橋梁加固中碳纖維材料的應(yīng)用分析

董艷

（上饒市鉛山公路事業(yè)發(fā)展中心，江西 上饒 334500）

0 引言

橋梁是交通系統(tǒng)的重要組成部分，在運營一段周期以后，往往會受到環(huán)境、車輛荷載因素的影響而出現(xiàn)承載性能下降、結(jié)構(gòu)強度不足等問題，給橋梁的安全和穩(wěn)定造成很大的影響，因此需要對橋梁進(jìn)行加固處理，提升其整體性。

碳纖維材料作為一種全新的加固材料，將其應(yīng)用到橋梁加固工程中已取得效果顯著，因此分析應(yīng)用碳纖維材料的橋梁，明確相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對提升橋梁加固效果具有重要意義。

1 碳纖維材料的特性和應(yīng)用優(yōu)勢研究

1.1 特性分析

碳纖維材料主要是高強纖維與環(huán)氧樹脂材料經(jīng)過相應(yīng)工藝加工后形成的一種加固材料。此類材料的力學(xué)性能非常突出，其抗拉強度能夠達(dá)到3000MPa以上，彈性模量可以達(dá)到2.1×10MPa，有些碳纖維材料的上述性能甚至更高。相較于其他加固材料碳纖維材料的優(yōu)勢更加明顯，在極端的施工環(huán)境下也能有效發(fā)揮自身的加固作用。碳纖維材料進(jìn)行橋梁加固施工時，主要是把碳纖維材料粘貼到橋梁需要加固的位置上，通過碳纖維材料功能提升橋梁的承載性能，使其達(dá)到交通運行標(biāo)準(zhǔn)。盡管碳纖維材料在橋梁加固中有一定的效用，但該材料也存在一定的局限性，如延性差、剪切強度較差等。在外部因素的作用下，碳纖維材料很容易出現(xiàn)軟化等問題，會影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此，相關(guān)人員需要對碳纖維加固技術(shù)的適用范圍有全面的掌握，從而保證碳纖維材料的效果能夠發(fā)揮出來。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

橋梁加固施工過程中應(yīng)用碳纖維材料可以提升加固效果，一般看來，碳纖維材料的優(yōu)勢有以下幾點：

其一，碳纖維材料的強度高、穩(wěn)定性高。在橋梁加固施工中，尤其對于一些長期運行導(dǎo)致承載性能不佳的橋梁，利用碳纖維進(jìn)行加固能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，使之滿足道路交通運行要求。在橋梁加固施工中，碳纖維材料能夠發(fā)揮自身高強度、高彈性模量的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改善加固，提升橋梁的承載性能，降低交通事故發(fā)生率。

其二，施工方便、快捷且成本較低。碳纖維的密度小、自重小，因此在橋梁加固施工過程中可直接操作，不需要配合大型設(shè)備進(jìn)行施工，能夠有效節(jié)約設(shè)備費用。此外，碳纖維加固施工現(xiàn)場不需要設(shè)置用于加固、支撐的設(shè)施，施工過程中占地空間較小，基本上不會影響橋梁的正常運行。

此外，在加固施工中通過剪刀、刀片等即可完成對材料的剪切操作，比較簡單、快捷。

其三，碳纖維材料的耐腐蝕強、耐久性好。經(jīng)大量實踐驗證，利用碳纖維材料完成橋梁加固、修補施工，可以大幅度提升橋梁的耐腐蝕、耐久性，能夠減少橋梁后期的養(yǎng)護(hù)次數(shù)，降低橋梁的維修成本，延長橋梁的使用年限。

其四，碳纖維材料的使用范圍比較廣。在碳纖維材料能夠應(yīng)用到不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)，如大型橋梁、混凝土橋梁等，同時不會受到加固形狀的限制。在橋梁的任何結(jié)構(gòu)部位都可以使用碳纖維材料加固施工，且維修加固施工效果良好。

