碳纤维材料在桥梁加固中的应用探讨

1.碳纤维加固技术在桥梁加固中的地位

碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术是近年来在发达国家兴起的应用于加固的新技术，这种技术是将高性能高弹性模量的碳纤维应用于土木工程，从而达到对混凝土构件修复、补强和加固的目的。随着行车密度和车辆荷载的增加，许多在役桥梁出现了不同程度的损坏，影响了桥梁的安全，而桥梁的建造费用十分昂贵，将这些桥梁拆除重建是不现实的，因此有必要选用一种适合于桥梁的修复加固技术。

2.碳纤维加固机理和特点

2.1碳纤维加固机理

碳纤维布沿纤维方向具有很高的强度，它是一种正交异性材料。在单向加固情况下，通常沿加固混凝土梁体的纵向来布置碳纤维布的主拉应力方向，与主钢筋的受力方向一致，碳纤维布粘贴在梁体受拉区，作用与受力钢筋一样，碳纤维和被加固的混凝土构件通过粘结层传递剪应力和粘结正应力。碳纤维片材的纤维方向与受力方向相同时，其强度最高；纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。用环氧树脂将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，待环氧树脂固化后，构件和树脂固化后的碳纤维形成新的受力复合体。当有外力时，碳纤维片材和钢筋一起承受，由于碳纤维片材分担了一部分应力，从而大大降低了主钢筋的应力。由于碳纤维具有高抗拉强度、高弹性模量和与钢筋接近的伸长率，使得钢筋和碳纤维能够更好的协同工作。

2.2碳纤维加固的优点

2.2.1化学及物理性能稳定

碳纤维具有良好的防水能力，同时也具有很好的抗酸、碱及紫外线的能力，因此碳纤维适合在恶劣的环境中工作，在桥梁加固中，可有效延长桥梁结构的使用寿命。

2.2.2力学性能优越

碳纤维片材主要用于混凝土桥梁构件和节点的加固补强，能够明显提高构件的抗弯、抗剪和轴向承压能力。而且碳纤维还具有抗震、抗风、抗疲劳的性能，在挠度和裂缝控制方面，它也能起到一定的作用。因此它被广泛地应用于桥梁和房屋的加固工程中。

2.2.3施工工序简单

碳纤维片材可适应不同的构件形状，成型方便，从而降低了施工难度，缩短了施工工期。碳纤维片材加固工艺简单，无需大型设备、模板及支撑，所需工作面很小，不受施工空间的限制，在桥梁内部工作空间受到限制的情况下，此方法是最佳的选择。

2.2.4 节省材料，减轻重量

碳纤维片材的拉伸强度为2400～3000MPa，与普通碳素钢板的拉伸强度240MPa相比，其拉伸强度较高。碳纤维片材的单位比重也比钢材低很多，从而减小了构件的重量和体积，节省了材料。用所需的色料涂装构件外形很方便，而且不会留下任何涂抹痕迹。这些优点是其它加固补强方法无法比拟的。

3.碳纤维在桥梁加固中的施工工艺

3.1基底混凝土处理

3.1.1裂缝处理

将碳纤维片材沿裂缝的垂直方向粘贴。宽度小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹封闭；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；大于1mm的裂缝，需要先对主梁进行灌胶处理。

3.1.2面层处理

混凝土表面的劣化层（如浮浆、风化层、杂物、剥落块等）要用砂轮机或喷嘴机进行打磨和清除，粉末和灰尘也要进行及时的清理；凸出部分要磨平；转角部分要进行倒角处理。若构件钢筋外露，要进行防腐蚀处理，再用强度相当的环氧树脂进行修补，以确保表面平整。

3.2 涂底层涂料

为了使碳纤维片材更好的与构件粘贴，需在构件表面涂刷一层底胶。首先确定一次性使用的涂料用量，将涂料的主剂和固化剂按规定比例称量后混合于同一搅拌器内，进行充分的搅拌，每次的拌合量要在规定的时间内用完。若放置时间太久，应禁止使用。用刷子将涂料均匀地涂到构件表面，并使其完全渗入到混凝土中。如果施工环境的温度较低，不应涂抹太厚，底胶硬化后，凸起的部分要进行调平打磨。等到指触干燥后，方可进入下一道工序。

3.3 进一步修补粘贴面

桥梁构件表面通常会存在一些空洞缺陷，而且凸出部分单独用滚轮机械磨平并不能达到很好的效果，在粘贴碳纤维片材的时候，会出现气泡和褶皱，降低了粘贴效果。所以在底层涂料干燥后，在打磨好的基础上用粘结腻子再修复一下构件表面。在上一层干燥后，方可进行下一层的涂抹。

3.4 碳纤维片材的粘贴

待修复的构件表面干燥后，就可以进行碳纤维片材的粘贴。按照实际所需的片材大小，用剪刀、刀子依所设计的尺寸裁剪，为了减少保管期间的损耗，应按照实际使用的数量进行裁剪。

将环氧树脂的主剂和硬化剂按比例混合于搅拌容器中，充分搅拌一定时间。一次的搅拌量为实际工程所需要的数量，超过可使用时间的材料，不可继续使用。

用辊子、塑料刮刀和刷子将配置好的环氧树脂涂抹于混凝土构件的表面上，将构件表面和碳纤维布的粘贴面紧密结合在一起，用滚筒沿同一方向滚压以除去碳纤维布下的气泡，以保证碳纤维布与构件的粘贴质量。为保护碳纤维材料不受损坏，可在加固构件的表面再加一层防护层。

4.碳纤维在桥梁工程中的发展前景

由于碳纤维具有稳定的物理化学特性，加之优越的力学性能，国际上从80年代后期就将其作为钢筋、预应力钢材的替代材料加以研究，并陆续将其作为PC桥梁建设中的张拉材料和既有桥梁的加固材料。在桥梁混凝土构件中，碳纤维可以与钢筋共同工作或者碳纤维可以代替钢筋单独在构件中起作用。目前很多桥梁和房屋构件已经使用了碳纤维，从而减小了构件的体积和重量，减小了地震破坏系数，缩短了施工工期，节约材料，安全可靠。在未来的桥梁建设中，碳纤维可用于大跨度的桥梁构件中，并能解决许多以往无法克服的困难，比如构件的高强度和重量之间的关系，解决桥梁未达到设计年限就损坏的问题，延长桥梁的使用寿命，克服桥梁构件在一些特殊环境中不耐腐蚀等现象。总之，碳纤维材料将在今后的桥梁加固、甚至在桥梁建设中占有一席之地。

5.结语

碳纤维由于其特有的性质、施工工序和加固后的良好效果而被广泛使用。面对越来越成熟的使用环境，碳纤维的价格也在逐渐下降。因此在桥梁加固中，碳纤维逐渐受到人们的关注。相信在不久的将来，碳纤维会在桥梁加固和建设中发挥出更大的作用。

参考文献：

[1]王永刚. 碳纤维加固桥梁新技术[J].桥梁隧道，2010

[2]杨欣. 碳纤维加固技术在桥梁加固中的应用[J].公路交通科技，2010

[3]王海英. 碳纤维的发展前景与市场分析[J].高科技纤维与应用，2007