关于碳纤维在桥梁加固中应用的探析

【摘要】碳纤维加固修补技术是我国当前继加大混凝土截面、粘钢之后的又一项新型的结构加固技术。碳纤维作为划时代的补强材料，与传统的补强材料相比，具有许多不可替代的优势和特点。本文从碳纤维材料的特性出发，论述分析其在桥梁加固技术中的应用与发展。

【关键词】碳纤维；桥梁；加固；应用；探析

为了保证交通畅通，就需要对桥梁进行维修、加固和改造。目前常用的加固方法有加大截面法、粘钢加固法、外包钢加固法、碳纤维加固法等。其中碳纤维加固法一项新型的结构加固技术，它将碳纤维材料通过树脂类胶结材料粘贴在混凝土结构的表面，与之形成整体的受力体系，从而改善结构受力性能，达到补强加固结构的目的。

1. 进行碳纤维材料加固技术研究的必要性

1.1国家科技战略发展的需要。

关于碳纤维材料在混凝土结构加固修补技术，上世纪80年代初，美、日等发达国家就着手进行这方面的试验和研究，已经相当成熟。目前世界上碳纤维生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽、东邦以及三菱人造丝公司）依靠其先进的纺丝技术，形成了高性能原丝生产的优势，占据了世界75%以上的产量。上世纪90年代末 ，我国开始碳纤维加固技术的研究，并在桥梁工程结构加固中开始普及应用。但与国际先进水平相比，还存在一定的差距，总体发展水平落后近20～30年，目前我国95%的碳纤维要依靠进口。

科技实力是综合国力的主要支柱之一，占领科技发展的制高点，才能掌握主动权。我国非常重视碳纤维产业的发展，国家“863计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持；“十一o五”发展规划中把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内获得突破的高新技术纤维品种，又启动了相关“973计划”，为我国碳纤维的发展创造了得天独厚条件。

1.2建设节约型社会的需要。

在《公路旧桥检测评定与加固技术研究及推广应用》项目鉴定验收会上，交通部领导与参评专家对这项研究给予高度评价，他们认为该项研究成果为我国路网优化改造和危桥改造计划的顺利实施，提供了强有力的技术支持，体现了建设节约型行业的科学发展观，促进了我们建设低碳节约型社会。

1.3科学技术发展的需要。

桥梁的修复工程各具特点，为科学研究提供了大量科学的数据。经过多年的系统研究，我国已经基本建立了在役桥梁检测与维修加固的一系列标准规范，形成了较完备的实用技术体系。工程材料的进步和新材料的出现历来是土木工程发展的先驱和动力，碳纤维材料的出现和成功的用于土木工程的加固与补强上，使土木工程加固技术研究更上一个台阶。

2. 碳纤维材料的特性

碳纤维材料，是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟、用量最大的一种高科技材料。作为划时代的补强材料，与传统的补强材料相比，具有许多不可替代的优势和特点。碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF），是由有机母体纤维（例如聚丙烯腈、粘胶丝或沥青），在1000～3000℃高温的惰性气体环境下（除碳以外的所有元素都被去除），采用高温分解法制成的含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料固有的本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代高强度纤维材料。由于具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，被称为新材料之王，在国际上被誉为“黑色黄金”、“第三代材料”。 它的比重不到钢材的1/4，而抗拉强度是钢材的7~9倍，抗拉弹性模量也高于钢材，而且具有很强的耐酸碱行和耐蚀性。

近些年来，碳纤维材料在土木工程领域中的应用，一直是国内外研究的热点。国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展的时期，生产技术和生产效率明显提高，产品成本稳中有降。随着碳纤维材料加固混凝土结构的新技术的蓬勃发展，其在建筑行业得到广泛的应用。

3. 碳纤维加固的定义、原理、特点和适用范围

3.1碳纤维加固的定义。

碳纤维加固是指用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘将碳纤维材料贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力。

3.2碳纤维加固的原理。

用于建筑结构加固的碳纤维材料具有良好的力学性能。碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝具有相同的方向性，能共同工作，这是加固补强的必要条件和关键所在。而将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸后，就成为复合增强材料（单向连续纤维），大大提高碳纤维布的抗拉强度；而后用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的构件上，形成一个新的复合体，使粘贴材料与原有钢筋混凝土协同工作，改善了加固构件的受力性能，增强了构件的抗裂抗剪能力，到达了补强加固的目的。因此，粘结剂对碳纤维布的加固起着至关重要的作用。