其五，質(zhì)量可控。當(dāng)前在加固工程中主要的材料類型包含了碳纖維板、碳纖維布等，有些橋梁也可以應(yīng)用碳纖維束等材料。雖然對加固質(zhì)量的要求是不同的，但是從整體層面分析，采用碳纖維加固材料均能滿足施工要求。

2 碳纖維材料應(yīng)用要點

在使用碳纖維材料進(jìn)行橋梁加固時，應(yīng)對材料進(jìn)行合理的布設(shè)以更好地發(fā)揮其強度、剛度等性能。在碳纖維應(yīng)用的過程中，由于拉伸的方向不同，所以取得的施工效果也會存在差異性。倘若材料的方向與受力條件處于相同的條件，那么材料的拉伸強度會增加；若材料的方向以及結(jié)構(gòu)的受力條件不一致，材料的性能則會降低。目前主要包含下述三種：外貼加固、預(yù)應(yīng)力加固、內(nèi)部加筋技術(shù)等。

2.1 混凝土構(gòu)件的表面處理

首先，在對橋梁的梁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固施工之前，應(yīng)先將混凝土結(jié)構(gòu)部件表面的荷載全部或者部分卸除。經(jīng)過卸載之后的梁體結(jié)構(gòu)，需要待其處于穩(wěn)定狀態(tài)以后才能進(jìn)行施工。

其次，在加固作業(yè)的環(huán)節(jié)需要及時將混凝土表面的構(gòu)件清理干凈，特別是表面存在損壞的部位，避免內(nèi)部存在雜質(zhì)、油污等影響加固施工的效果。對于表面裸露出來的鋼筋材料，應(yīng)及時進(jìn)行除銹處理，避免降低橋梁加固施工的效果。同時，對于沒有生銹的結(jié)構(gòu)部件也需要進(jìn)行除銹處理。在加固工作開始之前，將現(xiàn)場進(jìn)行剔鑿處理的結(jié)構(gòu)應(yīng)用細(xì)石混凝土填充修復(fù)處理，整體表面滿足平整度需要。若縫隙寬度在0.2mm 的可以直接采用環(huán)氧樹脂對其處理；若寬度超過了0.2mm 的直接采用樹脂進(jìn)行灌縫施工，修復(fù)病害結(jié)構(gòu)部分。

2.2 底層處理

在底層處理時應(yīng)按照如下工作標(biāo)準(zhǔn)開展進(jìn)行：

第一，確定混凝土基面劣化層。通過使用鋼絲輪角磨機進(jìn)行該部位的處理，將內(nèi)部存在的勾縫砂漿鑿除干凈，并通過吹風(fēng)機進(jìn)行表面的清理，直到裸露出完整、清潔的基面，才可開展后續(xù)的工作。

第二，局部位置存在銹蝕、脹裂、松散等問題的情況，應(yīng)將該部位清理干凈，并在損壞的部位涂抹一定的環(huán)氧膠，再應(yīng)用輕質(zhì)修補砂漿找平處理。在處理工作結(jié)束后，保證新舊混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)滿足要求，同時控制形成的保護(hù)層厚度至少應(yīng)達(dá)到15mm 以上。

第三，在進(jìn)行剔鑿、除銹等措施處理后，表面容易出現(xiàn)凹陷或者損壞的部件，此時應(yīng)及時修補處理，并應(yīng)用輕質(zhì)修補砂漿或者碳纖維材料進(jìn)行處理。

第四，對于有部分存在基面尖銳凸起的部位，通過角磨機將其進(jìn)行打磨處理，也可以應(yīng)用混凝土磨片角磨機進(jìn)行倒角處理，直到表面部位達(dá)到圓滑狀態(tài)為止。

第五，經(jīng)過上述的打磨處理工作結(jié)束后，對現(xiàn)場的粉塵、松散浮渣等全部進(jìn)行清理，使其達(dá)到干燥、潔凈的標(biāo)準(zhǔn)要求。底層處理結(jié)束后及時組織質(zhì)檢人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查，對于不合格的地方應(yīng)立即采取措施處理。

