淺談碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用

李天林（梅州寶誠建設(shè)工程有限公司）

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淺談碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用

李天林
（梅州寶誠建設(shè)工程有限公司）

【摘要】本文結(jié)合省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋兩座舊橋的加固實例，介紹了碳纖維的基本特性、碳纖維加固技術(shù)的施工工藝，為同類橋梁加固施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；橋梁；加固

1　引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快。受交通運(yùn)輸日益繁重和超重車輛增多的影響，相當(dāng)一部分現(xiàn)有橋梁由于建成時間較長，原有設(shè)計荷載等級較低，存在不同程度的病害，不能滿足現(xiàn)階段及將來的通行需要。為確保橋梁運(yùn)營安全，需要對舊橋進(jìn)行合理有效的加固改造，以恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力。

粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術(shù)在國外的應(yīng)用已廣泛，日本是世界上碳纖維的生產(chǎn)大國，不僅產(chǎn)量幾乎占世界的一半，其對碳纖維的研究也較深入。1995年以后，我國才開始這方面的研究，工程積累經(jīng)驗也不是很足。粘貼碳纖維加固技術(shù)作為一種新型的橋梁加固改造技術(shù)，能夠恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力。筆者參與了我市梅縣區(qū)采用粘貼碳纖維加固技術(shù)加固改造省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋兩座危舊橋的工程，根據(jù)完工后的荷載試驗和監(jiān)測結(jié)果，舊橋加固效果良好，加固后的橋梁承載能力均達(dá)到設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。由于碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項新技術(shù)，本文試通過兩座舊橋加固的實例，對碳纖維加固橋梁技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討和研究。

2　碳纖維材料的基本特性

粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術(shù)是在橋梁需加固部位粘貼高性能的碳纖維材料來對橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的一項新技術(shù)，所采用的基本材料是碳纖維片材和配套樹脂類粘結(jié)材料。其基本原理是將碳纖維片材用專門配制的樹脂類粘結(jié)材料粘貼在修復(fù)處理后的橋梁加固部位表面，使碳纖維和原結(jié)構(gòu)混凝土在固化后合為一體，共同受力工作。

2.1碳纖維片材

碳纖維片材包括碳纖維布和碳纖維板，其中碳纖維布是布狀制品，碳纖維板是經(jīng)拉擠成型后的板狀制品，碳纖維板較多應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力加固。碳纖維片材具有以下幾個特點：①抗拉強(qiáng)度高。碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度較高，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于3000MPa，碳纖維板的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于2000MPa，大大高于普通鋼材。②彈性模量高。碳纖維布的受拉彈性模量不低于2.1×105MPa，碳纖維板的受拉彈性模量不低于1.4× 105MPa。③單位質(zhì)量較輕。單層碳纖維布的單位面積質(zhì)量一般不高于300g/m2。④良好的化學(xué)穩(wěn)定性。由于化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，碳纖維不易受各類化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，且耐寒和耐熱性均較理想。⑤耐久性好。碳纖維片材的強(qiáng)度和粘結(jié)性在50年內(nèi)幾乎沒有任何變化，而且抗拉強(qiáng)度沒有任何損失。⑥施工方便。碳纖維片材由于質(zhì)輕，施工工序簡單，用工量較少，工期較短，可以隨意裁剪，施工極其方便。

2.2碳纖維布

目前加固工程中大量使用的是單向碳纖維片材，雙向或多向碳纖維片材工程實踐經(jīng)驗較少。在橋梁工程加固中，應(yīng)用較多的是單向碳纖維布，單向碳纖維布又一般分為高強(qiáng)度I級和高強(qiáng)度II級兩種，高強(qiáng)度I級的性能指標(biāo)高于高強(qiáng)度II級。據(jù)相關(guān)應(yīng)用研究表明，采用碳纖維布加固后，不僅可以增強(qiáng)梁、柱的抗剪能力達(dá)30%～80%，而且可以提高梁、板的抗彎能力達(dá)30%～100%。單向碳纖維布用于橋梁加固時，一般應(yīng)核對或抽樣檢測下列7個性能項目：抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度、仰貼條件下纖維復(fù)合材與混凝土的正拉粘結(jié)強(qiáng)度、受拉彈性模量、伸長率、單位面積質(zhì)量。必須由具備相關(guān)資質(zhì)條件的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測。

