碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用研究
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論文導(dǎo)讀：2005-2008年，青島分公司組織對濟(jì)青高速青島段67片梁板進(jìn)行了粘貼碳纖維布加固工藝，從使用和試驗檢測結(jié)果看，效果良好。①構(gòu)件表面凹陷部位（蜂窩、麻面、小孔等）應(yīng)用找平樹脂填平，修復(fù)至表面平整。同時粘貼加固后，應(yīng)根據(jù)加固橋梁的具體情況，設(shè)置限高標(biāo)志，確保加固材料不受外界因素?fù)p壞。我國公路建設(shè)已逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)改建階段，大量橋梁構(gòu)造物需要加固補(bǔ)強(qiáng)，以適應(yīng)交通量增長的需要。
關(guān)鍵詞：碳纖維，橋梁，加固補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)用
1.工程概況
濟(jì)青高速公路自1993底建成通車，隨著重型車輛日趨增多，在重載車輛的反復(fù)作用下，梁板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全，需要修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，以適應(yīng)交通量增長的需要。2005-2008年，青島分公司組織對濟(jì)青高速青島段67片梁板進(jìn)行了粘貼碳纖維布加固工藝，從使用和試驗檢測結(jié)果看，效果良好。
2 .工藝原理
碳纖維布是用抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維絲單向排列，經(jīng)特殊工藝編制而成，使用時，碳纖維布是沿受力方向或垂直于裂縫方向用膠結(jié)材料將其粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)部位，膠結(jié)材料作為它們之間的剪力，增大了結(jié)構(gòu)抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、延性，及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展；必要時也可交叉粘貼單向碳纖維片材。整個工藝的關(guān)鍵在于碳纖維布粘貼和緊密性與牢固性，以保證與原結(jié)構(gòu)形成整體。其膠結(jié)材料是專用的配套環(huán)氧樹脂。
3.材料
3.1碳纖維布修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)所用材料，可以分為碳纖維布和與其相配套的專用環(huán)氧樹脂兩大類，配套樹脂分為底涂樹脂、找平樹脂和粘貼樹脂。配套樹脂分別由主劑和固化劑配制而成；分為適合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主劑和固化劑分別包裝，在現(xiàn)場作用時，應(yīng)按工藝要求、按照規(guī)定的比例混合均勻，以形成所需要的底涂樹脂、找平樹脂、粘結(jié)樹脂。
3.2碳纖維布具有如下特點
�。�1）高彈模，以提供有效的增強(qiáng)作用；
（2）高強(qiáng)度
�。�3）單根纖維間強(qiáng)度變化小；
�。�4）在制造與處理過程中強(qiáng)度穩(wěn)定并保持不變。
碳纖維布的規(guī)格及性能
| 品名 | 纖維種類 | 碳纖維面積重量（g/m2） | 設(shè)計厚度（mm） | 抗拉強(qiáng)度（N/mm2） | 彈性模量（N/mm2） | 延伸率（%） |
| 200型 | 高強(qiáng)度碳 | 200 | 0.111 | 3.500 | 2.35×105 | 1.5 |
| 300型 | 高強(qiáng)度碳 | 300 | 0.167 | 3.500 | 2.35×105 | 1.5 |
| 高強(qiáng)型 | 高彈性模量碳 | 300 | 0.165 | 2.900 | 3.95×105 | 0.74 |
3.3粘結(jié)材料的特點：