2.3 涂抹底層涂料

在基層涂刷施工的過程中，先是將相關(guān)的材料倒入容器均勻攪拌，再采用專門的刷子進(jìn)行均勻涂刷，操作時需要控制涂刷的范圍、涂刷量以及涂刷時間，若超過既定的施工時間，材料性能就會下降，加固效果也就會降低。此外，在底層涂料制備的環(huán)節(jié)不能加入任何其他類型的溶劑材料，否則將會給橋梁加固施工帶來不利的影響。在底層涂料的制作結(jié)束后，應(yīng)使用滾刷均勻地加固到結(jié)構(gòu)表面，涂抹施工效果符合要求，且要落實涂抹厚度的控制，符合結(jié)構(gòu)性能的要求?；鶎油克⒐ば蛲戤呉院?，等待其固化后查看是否存在起鼓等問題，若出現(xiàn)起鼓問題需要應(yīng)用砂紙打磨、拋光處理。涂料涂抹施工對環(huán)境的要求較高，一旦環(huán)境溫度在5C 以下或者降雨天氣都不能開展施工，否則將會給結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成較大的影響。

2.4 粘貼碳纖維材料

在橋梁加固施工中，粘貼碳纖維材料應(yīng)做好如下幾點工作：

第一，材料的運輸、儲運需要做好相關(guān)的控制，避免出現(xiàn)材料損壞問題，同時不能出現(xiàn)任何破損的問題，否則將會對加固施工效果帶來較大的影響。在碳纖維材料運輸?shù)浆F(xiàn)場后，施工作業(yè)人員應(yīng)用專業(yè)工具進(jìn)行裁切處理，剪切時需要保證每一段長度都符合施工要求。

第二，在剪裁碳纖維材料時，需要明確材料的尺寸，同時及時將樹脂材料涂刷到粘貼區(qū)域，保證相應(yīng)的搭接位置尺寸達(dá)到施工要求。

第三，在粘貼之前，需要做好施工區(qū)域的清潔工作，不能存在灰塵、沙子等雜物。檢查過程中一旦發(fā)現(xiàn)材料不足要及時補充。粘貼7 天以后，待粘貼效果達(dá)到后方可進(jìn)行打磨處理。

第四，加強樹脂的主劑、固化劑的比例控制，在制作時通過稱重方式進(jìn)行控制。將稱重后的材料裝入容器內(nèi)，攪拌處理時間不少于2min。

第五，貼片工作開始前，應(yīng)用滾筒進(jìn)行表面均勻涂抹處理，涂抹材料的量應(yīng)結(jié)合實際情況確定，要確保面層表面的粗糙度符合要求。對結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的拱起、拐角等部位應(yīng)適當(dāng)增加涂抹量。當(dāng)工序完成以后要來回在粘貼位置刮四次，讓樹脂能夠滲透到纖維材料中。在粘貼結(jié)束的1.5h 后需要使用滾筒進(jìn)行表面樹脂材料的滾涂處理，在這一過程中要保證碳纖維材料在移動時不能使粘貼好的材料出現(xiàn)卷起的情況。如果碳纖維材料的鋪貼厚度超過2 層，應(yīng)在補后的3天后進(jìn)行鋪貼施工?，F(xiàn)場施工的質(zhì)量對橋梁加固施工效果存在直接的影響，所以技術(shù)人員應(yīng)落實技術(shù)管控措施，施工單位組建高水平的質(zhì)量管理工作團隊，并在加固結(jié)束后進(jìn)行現(xiàn)場的承載性能、安全性方面的檢測，只有如此才能保證碳纖維加固施工的效果。

2.5 后期養(yǎng)護(hù)