2.3配套樹脂類粘結(jié)材料

配套樹脂類粘結(jié)材料質(zhì)量的好壞是粘貼碳纖維片材質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)加固時，必須使用配套的底膠、修補(bǔ)膠和結(jié)構(gòu)膠粘劑才能保證加固效果。底膠、修補(bǔ)膠和結(jié)構(gòu)膠粘劑均為樹脂類材料。

⑴底膠。底膠必須嚴(yán)格按生產(chǎn)廠家提供的說明書進(jìn)行配制，按規(guī)定比例將主劑和固化劑配制好后，將底膠涂于橋梁加固部位的混凝土表層，其主要作用是提高加固部位的混凝土表面強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度。底膠根據(jù)性能高低分為A級膠和B級膠，A級膠性能優(yōu)于B級膠，一般應(yīng)核對或抽樣檢測的性能項目有：濕熱老化后抗剪強(qiáng)度降低率、混合后初黏度、與混凝土的正拉粘結(jié)強(qiáng)度、鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度、不揮發(fā)物含量。

⑵修補(bǔ)膠。修補(bǔ)膠必須嚴(yán)格按生產(chǎn)廠家提供的說明書進(jìn)行配制，修補(bǔ)膠的主要作用是找平修整，修復(fù)加固部位混凝土的表面質(zhì)量缺陷。修補(bǔ)膠并不是使用得越多越好，當(dāng)加固部位的混凝土表面質(zhì)量和平整度均較好時，宜盡量減少修補(bǔ)膠的使用量。修補(bǔ)膠一般應(yīng)核對或抽樣檢測的性能項目有：膠體抗彎及抗拉強(qiáng)度、與混凝土的正拉粘結(jié)強(qiáng)度。

⑶結(jié)構(gòu)膠粘劑。結(jié)構(gòu)膠粘劑的主要作用是使碳纖維材料與原結(jié)構(gòu)混凝土的粘結(jié)變得充分，固化后合成一個整體，共同受力。結(jié)構(gòu)膠粘劑根據(jù)性能高低分為A級膠和B級膠，A級膠性能優(yōu)于B級膠。一般應(yīng)核對或抽樣檢測的性能項目有：膠體性能（抗彎、抗拉、抗壓強(qiáng)度、伸長率、受拉彈性模量）、不揮發(fā)物含量、粘結(jié)能力。

3　粘貼碳纖維片材加固施工工藝流程

為使碳纖維粘貼效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在橋梁加固時，應(yīng)采取相關(guān)措施使影響橋梁加固部位的荷載作用減到最少。粘貼碳纖維施工工序：施工準(zhǔn)備→處理加固部位基面→涂刷底膠→找平修復(fù)處理→制備結(jié)構(gòu)膠粘劑→加固部位外貼碳纖維→涂刷防腐漆→檢查驗收。

3.1施工準(zhǔn)備

加固前，施工人員應(yīng)熟悉施工圖紙，檢查核對進(jìn)場材料的產(chǎn)品合格證和質(zhì)檢報告，不合格材料不得使用，并清理出施工現(xiàn)場，但不得隨意丟棄。根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，制訂好施工方案并按規(guī)定程序報批。

3.2處理加固部位基面

加固部位混凝土表面如存在劣化混凝土，應(yīng)先將劣化層清除，打磨后用大于或等于原混凝土強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂砂漿材料對表面進(jìn)行修復(fù)。如加固部位存在局部裂縫，應(yīng)先對裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。

用鋼絲刷在加固部位混凝土表面打毛，再用空壓機(jī)除去粉塵，清水沖洗干凈，并用脫脂棉在完全干燥后的混凝土基面擦少許二甲基酮。

3.3涂刷底膠

配制底膠，必須嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠家提供的說明書進(jìn)行現(xiàn)場配制，攪拌必須均勻（可用人工或電動攪拌）。配制底膠的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環(huán)氧樹脂，產(chǎn)品一般經(jīng)過毒性檢驗，不會含有乙二胺、有害溶劑和非反應(yīng)性稀釋劑等。為確保粘貼質(zhì)量，配制時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)天的氣溫計算好底膠需用量，并在規(guī)定的使用時間內(nèi)涂刷完畢。超過規(guī)定的使用時間，沒有涂刷完的底膠應(yīng)廢棄。

