浅析碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用

摘要：本文分析了碳纤维材料的基本特性，探讨了碳纤维材料在桥梁加固中的工艺流程及施工要求，提出了施工过程中的注意事项 。

关键词：碳纤维材料；桥梁；加固工程；应用

Abstract: This paper analyses the basic characteristics of the carbon fiber material, explores the technological process and construction requirements of the carbon fiber material in the bridge reinforcement, and puts forward the matters needing attention in construction.

Key words: carbon fiber; bridge; reinforcement construction; application

中图分类号：TU7 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

1 碳纤维材料的基本特性

碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘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。

1.1 碳纤维片材

片材碳纤维材料的拉伸强度在(2400～3400)MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。

片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。

相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。

1.2配套树脂类粘结材料

混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度(10～40)摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。

2 碳纤维材料在桥梁加固中的工艺流程及施工要点

根据碳纤维的设计及加固原则，为了使碳纤维粘贴效果达到预期目标，碳纤维在进行粘贴时，一般按以下工艺流程进行施工：卸荷基面处理涂刷底胶(FP胶)修补粘贴面粘贴碳纤维(CFRP)表面处理与防护。

2.1 卸荷

在进行对梁体加固前，必须卸去梁体上的全部或主要荷载，卸除荷载后的梁体需静置到稳定状态后方可进行加固工作。

2.2 基面处理

2.2.1 将所需加固的构件表面层除去并研磨至粗骨出现为止，然后，除去净粉尘，并使其干燥；

2.2.2 将构件锐角处磨成1.2cm以上圆角，以免因补强后造成应力集中降低补强效果；而对构件凹坑部位则需使用与梁体混凝土强度相同等级的环氧树脂砂桨进行补平，使凹坑面形成平顺段，以利于粘贴；

2.2.3 对梁体裂缝进行一般封闭处理。

一般采用TK型注缝胶和TZ型封缝胶相结合进行梁体封闭处理。

2.3 涂刷底胶

2.3.1 按2:1比例将底胶(FP)的主剂和固化剂先后放人容器内，用低速搅拌的方法使其充分均匀，搅拌时间为10～15min为宜，一次搅拌量根据现场情况而定，但必须在1h内涂刷完，主要原因是固化剂受胶体自身胶化时间和胶体的延展性，以及温度、湿度和环境因素影响较大，另一方面，不同温度、湿度下所涂刷的胶体其厚度不均匀。

2.3.2 涂刷方式应根据施工条件合理选择，一般采用滚筒刷自上而下的方法进行。

2.3.3 涂刷底胶前必须做好构件的除湿保温工作，涂刷底胶后，应对梁体进行防尘保护．底胶固化的时间一般约为3～24h，涂刷遍数一般按2遍进行控制。

2.3.4 底胶硬化后若表面出现流痕皱折等凸起部位，需用磨光机打磨至平整．同时还要进行除尘处理。

2.4 修补粘贴面

本道工序为碳纤维粘贴前的再修补工作，底漆干燥后，将缺陷填补材料填涂在缺陷处．填涂后的施工面使用适当工具加以修整．使整个施工面平整光滑。其要求同基面处理。

2.5 粘贴碳纤维

2.5.1 粘贴方向的确定

2.5.1.1 凡梁、板构件其受拉面进行抗弯加固时，碳纤维粘贴方向（经线方向）与构件纵轴线一致。以达到抗弯目的。

2.5.1.2 凡梁、柱式构件需进行封闭式或侧面粘贴加固时，其碳纤维的纤维（经线）方向需与构件的纵向轴线垂直以达到抗剪效果。

2.5.1.3 由于梁体缺陷不可能规则化，如梁体裂纹以及裂纹的发展方向等因素，因此在进行粘贴碳纤维加固梁体时，其粘贴纤维（经线）的方向还必须注意与供货商磋商，以得到供货商的技术指导。

2.5.2 下料：碳纤维的下料长度，应根据梁体所需加固长度而定，若需搭接其顺向搭接长度应不少于15cm为宜，若需固定应采用横向碳纤维粘贴固定，其固定宽度不少于10cm，进行梁体抗剪加固时，梁底转角部位的倒角处理范围以倒角半径不少于lcm为宜。

2.5.3 粘贴

2.5.3.1 FR胶主剂及硬化剂依2:1定配比称重后充分搅拌均匀，一次搅拌量不得大于1h时间内完成的施工量。超过可使用时间的材料不可再使用(调配和使用方法与底胶相同)。

2.5.3.2 施工面以滚筒毛刷含浸胶体均匀涂刷。

2.5.3.3 将碳纤维贴片粘合在含浸胶体的涂布上，并用刮刀沿着纤维方向用力刮平以除去气泡。

2.5.3.4 利用脱泡滚轮沿着纤维方向来回滚压以充分粘贴和除去气泡。

2.5.3.5 在已贴妥之纤维贴片上，再将胶体均匀涂刷后重复步骤．纤维贴片粘贴30min后才能进行上层胶体涂刷，期间要注意贴片是否有浮起或错位现象，若有则以滚轮或刮刀压平修整。

2.5.3.6 2层以上贴层，重复步骤②～⑤，根据施工情况可确定1日1层或2日1层进行施工

2.5.3.7 粘贴时应注意对混凝土转角处要适当多涂刷胶体。

2.5.3.8 在最后一层碳纤维的表面均匀涂刷一层FR胶体。

2.5.3.9 粘贴施工完成后应注意做好已贴碳纤维梁体的保温、防湿养护工作，其温度以15℃～2O℃为宜，养护时间为7d，实践表明，养护工作的好坏直接关系到胶体和碳纤维的最终组合强度以及加固效果，不可忽视。

2.6 表面防护

梁体被碳纤维加固后，为保证胶体的耐久性和防腐、防火性能，其表面应喷涂防火涂料进行保护。

3 施工过程中应加强对施工质量缺陷的预防

3.1 桩顶夹泥松散的预防：灌注混凝土时可比原设计多灌注80～100cm的混凝土(该部位不设钢筋)，待混凝土达到3d强度后，用人工凿除多余部位，这样就保证了桩顶混凝土的强度。

3.2 断桩的预防措施：

3.2.1 导管使用前，要对导管进行检漏和抗拉试验，以防导管渗漏。每节导管组装编号，导管安装完毕后要建立复核和检验制度。导管的直径应根据桩径和石料的最大粒径确定，尽量采用大直径导管。

3.2.2 下导管时，其底口距孔底的距离不大于40～50 cm，同时要保证首批混凝土灌注后能埋住导管至少1.0m。

3.2.3 钢筋笼制作时，一般采用对焊，以保证焊口平顺。当采用搭接焊时，要保证焊缝不要在钢筋笼内形成错台，以防钢筋笼卡住导管。

3.2.4 在提拔导管时要认真测量混凝土的灌注深度以及已拆下导管的长度，认真计算提拔导管的长度，严禁不经测量和计算盲目提拔导管，一般情况下一次只能拆卸一节导管。

3.2.5 关键设备(混凝土的搅拌设备、发电机、运输车辆)要有备用。

3.2.6 如混凝土堵塞导管时，可拔插抖动导管(注意不可将导管口拔出混凝土面)，当所堵塞的导管长度较短时，也可以用钢筋插入导管来疏通导管，也可以在导管上固定附着式振捣器进行振动来疏通导管内的混凝土。

3.2.7 如钢筋笼卡住导管后，可设法转动导管使之脱离钢筋笼。

参考文献：

[1] 蒋新亭．粘贴碳纤维布法加固桥梁[J]．山西建筑，2007，33(16)：311―312．