市政建筑工程中碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的應(yīng)用

錢桂敏

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，四川 成都 610000）

1 碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)應(yīng)用發(fā)展分析

近些年來(lái)，隨著城市建設(shè)步伐的持續(xù)加快，新興技術(shù)以及材料工藝逐漸朝向多元化方向發(fā)展。為助力市政建筑工程質(zhì)量創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，管理人員主動(dòng)引入應(yīng)用新工藝以及新材料，健全完善施工建設(shè)體系以及技術(shù)應(yīng)用機(jī)制。其中，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)作為新時(shí)期市政建筑工程項(xiàng)目經(jīng)常應(yīng)用的技術(shù)手段，主要通過(guò)利用纖維增強(qiáng)塑料等新材料所具備的獨(dú)特性能，可以鞏固增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性能。結(jié)合應(yīng)用發(fā)展情況來(lái)看，碳纖維結(jié)構(gòu)可根據(jù)所使用原材料的不同細(xì)化分為多種結(jié)構(gòu)形式，比較常見(jiàn)的有碳纖維布、碳纖維預(yù)應(yīng)力筋、碳纖維板等。

與普通材料不同，碳纖維材料所表現(xiàn)出的軸向抗拉強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕、抗腐蝕以及耐久性能相對(duì)優(yōu)越。在施工使用過(guò)程中，一般不需要施加防護(hù)措施，就可以達(dá)到良好的加固效果。最重要的是，與普通鋼材彈性模量相比，碳纖維材料彈性模量要明顯高于普通鋼材彈性模量，高出2～3倍。在具體使用過(guò)程中，碳纖維材料主要通過(guò)利用樹脂類膠結(jié)材料實(shí)現(xiàn)碳纖維材料與混凝土構(gòu)件表面的粘結(jié)應(yīng)用，達(dá)到良好的補(bǔ)強(qiáng)加固效果。結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用發(fā)展情況來(lái)看，隨著行業(yè)規(guī)范以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷健全完善，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)已經(jīng)初步形成標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)程，可以輔助與指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2 碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)使用原理及適用范圍分析

2.1 使用原理

對(duì)于加固施工而言，比較常用的碳纖維材料主要以碳纖維布以及碳纖維板為主。其中，碳纖維通常需要經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹脂浸泡形成全新的復(fù)合材料，達(dá)到良好的建筑結(jié)構(gòu)加固效果。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，在使用碳纖維材料的過(guò)程中，除了需要提前用環(huán)氧樹脂浸泡處理之外，還需要經(jīng)過(guò)樹脂材料粘合處理。在粘合操作過(guò)程中，碳纖維材料需要順著受力方向進(jìn)行粘合處理，確保受力相對(duì)較弱位置的承載力得以全面加強(qiáng)?？陀^來(lái)講，在施工處理過(guò)程中，技術(shù)人員必須明確樹脂材料的重要性，并按照規(guī)范要求進(jìn)行精準(zhǔn)操作。結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，樹脂的使用方式相對(duì)固定，但是需要注意選擇應(yīng)用問(wèn)題。

一方面，應(yīng)該著重考慮材料原本特性。樹脂粘合材料通常以混合材料形式存在，因此在配比設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將各部分材料均勻混合。另一方面，著重考慮材料的固化程度。通常情況下，樹脂材料可在室溫下完成固化過(guò)程。在具體使用過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該考慮樹脂材料與混凝土或者水泥表面是否存在粘結(jié)不合理以及其他使用不當(dāng)問(wèn)題。通過(guò)嚴(yán)格規(guī)范個(gè)人的技術(shù)操作行為，保障樹脂材料與混凝土或者水泥表面的粘結(jié)時(shí)間以及固化時(shí)間滿足預(yù)期定標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，著重考慮樹脂材料的物理特性。在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該對(duì)周邊環(huán)境情況以及被粘合材料的理化性質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)研究與分析，保障樹脂材料物理特性不受影響。