3.3碳纤维加固的特点。

粘贴碳纤维布复合材料加固桥梁，与粘贴钢板加固相比，具有如下优点：

（1）施工方便快捷，不需要使用大型加固机具，效率高，施工速度快。

（2）可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，延缓或消除裂缝的出现和扩展，延长结构的使用寿命。

（3）不用打孔，不会对原结构造成新的损伤。

（4）加固后不改变原有断面的大小和形状，外表轻巧美观。

（5）经济耐用，加固效果好，不需要后期进行维修。

（6）由于碳纤维材料本身抗疲性能优异，用碳纤维布加固的混凝土结构的抗疲劳性能将会提高。

（7）抗腐蚀性强，应用面广，加固后的构件的耐腐蚀性和耐久性得到大大提高，可以应用于各种复杂工作环境中的构件加固。

（8）碳纤维材料糙率低于混凝土表面糙率，在加固段可以提高水流的通过能力。

（9）提高加固构件的抗渗能力和抗冲刷能力。

3.4碳纤维加固的适用范围。

（1）混凝土结构抗弯、抗剪构件加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。

（2）混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。

（3）隧道、港湾设施、烟囱、厂房、仓库的加固。

（4）受盐碱害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。

4. 碳纤维加固材料的分类、比较和发展状况

4.1碳纤维加固材料的分类

碳纤维材料包括碳纤维布和碳纤维板两种：碳纤维布是连续碳纤维单向或多向排列，未经树脂浸渍的布状制品；碳纤维板材是连续碳纤维单向或多向排列，并经树脂浸渍固化的板状制品。

4.2碳纤维加固材料的比较。

下面对于两种加固材料的物理性能进行一些对比（见表1、表2）。

4.2.1在施工方面，与碳纤维布相比，碳纤维板具有以下优点：

（1）施工方便，施工质量更容易保证。

（2）强度高，1层1.2mm厚板相当于10层碳纤维布作用。

（3）碳纤维板比碳纤维布容易保持纤维顺直，更有利于碳纤维发挥作用。

（4）碳纤维板材更适用于预应力加固方式，能更加充分发挥碳纤维高强度作用。

（5）纤维板与纤维布相比，更适合于砖混结构的墙体加固。

4.2.2与碳纤维布相比，碳纤维板具有如下的缺点：

（1）碳纤维布适用范围更广，能够任意裁剪，加固各种形状（圆形或复杂曲面）的结构。

（2）价格昂贵，限制了碳纤维板的应用。

5. 碳纤维施工工艺要点

碳纤维加固施工工艺流程：混凝土构件表面处理涂刷底胶粘贴碳纤维涂刷保护胶养护涂装。

施工工工艺流程要点：

（1）清除待加固构件混凝土表面的风化层，并凿毛，露出新茬，施工面总体上要求平整、干净。

（2）将界面树脂均匀地涂刷在施工面上，不可遗漏，待不粘手时，用修平树脂找平施工基面；修平树脂不粘手时，在施工基面上均匀地涂刷浸渍树脂，厚度为3mm～5mm，要全部盖住施工基面。

（3）粘贴碳纤维材料之前，首先应先确认粘贴表面干燥；粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉（专用工具）沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。

（4）确认碳纤维与树脂之间无空气后，在碳纤维上均匀涂一层浸渍树脂，厚度一般为1mm～2mm。

（5）粘贴碳纤维材料后，需要自然养护1～2小时，达到初期固化，并要保证固化期间不受到外界碰撞和干扰。

（6）养护7天后，表面涂刷具有抗老化及耐腐蚀性能的防护层，最后做表面装饰层，使其与周围的混凝土相一致。

6. 结语

碳纤维材料具有很多独特的性能和优点，产生的综合经济效益和社会效益都很好，具有广阔的应用前景，值得大力推广。但任何事物都有其局限性，比如碳纤维材料不能承受抗压。因此在进行桥梁加固时，我们要充分考虑建筑物的性能和补强的需要，做出科学的选择。

参考文献

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［文章编号］1006-7619（2012）04-22-506

［作者简介］ 张勤发（1976.03-），男，职称：工程师，工作单位：邯郸市市政工程公司，专业：交通土建工程。