粘結(jié)材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同合作的關(guān)鍵，也是碳纖維與混凝土傳力途徑中的薄弱環(huán)節(jié)，它應(yīng)有足夠的剛度與強(qiáng)度，保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應(yīng)用足夠的韌性，不會因混凝土開裂導(dǎo)致脆性粘接破壞。此外應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場施工條件，即能在一般條件下固化，具有適宜的流動性與粘度，固化收縮率小。粘結(jié)材料主要包括三類：底膠、整平材料和浸漬樹脂，其性能如下：
3.3.1底膠
浸入混凝土表面，強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度從而使混凝土與碳纖維布之間的粘結(jié)性得到提高。
底涂樹脂的規(guī)格及性能
| 內(nèi) 容 | 底涂樹脂 | |||
| 350W | 350S | |||
| 適用溫度℃ | 5~15 | 15~35 | ||
| 可使用時間（分） | 20~145 | 45~205 | ||
| 指觸干燥時間（小時） | 3.0~9.0 | 25~10.5 | ||
| 性狀 | 淡黃色透明膠狀物 | |||
| 性能指標(biāo) | 與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度（Mpa） | 抗壓強(qiáng)度（Mpa） | 抗拉強(qiáng)度（Mpa） | |
| ≥2.5 | － | － | ||
| 主要用途 | 涂刷混凝土表面用（可滲入混凝土表面內(nèi)） | |||
3.3.2整平材料
碳纖維布很有可能因混凝土表面的銳利突起物、錯位和轉(zhuǎn)角等部位產(chǎn)生損傷或空鼓，從而引起強(qiáng)度降低。整平材料可補(bǔ)平由于混凝土表面劣化或表面處理造成的空洞或斜面，另一方面用于將90°轉(zhuǎn)角打磨后補(bǔ)成圓弧狀。
整平樹脂和規(guī)格及性能
| 內(nèi) 容 | 找平樹脂 | |||
| 550W | 550S | |||
| 適用溫度℃ | 5~15 | 15~35 | ||
| 可使用時間（分） | 30~160 | 50~210 | ||
| 指觸干燥時間（小時） | 3.5~10.0 | 3.0~10.0 | ||
| 性 狀 | 膩子狀 | |||
| 性能指標(biāo) | 與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度（Mpa） | 抗壓強(qiáng)度（Mpa） | 抗拉強(qiáng)度（Mpa） | |
| ≥2.5 | ≥50 | － | ||
| 主要用途 | 修補(bǔ)混凝土表面缺陷及找平用 | |||
3.3.3浸漬樹脂
將連續(xù)粘貼的碳纖維布結(jié)合在一起，使之呈板狀硬化，使纖維之間相互結(jié)合、均勻抵抗外力，發(fā)揮纖維整體強(qiáng)度。同時，將碳纖維布與混凝土粘結(jié)在一起，形成一個復(fù)合性整體，共同抵抗外力。
浸漬樹脂和規(guī)格及性能
| 內(nèi) 容 | 黏結(jié)樹脂 | ||||
| 750W | 750S | ||||
| 適用溫度℃ | 5~15 | 15~35 | |||
| 可使用時間（分） | 35~170 | 70~180 | |||
| 指觸干燥時間（小時） | 4.0~12.0 | 6.0~18.0 | |||
| 性 狀 | 乳脂狀 | ||||
| 性能指標(biāo) | 拉伸強(qiáng)度（Mpa） | ≥30 | 彎曲強(qiáng)度（Mpa） | ≥40 | |
| 壓縮強(qiáng)度（Mpa） | ≥70 | 抗剪強(qiáng)度（Mpa） | ≥10 | ||
| 粘結(jié)強(qiáng)度（Mpa） | ≥2.5 | 彈性模量（Mpa） | 2500 | ||
| 伸長率（%） | ≥1.5 | ||||
| 主要用途 | 滲透粘貼碳纖維片 | ||||
4.碳纖維片補(bǔ)強(qiáng)施工工序
底板表面處理 底層處理涂刷底涂樹脂找平樹脂找平修補(bǔ)涂刷粘結(jié)樹脂 粘貼碳纖維片 養(yǎng)護(hù) 防護(hù)涂裝