2.2 適用范圍

碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)通?？捎糜诠こ添?xiàng)目各個(gè)部位當(dāng)中，結(jié)合各部位承載能力以及穩(wěn)定性能，針對(duì)性對(duì)其進(jìn)行維修加固處理。在具體操作過(guò)程中，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)可應(yīng)用于建筑物兩個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的相互結(jié)合位置，通過(guò)加固處理，保障結(jié)合處位置的安全穩(wěn)定性。舉例而言，可應(yīng)用于橋梁以及橋墩的結(jié)合位置處。與此同時(shí)，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)重要位置，通過(guò)不斷加固混凝土結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性能，減少混凝土結(jié)構(gòu)裂縫等質(zhì)量通病問(wèn)題出現(xiàn)。

如可應(yīng)用于混凝土梁、混凝土柱以及混凝土板等重要結(jié)構(gòu)位置當(dāng)中。除此之外，還可以應(yīng)用于某些磚砌體結(jié)構(gòu)位置，通過(guò)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求對(duì)該部位進(jìn)行精準(zhǔn)加固處理，保障主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能以及質(zhì)量性能得以雙重提升。一般來(lái)說(shuō)，碳纖維材料在加固維修應(yīng)用過(guò)程中一般都可以發(fā)揮抗彎加固作用，保障建筑結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性能得以全面加強(qiáng)?；蛘咭部梢詰?yīng)用于建筑工程抗剪加固施工當(dāng)中，如可以通過(guò)利用碳纖維材料約束混凝土，盡量降低混凝土在減力作用下發(fā)生裂縫問(wèn)題的可能性。

3 市政建筑工程中碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例及要點(diǎn)分析

某市政大橋于2003年建成運(yùn)營(yíng)，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行使用，該大橋所面臨的交通荷載作用力逐漸加大。再加上受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以及施工等局限影響，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行使用該橋梁現(xiàn)有的通行能力明顯減退，甚至無(wú)法滿足正常通車需求。針對(duì)于此，需要對(duì)現(xiàn)有橋梁進(jìn)行改建處理，尤其要重點(diǎn)針對(duì)部分主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固，以切實(shí)提高橋梁通車能力?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性能，相關(guān)人員主動(dòng)將碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)引入到現(xiàn)場(chǎng)施工當(dāng)中。通過(guò)利用碳纖維材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)以及性能特征，全面鞏固加強(qiáng)橋梁主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能與安全性能。

3.1 加固方案優(yōu)化

結(jié)合市梁工程項(xiàng)目加寬施工要求以及相關(guān)數(shù)據(jù)資料，技術(shù)人員需要按照相關(guān)計(jì)算原則完成對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)以及新增荷載變化等數(shù)據(jù)的精確計(jì)算。結(jié)合驗(yàn)算結(jié)果可以判定原橋梁基礎(chǔ)以及橋墩結(jié)構(gòu)大體上可以滿足橋梁加寬后的荷載變化要求，整體所表現(xiàn)出的可行性價(jià)值較強(qiáng)。然而，部分重要結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的承載力富余量不足問(wèn)題比較明顯，像橋面板梁、T梁等，不符合原橋加寬后對(duì)新荷載的實(shí)際要求。因此技術(shù)人員需要對(duì)部分主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。經(jīng)過(guò)多方技術(shù)對(duì)比以及經(jīng)濟(jì)分析之后，技術(shù)人員采用粘貼碳纖維布加固方式進(jìn)行施工處理。

在具體操作過(guò)程中，施工人員可針對(duì)板梁以及梯梁跨中位置進(jìn)行重點(diǎn)處理，可以沿著梁底縱向方向粘貼碳纖維布。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，可粘貼40 cm寬度的碳纖維布進(jìn)行施工使用。與此同時(shí)，施工人員需要在制作兩端位置粘貼25 cm寬度的L型碳纖維箍。除此之外，施工人員應(yīng)按照施工方案要求在蓋梁兩側(cè)粘貼碳纖維U型箍。完成上述施工操作之后，施工人員需要重點(diǎn)針對(duì)蓋梁頂部位置進(jìn)行操作處理，如用帶狀碳纖維布?jí)簵l進(jìn)行處理。另外，碳纖維箍尺寸以及粘貼層數(shù)需要根據(jù)加固梁體結(jié)構(gòu)鋼筋截面積實(shí)際情況以及缺失程度進(jìn)行判斷分析。

