固端和碳板膠共同作用并均勻有效地傳遞至梁體，提升了構(gòu)件的承載力，同時(shí)減少撓度變形，或封閉構(gòu)件裂縫，從而提高構(gòu)件的剛度，改善使用階段的性能。

2 碳纖維材料在橋梁施工中的應(yīng)用

2.1 碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用前景

早期，混凝土橋梁的技術(shù)在歐洲已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨后美國、加拿大、日本等國還加強(qiáng)了對碳纖維板的深入研究。而我國在20世紀(jì)90年代中期才開始這方面的研究，并逐步推廣應(yīng)用于公路混凝土橋梁施工。碳纖維材料的質(zhì)量非常輕，碳纖維加固技術(shù)在沒有重型設(shè)備的情況下，也可以輕便地實(shí)現(xiàn)施工，大大降低了高空作業(yè)的難度。相比較傳統(tǒng)的水泥混凝土公路橋梁加固方法，碳纖維加固技術(shù)在對橋梁進(jìn)行維修時(shí)非常便捷，不需要顧慮視覺檢測、橋梁現(xiàn)場加固狀態(tài)評估以及設(shè)計(jì)方面的要求就可以實(shí)現(xiàn)修復(fù)工作。

就目前來看，國家在交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)上投入了巨大的資源，交通部門計(jì)劃在現(xiàn)有的2.1萬億km公路建設(shè)投資規(guī)模(至2020年)的基礎(chǔ)上再增加大規(guī)模的投資，進(jìn)一步加強(qiáng)公路、橋梁等骨干交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)力度。一方面，大量的公路、橋梁、鐵路、城市軌道交通等正以前所未有的速度得到建設(shè)，城市化與交通網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的發(fā)展速度正在不斷加快。另一方面，越來越多橋梁得到建設(shè)的同時(shí)，大量建于較早時(shí)期的舊橋其養(yǎng)護(hù)維修加固的工作正日益繁重。環(huán)境的侵蝕、材料的自然老化、車輛荷載的提高以及超限車輛的普遍現(xiàn)象，造成許多舊橋已無法滿足安全運(yùn)營的需要。為了合理的分配有限的公路建設(shè)資金，節(jié)省國家交通建設(shè)資源，挖掘在役舊橋的承載潛力，研究開發(fā)新型的橋梁加固技術(shù)與材料，并在病危舊橋的加固工程中合理的加以應(yīng)用，恢復(fù)和提高舊橋的承載能力及通行能力迫在眉睫。但是，我國在碳纖維加固技術(shù)方面還處于起步的階段，與發(fā)達(dá)國家還存在著較大的差距。由于碳纖維材料多數(shù)是來自進(jìn)口國家，為了降低成本，實(shí)現(xiàn)材料經(jīng)濟(jì)效益的提升，在我國橋梁施工與修復(fù)中，還是采用了“加固為主”原則使用裂縫閉合方法開展作業(yè)。在粘結(jié)材料的使用上，采用了符合技術(shù)指標(biāo)的碳纖維布與樹脂，用以降低成本。借此，結(jié)合我國基本國情發(fā)展的需要，相關(guān)科研部門針對我國橋梁、道路特點(diǎn)以及環(huán)境因素，加大了對于碳纖維應(yīng)用指導(dǎo)性研究。伴隨碳纖維材料使用的專業(yè)性與系統(tǒng)性提升，未來該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景可觀。

2.2 碳纖維技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

首先，由于我國碳纖維技術(shù)應(yīng)用起步相對較晚，并且在碳纖維類產(chǎn)品方面產(chǎn)出較少，因此使用的材料進(jìn)口較多，會(huì)加大施工的成本，故而為了確保施工的利潤，應(yīng)當(dāng)以加固為主同時(shí)使用綜合法[2]。其次，針對橋梁道路上使用過久的混凝土，應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)場施工環(huán)境的變化和相關(guān)的技術(shù)檢測評估，在粘貼碳纖維時(shí)配套使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封。最后，碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用雖然給我國的技術(shù)人員帶來了一定的便捷，但是，推動(dòng)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要技術(shù)人員不斷積累經(jīng)驗(yàn)，形成系統(tǒng)化、專業(yè)化的知識體系。

2.3 碳纖維加固技術(shù)優(yōu)勢

碳纖維加固技術(shù)有眾多的技術(shù)優(yōu)勢，一是自重輕，厚度小，加固后基本不增加基體厚度；二是具備良好的柔韌性，適用于梁、柱、板、管道和墻體等各種形狀的構(gòu)件；三是耐酸、堿、化學(xué)腐蝕，適用各種惡劣環(huán)境；四是施工便捷，施工周期短；五是無公害，符合綠色環(huán)保要求以及貯存壽命長，可操作期限長等?？梢姡思夹g(shù)被廣泛普及應(yīng)用是大勢所趨。

3 碳纖維加固技術(shù)施工工序

3.1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行碳纖維加固技術(shù)施工之前需要進(jìn)行很重要的準(zhǔn)備工作。首先，針對需要進(jìn)行加固作業(yè)的橋梁結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、受力以及施工環(huán)境初步考察，然后做出合理的分析，并制定出相關(guān)的參數(shù)表，便于日后的施工材料甄選[3]。其次，通過工程量計(jì)算出碳纖維布以及樹脂等物資消耗的數(shù)量，施工所需的設(shè)備，施工技術(shù)人員等。最后，做好防護(hù)裝備的保護(hù)措施，比如防護(hù)眼鏡、防塵面具以及橡膠手套等質(zhì)量達(dá)標(biāo)的配備裝置，以及確保施工和技術(shù)人員的健康安全防范。