4.1施工中
4.1.1混凝土底層處理
�、賹⒌装寤炷翗�(gòu)件表面殘缺、破損部分剔鑿、底膜清除干凈并達(dá)到結(jié)構(gòu)密實部位。
�、跈z查外露鋼筋是否銹蝕，如有銹蝕，需進(jìn)行必要的除銹處理。
�、蹖�(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，用高于原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原，達(dá)到表面平整。
�、芰芽p修補(bǔ)�？p寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂膠泥進(jìn)行表面涂抹密閉；大于或等于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫。
�、輰⒔Y(jié)構(gòu)表面凸出部分（混凝土構(gòu)件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修整后的段差要平順。
�、蘩饨堑牟课�，用磨光機(jī)磨成圓角。圓角半徑最小不得小于20mm。
�、咔逑创蚰ミ^的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。
�、嗍┕で皯�(yīng)按設(shè)計圖紙在需加固部位放線、定位。
4.1.2涂底涂樹脂
�、俚淄繕渲闹鲃┖凸袒瘎┌匆�(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放入容器內(nèi)，用攪拌器拌合均勻。一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時間內(nèi)完成為準(zhǔn)。超過可使用時間不得再用。
②底涂樹脂中嚴(yán)禁添加溶劑。論文參考網(wǎng)。含有溶劑的毛刷或用溶劑濕潤的滾筒不得使用。
�、塾脻L筒刷均勻地涂抹底涂樹脂。
�、艿淄繕渲稍飼r間因氣溫不同。一般在3小時到1天之間變化。
�、�、底涂樹脂固化后，在構(gòu)件表面有凝結(jié)凸起時，要用砂紙磨光。磨光后若露出混凝土其面，應(yīng)再補(bǔ)涂底涂樹脂。
�、薷鶕�(jù)施工部位的溫度、濕度，選擇適當(dāng)?shù)牡淄繕渲�。在氣�?℃以下，相對濕度RH＞85%，混凝土表面含水率在8%以上，有結(jié)露現(xiàn)象而無有效保護(hù)措施時，不得施工。
4.1.3構(gòu)件表面的殘缺修補(bǔ)
①構(gòu)件表面凹陷部位（蜂窩、麻面、小孔等）應(yīng)用找平樹脂填平，修復(fù)至表面平整。
②內(nèi)角、段差、起拱等要用找平樹脂填補(bǔ)，使之平順。在殘缺修補(bǔ)中使用找平樹脂時，要在氣溫5℃以上，相對濕度RH＜85%的條件下施工。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應(yīng)再用砂紙打磨平整。
4.1.4粘貼碳纖維片
�、俅_認(rèn)粘貼表面干燥，氣溫在5℃以下，相對濕度RH＞85%時，如無有效措施時不得施工。
②防止碳纖維片受損，碳纖維片在運(yùn)輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁彎折。論文參考網(wǎng)。因此，貼片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸裁切碳纖維片，每段長度一般以不超過6米為宜。要使用更長的片材時，除精心防止彎折外。滲浸過程必須加倍謹(jǐn)慎操作。為防止碳纖維片在保管過程中損壞，碳纖維片的裁切數(shù)量應(yīng)以當(dāng)天的用量為準(zhǔn)。
�、厶祭w維片裁切時應(yīng)預(yù)先在裁切位置粘貼寬膠帶，在寬膠帶正中位置進(jìn)行裁切，以使裁切后碳纖維片的斷頭齊整不脫絲。
④、碳纖維片縱向接頭必須搭接10cm以上。該部位應(yīng)多涂粘結(jié)樹脂。碳纖維片橫向不需要搭接。
⑤粘結(jié)樹脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時間內(nèi)用完為準(zhǔn)。
�、尴峦俊ＹN片前用滾筒刷均勻地涂抹粘結(jié)樹脂，稱為下涂。涂量根據(jù)施工部位及施工面的粗糙程度而變化的。拱起部分、拐角部分、碳纖維片搭接部位以及殘缺修補(bǔ)處要多涂一些，但是必須涂抹均勻。