3.2 加固施工要點(diǎn)分析

3.2.1 施工準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段，施工單位應(yīng)該聯(lián)合其他參建單位針對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)內(nèi)容開(kāi)展前期優(yōu)化準(zhǔn)備工作。一方面，專項(xiàng)技術(shù)人員需要結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范以及要求對(duì)結(jié)構(gòu)承載量進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果，完成對(duì)結(jié)構(gòu)承重能力的全面分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)施工方案設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及技術(shù)需求進(jìn)行合理明確。

另一方面，施工單位應(yīng)該加強(qiáng)進(jìn)場(chǎng)交底。期間，施工單位應(yīng)該安排主要技術(shù)人員與設(shè)計(jì)方進(jìn)行有效交接，可針對(duì)施工方案內(nèi)容以及技術(shù)工藝內(nèi)容進(jìn)行探討交流，保障施工方案可行性以及技術(shù)應(yīng)用合理性。除此之外，施工單位還應(yīng)該注意施工設(shè)備以及材料質(zhì)量檢測(cè)與保管問(wèn)題，避免入場(chǎng)使用的物料存在質(zhì)量不合格問(wèn)題。

3.2.2 結(jié)構(gòu)表面打磨與裂縫填充

結(jié)構(gòu)表面打磨與裂縫填充基本上可以視為碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工技術(shù)的重點(diǎn)內(nèi)容。結(jié)合大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，待加固混凝土結(jié)構(gòu)表面打磨平整度以及光滑度表現(xiàn)會(huì)對(duì)碳纖維加固施工質(zhì)量效果產(chǎn)生決定性影響。針對(duì)于此，在施工處理過(guò)程中，施工人員應(yīng)該按照設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)加固混凝土結(jié)構(gòu)表面基線位置進(jìn)行合理確定，借助角磨機(jī)等設(shè)備對(duì)表面存在的凸起問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性處理。

對(duì)于拐角難以到達(dá)的區(qū)域，建議施工人員可以采取人工操作方式，如砂紙打磨及時(shí)清除雜物，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面的平整性。此外，由于本工程項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間較早且通行時(shí)間長(zhǎng)，其混凝土結(jié)構(gòu)容易受到氣候條件以及車輛荷載等因素影響而出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。在具體處理過(guò)程中，施工人員可利用膩?zhàn)?、環(huán)氧樹脂膠等材料完成填充修補(bǔ)操作。必要時(shí)，可按照配合比要求適當(dāng)摻入固化劑，以加快材料凝固速度，達(dá)到良好的填充修補(bǔ)效果。

3.2.3 涂刷底膠操作

涂刷底膠施工操作需要嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境溫度，以本工程項(xiàng)目為例，底膠涂刷操作需要在零下5℃以上的施工環(huán)境下進(jìn)行。關(guān)于涂刷方式的選擇需要結(jié)合底膠材料性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行合理選擇與應(yīng)用施工。其中，如果施工人員采用bayashi-Mitsubishi涂刷方式進(jìn)行施工處理，那么就需要在混凝土構(gòu)件表面采取涂刷底漆、樹脂漆材料等方式進(jìn)行施工處理；如果施工人員采用Mbrace涂刷方式，那么就需要提前對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表層進(jìn)行底漆涂刷處理，涂刷結(jié)束之后需要利用浸漬劑進(jìn)行預(yù)制處理，預(yù)制完成之后可粘貼碳纖維材料；如果采用SIKA涂刷方式，施工人員需要將粘結(jié)劑均勻涂刷到施工表面位置，利用環(huán)氧樹脂等施工材料對(duì)碳纖維材料進(jìn)行預(yù)制處理。等待一段時(shí)間之后，固定處理。本工程項(xiàng)目通過(guò)采用第三種涂刷方式，可達(dá)到良好的加固維修效果。

3.2.4 碳纖維布粘貼施工

碳纖維布粘貼施工需要加強(qiáng)對(duì)材料切割長(zhǎng)度的控制管理。以本工程項(xiàng)目為例，切割長(zhǎng)度可控制在3.0 m左右，避免過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響。與此同時(shí)，粘貼施工期間應(yīng)該預(yù)留出通風(fēng)空間，保持良好的通風(fēng)效果，加速粘貼膠水固結(jié)。除此之外，碳纖維布搭設(shè)寬度需要控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，如本工程需要控制在20 cm左右。