涂刷底膠時，應(yīng)保持均勻且不得有疏漏，并注意控制涂刷的厚度，一般不厚于0.4mm，檢查確認(rèn)無氣泡后，一般待底膠干燥2小時以上方可轉(zhuǎn)入下道工序。

3.4找平修復(fù)處理

基礎(chǔ)修補(bǔ)找平膠應(yīng)在施工現(xiàn)場配制，且配制時配合比應(yīng)嚴(yán)格按生產(chǎn)商提供的使用說明書配制。配制基礎(chǔ)修補(bǔ)找平膠的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環(huán)氧樹脂，產(chǎn)品一般經(jīng)過毒性檢驗。

基礎(chǔ)修補(bǔ)找平膠一般用量較少，一般用于加固表面混凝土凹凸不平、轉(zhuǎn)角及接頭高差等部位。為確保碳纖維粘貼質(zhì)量，上述部位應(yīng)修補(bǔ)完整并經(jīng)找平處理，處理后接頭部位無棱角，轉(zhuǎn)角處表面光滑。

3.5制備結(jié)構(gòu)膠粘劑

上述工序完成后，方可在施工現(xiàn)場配制結(jié)構(gòu)膠粘劑，配制結(jié)構(gòu)膠粘劑的材料一般分為A、B（或甲、乙）兩種，主要成分為改性環(huán)氧樹脂，產(chǎn)品經(jīng)過毒性檢驗，配制時配合比應(yīng)嚴(yán)格按生產(chǎn)商提供的使用說明書配制。

3.6加固部位外貼碳纖維

在橋梁需加固部位待粘面上畫出各層位置，并嚴(yán)格按設(shè)計要求的尺寸裁剪出各部位的碳纖維片材。為防止保管期間的破損，裁剪數(shù)量只裁所需使用的數(shù)量。裁剪好碳纖維片材后，將配制好的結(jié)構(gòu)膠粘劑涂刷于待粘部位。涂刷結(jié)構(gòu)膠粘劑應(yīng)在所有要粘貼碳纖維材料的部位均勻地涂刷，而且涂刷必須采用專用工具（滾筒），滾壓必須同一方向多次來回，但滾壓時應(yīng)注意保護(hù)好碳纖維片材，碳纖維片材盡量平展順直，避免彎折。氣泡完全消除且結(jié)構(gòu)膠粘劑浸透片材后至少靜置半小時。

多層碳纖維片材進(jìn)行粘貼時，必須按以上步驟進(jìn)行操作，每一層碳纖維表面干燥后立即進(jìn)行下一層碳纖維片材的粘貼。

3.7涂刷防腐漆

碳纖維片材粘貼后，在碳纖維片材表面必須涂刷兩道聚氨脂防腐漆，以形成碳纖維的保護(hù)層（當(dāng)碳纖維為間隔粘貼時，涂刷范圍為碳纖維加固區(qū)域，即包括碳纖維片材間的空隙）。

3.8檢查驗收

檢查驗收的方法比較簡單，易于掌握，一般采用錘擊法或手壓法來檢驗片材的粘結(jié)質(zhì)量。具體驗收標(biāo)準(zhǔn)為：總有效粘結(jié)面積大于或等于95%。當(dāng)空鼓面積小于100cm2時，可用針管注入結(jié)構(gòu)膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救；空鼓面積大于100cm2時，先將空鼓部位的片材切除，再在空鼓處搭接20cm以上的等量碳纖維片材。

3.9其它事項

碳纖維片材及配套膠粘劑必須存放于通風(fēng)良好的陰涼干燥處。存放時，碳纖維片材作為能導(dǎo)電的材料，應(yīng)做好防火、防電、防潮保護(hù)措施。