�、哔N片時，在碳纖維片和樹脂之間不應(yīng)殘留空氣形成氣泡，造成空鼓。為此，可用羅拉（專用工具）沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，對角隅處應(yīng)向著角隅滾壓，對拱起的部位要向相反的方向滾壓，以去除氣泡，使粘結(jié)樹脂均勻地充分滲浸入碳纖維片的碳纖維束中。
�、嗌贤俊Ｌ祭w維片施工30分鐘（根據(jù)干燥程度）后，用滾筒刷均勻涂抹粘結(jié)樹脂，稱為上涂。
上涂時和步驟⑦樣，用脫泡羅拉沿碳纖維方向用力滾壓多次，使碳纖維片內(nèi)部補(bǔ)充，滲浸粘結(jié)樹脂。
�、徇M(jìn)行空鼓檢查，并進(jìn)行處理。
�、庑枵迟N2層以上碳纖維片時，必須在首層修補(bǔ)完空鼓后進(jìn)行，重復(fù)第⑥-⑨步驟，并遵守步驟④的規(guī)定。
�、先缣祭w維片施工不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則需進(jìn)行相應(yīng)處理。
4.1.5養(yǎng)護(hù)
�、僬迟N碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24小時達(dá)到初期固化，并應(yīng)保證固化期間不受干擾。
�、谠诿康拦ば蛞院髽渲袒�，宜用塑料薄膜等遮擋以防止風(fēng)沙或雨水侵襲。
�、郛�(dāng)樹脂固化期間存在氣溫降低到5℃以下的可能時，可采用冬用低溫固化樹脂，或采取有效的加溫措施。
�、芴祭w維片粘貼后達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度所需自然養(yǎng)護(hù)的時間；
平均氣溫在10℃以下時，需要2周；
平均氣溫在10℃以上20℃以下時，需要1~2周；
平均氣溫高于20℃時，需要1周。
在此期間應(yīng)防止貼片部分受到硬性沖擊。論文參考網(wǎng)。
4.1.6涂裝
按設(shè)計要求或采用與梁板砼顏色相同的涂料對碳纖維布進(jìn)行外涂裝，以示美觀。
5.建議
粘貼碳纖維加固法方法施工技術(shù)簡單、加固效果理想，但是必須選擇合適的時機(jī)和與其他加固方法相配合進(jìn)行。對于板體底部出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)在判明裂縫出現(xiàn)的原因后，選擇合適的加固方法，應(yīng)盡量在病害出現(xiàn)的初期，且病害比較單一，沒有其他的（例如板底泛堿、堿蝕、鉸縫滲水等）病害；對于板底出現(xiàn)多種病害，并且以裂縫為主的情況下，建議采用在解決橋面鋪裝防水，保證良好的防水、排水效果的情況下，再采取粘貼加固的工藝，避免堿蝕影響粘貼加固的效果。同時粘貼加固后，應(yīng)根據(jù)加固橋梁的具體情況，設(shè)置限高標(biāo)志，確保加固材料不受外界因素?fù)p壞。
6.效益分析
加固前后單板測試結(jié)果及加固后整橋動、靜載試驗結(jié)果顯示，加固效果良好，實踐顯示：碳纖維加固帶來的直接效益就是工期短、見效快、不影響正常交通，人力資源需要少。與傳統(tǒng)的更換梁板相比較，碳纖維布費(fèi)用相對較高，但兩者適用范圍有所不同：在工期緊、不宜中斷交通、裂縫破壞不嚴(yán)重的橋板加固中適合采用碳纖維布加固法，而板體破壞嚴(yán)重的建議更換梁板，此方法相對來講工期長，施工期間必須中斷交通，給過往車輛和行人帶來不便，且需要較多的人力和物力。
7.結(jié)束語
我國公路建設(shè)已逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)改建階段，大量橋梁構(gòu)造物需要加固補(bǔ)強(qiáng)，以適應(yīng)交通量增長的需要。碳纖維有著優(yōu)異的力學(xué)品質(zhì)，是理想的橋梁加固材料，可喜的是，國產(chǎn)碳纖維品質(zhì)已接近日本、美國等發(fā)達(dá)國家的品質(zhì)，價格也在迅速下降�？梢詳嘌裕诮窈蟮臉蛄杭庸讨刑祭w維必將發(fā)揮巨大的作用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張勁泉，王文濤.橋梁檢測與加固手冊 北京：人民交通出版社，2007