完成上述施工操作之后，施工人員應(yīng)該觀察所粘結(jié)的碳纖維部?jī)?nèi)是否存在氣泡問(wèn)題，一旦存在氣泡問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)排除，并利用膠帶纏繞固定。本工程項(xiàng)目在完成碳纖維加固施工操作之后可對(duì)防火層進(jìn)行涂裝處理。涂裝過(guò)程中，施工人員必須明確涂刷防火層操作需要在碳纖維布完全固化之前完成。這樣做的主要目的在于增強(qiáng)防火涂層與粘結(jié)膠水之間的粘結(jié)力度，保障材料耐久性能以及延展性能全面提升。

3.3 加固效果評(píng)價(jià)

客觀來(lái)講，市政橋梁工程混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固施工所表現(xiàn)出的工藝要求相對(duì)較高，如果加固材料或者施工工藝不符合設(shè)計(jì)要求，那么均無(wú)法達(dá)到預(yù)期的加固施工效果，需要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。以碳纖維加固材料室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目為例，在試驗(yàn)分析過(guò)程中，試驗(yàn)人員應(yīng)該重點(diǎn)圍繞碳纖維加固材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量以及伸長(zhǎng)率等指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析。在施工工藝現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面，檢測(cè)人員需要在碳纖維布加固施工結(jié)束之后，利用多功能強(qiáng)度檢測(cè)儀對(duì)主體結(jié)構(gòu)加固施工效果進(jìn)行測(cè)試分析。根據(jù)分析反饋結(jié)果判斷當(dāng)前加固效果是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)試驗(yàn)分析來(lái)看，經(jīng)多組測(cè)試驗(yàn)測(cè)到的粘接強(qiáng)度均值為2.98 MPa，基本上可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 市政建筑工程中碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工質(zhì)量管理措施分析

健全完善施工質(zhì)量保證措施是促進(jìn)碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工管理工作順利開(kāi)展的重要基礎(chǔ)。各參建單位需要深入掌握市政建筑工程施工需求以及建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工方式是否適用可行進(jìn)行判斷分析。經(jīng)確認(rèn)可行之后，需要對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工質(zhì)量保證措施進(jìn)行健全完善。一方面，技術(shù)負(fù)責(zé)人員應(yīng)該加強(qiáng)與工長(zhǎng)、內(nèi)業(yè)等主體人員的溝通交流力度，讓全體參建人員可以熟悉掌握施工工藝以及操作規(guī)程。同時(shí)，各參建單位應(yīng)該對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工方案以及重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研討分析。經(jīng)過(guò)一系列討論分析之后，對(duì)最終施工方案進(jìn)行敲定落實(shí)。

另一方面，現(xiàn)場(chǎng)施工階段施工單位應(yīng)該率先發(fā)揮出質(zhì)量監(jiān)督管控責(zé)任，尤其要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)隱蔽施工問(wèn)題的妥善處理，隱蔽施工工序經(jīng)確認(rèn)合格之后才可以開(kāi)展下一道工序操作。此外，施工管理人員應(yīng)該堅(jiān)持貫徹落實(shí)品質(zhì)提升目標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工材料質(zhì)量問(wèn)題的嚴(yán)格管控。如現(xiàn)場(chǎng)所使用的碳纖維材料必須經(jīng)過(guò)一系列質(zhì)檢且合格之后才可以入場(chǎng)使用。此外，施工單位應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)機(jī)電設(shè)備安裝應(yīng)用以及調(diào)試管理問(wèn)題的妥善處理。必須嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)操作規(guī)程要求進(jìn)行合理安裝施工與調(diào)試管理，以免引發(fā)設(shè)備應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

總而言之，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)已經(jīng)成為市政建筑工程施工加固體系不可或缺的技術(shù)手段。鑒于碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的重要性，相關(guān)人員應(yīng)該主動(dòng)結(jié)合碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)原理以及適用范圍，對(duì)施工方案內(nèi)容進(jìn)行健全完善，保障纖維結(jié)構(gòu)加固效果。此外，現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)該按照設(shè)計(jì)圖紙規(guī)范，正確處理施工問(wèn)題，以鞏固增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)加固維修效果。