現(xiàn)場施工人員應(yīng)密切監(jiān)控施工現(xiàn)場的環(huán)境溫度和天氣情況，一般適宜施工的溫度在5℃以上、40℃以下。否則，必須采取相關(guān)升溫或降溫措施方可施工。施工企業(yè)必須建立健全的施工現(xiàn)場職業(yè)健康安全管理制度，為現(xiàn)場作業(yè)人員購置各種勞動安全保護(hù)用品。

表1　梅州市梅縣區(qū)近年應(yīng)用碳纖維加固橋梁詳細(xì)情況

4　工程應(yīng)用實例

4.1工程概述

⑴省道S223線梅縣劍英大橋位于梅縣雁洋，跨越廣東省梅縣梅江河，橋梁全長326.29m，橋梁上部結(jié)構(gòu)是6×45m鋼筋混凝土鋼架拱，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.4m，橋臺采用樁基礎(chǔ)與重力式組合橋臺。2007年8月完成加固與維修施工圖設(shè)計，加固與維修設(shè)計要求對橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行加固，其中主拱實腹段、拱腿和弦桿正彎矩段采用粘貼碳纖維布加固。

⑵梅縣Y035線錦江大橋位于梅縣丙村鎮(zhèn)，是連接丙村鎮(zhèn)錦江南北兩岸丙村和紅光村的唯一通道，大橋全長257.73m，橋面全寬7.4m，凈寬6.5m，錦江大橋主橋采用9孔鋼筋混凝土肋拱結(jié)構(gòu)，兩端各2孔10m鋼筋混凝土T梁結(jié)構(gòu)，橋跨橫斷面由4片拱肋組成，主橋下部結(jié)構(gòu)形式為重力式實體墩身、沉井基礎(chǔ)。該橋始建于1934年，1948年建成通車，后經(jīng)多次加固，2009年7月經(jīng)廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測站檢測后，該橋技術(shù)狀況等級評定為五類橋，必須立即加固才能使用。加固設(shè)計要求對橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行加固，其中對全部拱肋的跨中部分拱肋底、上弦桿、橫系梁，破損、露筋的拱肋、立柱，出現(xiàn)網(wǎng)裂的橋面板板底修復(fù)后采用粘貼碳纖維布加固。

上述兩座橋梁結(jié)構(gòu)類似，均采用碳纖維布加固，具體加固詳情見表1。

4.2碳纖維加固舊橋效果評價

省道S223線梅縣劍英大橋和梅縣Y035線錦江大橋加固完成后，據(jù)運(yùn)行幾年來的定期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，碳纖維與原結(jié)構(gòu)混凝土表面粘結(jié)完好，無空鼓、無裂紋，加固質(zhì)量得到建設(shè)單位和設(shè)計單位的認(rèn)可，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目標(biāo)，取得了較滿意的效果。

4.3碳纖維加固舊橋經(jīng)濟(jì)性能評價

碳纖維加固工程不需要大型施工機(jī)具和輔助機(jī)械，節(jié)省了臺班費(fèi)用；碳纖維屬于輕質(zhì)柔性材料，易于施工，降低了人工費(fèi)用；碳纖維具有良好的耐腐蝕性能，不需要定期維護(hù)，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。例如：梅縣Y035線錦江大橋，碳纖維布加固面積為1470.3m2，碳纖維布加固預(yù)算造價為134.35萬元，折算為913.8元/m2，實際施工中標(biāo)價比預(yù)算價格更低。

5　結(jié)束語

綜上所述，粘貼碳纖維加固技術(shù)對于橋梁中不同部位的受力構(gòu)件均可以方便地加固，可以在不破壞原有結(jié)構(gòu)、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸前提下達(dá)到抗彎補(bǔ)強(qiáng)，是一種有效的新型橋梁加固技術(shù)。需要注意的是，舊橋治理改造不同于新橋施工，風(fēng)險和不確定性因素較復(fù)雜，因此施工時必須嚴(yán)格遵守施工次序，必須進(jìn)行對稱施工，不得顛倒和超前施工。隨著碳纖維價格的逐年下降和工程實踐經(jīng)驗的不斷積累，碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)越性將會越來越明顯，在舊橋加固中的應(yīng)用也會越來越廣。

【參考文獻(xiàn)】

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