首先，碳纖維材料粘貼工作結(jié)束后，一般需要經(jīng)過5 天時間的養(yǎng)護(hù)。通過既定時間養(yǎng)護(hù)可以基本上達(dá)到初步固化的條件要求，同時遇到極端天氣時應(yīng)采用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋處理，從而減少雨水給材料造成影響。

其次，樹脂固化的環(huán)節(jié)。因為材料對溫度非常敏感，所以應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境溫度的變化情況，在養(yǎng)護(hù)的過程中選擇最佳的處理方法。

如果環(huán)境溫度在5C 以下，可以更換為其他的材料進(jìn)行施工，即應(yīng)用低溫固化樹脂材料。

在養(yǎng)護(hù)的過程中需要保證碳纖維材料的養(yǎng)護(hù)溫度滿足既定要求。一般來說，必須確保現(xiàn)場環(huán)境溫度在5C 以上，否則容易導(dǎo)致質(zhì)量問題的發(fā)生。

再次，養(yǎng)護(hù)施工中應(yīng)落實溫度檢測與控制工作。當(dāng)環(huán)境溫度不足10C 時養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)為2 周；若環(huán)境溫度為10～20C 養(yǎng)護(hù)時間為1～2 周；當(dāng)環(huán)境溫度在20C 以上時，養(yǎng)護(hù)1 周即可達(dá)到要求。

最后，碳纖維材料經(jīng)過全面性的固化處理后，應(yīng)做好現(xiàn)場的全面檢查，如果存在空鼓或者氣泡的問題需要使用刀片在小范圍進(jìn)行劃開，并制作黏結(jié)膠材料，通過注射器注射到規(guī)定部位上。通過材料的合理應(yīng)用將空氣或者氣泡位置填充，形成密實度條件。同時，應(yīng)保證黏結(jié)的面積不少于95%。

2.6 表面的修飾

橋梁工程進(jìn)行碳纖維加固處理后，對于已經(jīng)成型并且達(dá)到質(zhì)量要求的碳纖維材料應(yīng)保護(hù)涂裝的結(jié)構(gòu)，確保涂料的性能處于合理的范圍內(nèi)。工作人員需要秉承精細(xì)化管理的理念，落實表面的銹蝕處理工作，將裂縫病害問題技術(shù)修復(fù)處理，保證施工表面達(dá)到完整性、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

3 注意事項

其一，碳纖維涂裝作業(yè)之前，落實現(xiàn)場基層雜物的清理工作。在裂縫等病害問題全部處理后，應(yīng)進(jìn)行必要的干燥處理，一般來說為2h。同時，在施工環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格地對現(xiàn)場進(jìn)行安全管理控制，要求施工人員按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開展工序，減少違規(guī)操作。

其二，需要做好施工組織工作，對于施工材料、施工設(shè)備均需要明確，同時要加強加固效果分析，對于加固部位要采取格擋板進(jìn)行保護(hù)，避免人為因素造成的破壞。

其三，根據(jù)設(shè)計方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)展開驗收工作，黏結(jié)密實的面積應(yīng)超過95%。

其四，碳纖維加固施工中，針對搭接的距離按照既定的標(biāo)準(zhǔn)，可以分為豎向搭接100mm、環(huán)向搭接量為200mm，同時也可以結(jié)合現(xiàn)場的情況適當(dāng)增加。

其五，加強溫度的分析與控制。若現(xiàn)場環(huán)境溫度不足5C，應(yīng)及時采取措施進(jìn)行改進(jìn)處理。此外，碳纖維材料的制作、施工以及使用的各個階段應(yīng)遠(yuǎn)離火源，盡量不要受太陽直射。

4 結(jié)語

綜上分析，由于受到材料性能、技術(shù)工藝等因素制約，橋梁加固效果會出現(xiàn)一定的問題。同時，隨著流量的不斷增加，在各種荷載因素影響下危橋、舊橋的比例也在不斷的增大。在橋梁加固工程中，通過運用碳纖維材料，能有效提高橋梁承載能力，并有效保障橋梁使用周期，該技術(shù)值得廣泛推廣。