3.2 預(yù)先處理

在確認(rèn)好橋梁需加固的部位后，為了使得碳纖維材料與粘合劑更好的銜接，需要對加固部位采取一定的處理措施。尤其是混凝土表面經(jīng)過交通工具的軋損和外界惡劣環(huán)境的風(fēng)蝕和腐蝕，損傷部位粉刷層掉落、風(fēng)化、剝離現(xiàn)象嚴(yán)重。這樣一來，應(yīng)當(dāng)先對其進(jìn)行仔細(xì)打磨，保障其表面的平滑度[4]；若是加固部位環(huán)境濕度偏大，則需要先對其進(jìn)行風(fēng)干處理才能確保與粘合劑的效果；同樣，當(dāng)加固的橋面出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化、松散等現(xiàn)象時(shí)也需要將其表面和邊緣清理干凈和圓滑。總之，所有需要進(jìn)行施工加固的表面一定要無雜物、無凹凸區(qū)域、無松散雜物附著，這樣才能保障橋梁的原材料鋼筋與加固材料產(chǎn)生加強(qiáng)的握力。

3.3 斷截面修復(fù)

在處理加固部位時(shí)，表面、邊緣以及斷面層都是需要仔細(xì)清理的地方。將換掉的斷面層表面腐蝕和剝落除去后，混凝土里面的鋼筋會(huì)暴露，做好清潔工作后，用同等剛度的環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行修復(fù)，確保里邊的鋼筋未被腐蝕。若是斷面層的區(qū)域不大，或僅僅是較小的裂縫，在沒有出現(xiàn)漏水的情況下，則可以直接灌入環(huán)氧樹脂進(jìn)行修復(fù)。反之，若是有漏水的情況出現(xiàn)，則需要先行處理漏水，而后再使用環(huán)氧樹脂填充修護(hù)。

3.4 底層處理

在底層處理上需要注意涂抹底膠和涂料的要求與細(xì)節(jié)。在涂抹底膠時(shí)需要按照技術(shù)工程的要求預(yù)先計(jì)算出物資的消耗量，然后適量制作出環(huán)氧基液，在底膠的性質(zhì)尚未發(fā)生較大變化的時(shí)間內(nèi)，做好基面清潔工作，確保底膠可以牢固粘結(jié)在其表面上，并且自然風(fēng)干。若是底層處理采用的是涂料，則需要嚴(yán)格控制好環(huán)境因素，比如氣溫低于5 ℃,RH值大于95%或者是下雨天氣的環(huán)境下則不能使用涂料[5]；即便是正常情況下使用時(shí)，也需要保持施工空氣的通暢，杜絕煙火，施工人員護(hù)眼、護(hù)手等安全防護(hù)措施做好。

3.5 粘貼處理

由于橋梁加固施工的部位都具有一定的強(qiáng)度，在對其表面以及邊緣打磨的基礎(chǔ)上，還需要將表面浮動(dòng)的混凝土材料先行鑿開，剔除后再進(jìn)行浮塵的處理。鑿開的部位可以填充環(huán)氧砂漿等修補(bǔ)的材料。若是鑿開的空間相對較大，則可以在其區(qū)域內(nèi)放張楔塊位置，仔細(xì)查看張拉螺栓、夾片、連接套、連接頭的連接情況，當(dāng)徹底清理后，涂抹上適量的黃油進(jìn)行鎖定。最后，在整理好鋼絞線后根據(jù)編號、連接筒進(jìn)行連接，擰緊錨固螺栓。

4 結(jié)語

碳纖維加固技術(shù)伴隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，未來在橋梁工程施工作業(yè)中將會(huì)得到普遍的應(yīng)用。其中，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固新技術(shù)在國內(nèi)外各個(gè)重大的加固會(huì)議上均常被提及，但國內(nèi)的實(shí)際運(yùn)用比較少。作為一種重要的新型技術(shù)，技術(shù)施工人員需要給予高度的重視，同時(shí)克服技術(shù)難點(diǎn)，挖掘施工中的亮點(diǎn)，確保實(shí)際施工的質(zhì)量，為該技術(shù)的普及應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 李迎剛.碳纖維技術(shù)在現(xiàn)役超限橋梁施工中的應(yīng)用[J].山西建筑,2013，39(9):189-190.

[2] 宋 琳.淺析碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2013(5):137,139.

[3] 田樹斌.碳纖維加固技術(shù)在橋梁施工中的運(yùn)用初探[J].科技視界,2014(15):300.

[4] 白 寧.碳纖維加固技術(shù)在橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2014，40(29):181-182.

[5] 閆立飛.淺析碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2015(16):137.

On application of carbon fiber consolidation technique in bridge construction

Wang Suqin

(ShanxiJinzhongRoadandBridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper introduces the features and consolidation technical principle for the carbon fiber materials, illustrates the construction procedure of the carbon fiber consolidation technique from the construction preparation, section maintenance, and base treatment, sums up the precautions in the application of the carbon fiber, and points out the technique is featured with light gravity, better flexibility, and green environment protection, so it has better application.

carbon fiber, consolidation technique, bridge, bonding treatment

1009-6825(2016)20-0158-02

2016-05-06

王素芹(1978- ),女,工程師

U445.72

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