粘贴碳纤维技术在桥梁加固中的应用

【摘要】结合山东省枣庄市省道干线公路枣（园）-徐（州）公路台儿庄运河大桥（307K+620）的加固方案，介绍粘贴碳纤维术在桥梁加固中应用。

【关键词】粘贴碳纤维 加固 桥梁

用碳纤维片修复补强混凝土结构是近十年来的一种混凝土结构修复补强新技术，具有轻质高强、施工简便、能适应各种复杂形状结构的补强，且不影响结构尺寸和外观，抗腐蚀、耐久性良好等优异特性。在随着我国经济建设的日益发展，作为国民经济基础行业的公路建设方兴未艾；为了最大限度地发挥公路桥涵的功能，应该逐步提高公路桥涵养护的技术水平，为避免突发事件的发生，加强桥涵的养护显得尤为重要。

1、结合实例介绍桥梁病害。

台儿庄运河大桥位于山东省枣庄市台儿庄区境内省道244枣徐线上，全长753m，始建于1990年，原设计荷载等级为汽-20级、挂-100。全桥由南、北引桥和主桥组成，引桥为26孔标准跨径20米的钢筋混凝土T形梁和2孔30米预应力钢筋混凝土T形梁，该桥经过10余年的使用，其主要病害为①、引桥主梁表面普遍存在不同程度的开裂，裂缝主要分布在主梁跨中10米区段范围以及支点附近5米区段，跨中裂缝间距在0.2米-0.6米之间，最大宽度为0.25毫米，其高度一般为110cm，大于梁高一半65cm。②引桥大部分支座存在剪切变形、橡胶老化现象。③、横隔梁间的连接钢板断裂、开焊，车辆通行时基本处于单梁受力状态。

1、结合实例介绍桥梁病害加固措施的确定

从裂缝的分布状态和表面特征分析，裂缝基本上属于活动性结构受力裂缝。特别近几年来车流量逐步上升，车辆载重日益增大，原设计荷载等级难以满足使用要求。根据承载能力检算及荷载试验结果，公路管理部门决定对标准跨径20米T梁进行加固维修以确保公路运营安全。加固设计时，考虑到引桥抗弯强度不足，为施工方便并结合科研项目的需要，对引桥部分采用粘贴碳纤维片方法进行补强加固，加固设计采用本课题提出的基于现行公路桥梁规范的正截面强度计算公式。经加固计算与方案比较，该桥受力最不利的主梁为边梁，最后确定在边梁粘贴二层TXD-200碳纤维布，2#、3#、7#、8#主梁粘贴一层TXD-200碳纤维布，宽度18cm。根据构造要求，底层碳纤维布比顶层长100cm并在各截断点加U形箍予以锚固，以防剥离。26孔引桥的碳纤维加固工程总造价69.27万元。而原设计单位按经验方法确定的加固方案总粘帖碳纤维加固造价为219.27万元，在该桥梁加固工程中节约经费约150万元，取得了较好的经济效益。

由于引桥支座质量状况均有所下降，采取主梁顶升，更换支座。

由于横隔板因错位、开裂、混凝土脱落、钢板锈蚀现象较严重，采取粘贴钢板法进行加固，粘贴后的整个横隔梁应做砂浆抹面处理。

碳纤维加固桥梁确定

开工准备工作

①确定指定合格（符合设计要求）原材料

②做好脚手架进场绑扎工作

③按设计图示做好碳纤维（玻璃纤维）粘贴位置的放线工作

④、脚手架工程

因该桥梁施工空间大，考虑到施工安全方便，故亦采用满堂红脚手架，具体搭设尺寸如下：

立杆、横杆内外间距为0.8-1.2米，立杆纵距1.05-2米，大横杆间距≯1.8米，第一步架高1.6米，两横杆间距≯1.5米，剪刀撑沿脚手架纵向两端和转角处起，每隔10米左右设一组斜杆与地面夹角为45°～60°并沿全高度设置。水平斜拉杆视需要设置，杆件对接或搭接位置上下或左右错开，设置在不同网格内。

2 碳纤维加固施工

2.1 施工工艺程序

施工准备工作砼表面处理配制并涂刷底涂树脂配制找平材料对不平整处修复配制并涂刷浸渍树脂粘贴碳纤维片材再涂刷浸渍树脂表面防护

具体施工操作要点：

2.2 混凝土构件表面处理

2.2.1 将混凝土构件表面的残缺、破损部分（蜂窝、麻面、剥落、空隙、腐蚀等）清除干净达到结构密实部位。

2.2.2检查外露钢筋是否锈蚀。若有锈皮、锈块须予以清除；若由于锈蚀导致钢筋断面减小或断裂，则需按等强度原则进行钢筋焊接加固。

2.2.3对经过剔除、清除和漏筋的混凝土残缺部分，用高于原构件混凝土强度的混合砂浆进行修补、复原，达到表面平整。

2.3 贴碳纤维片基层处理

2.3.1贴片范围的定位、划线，应按补修、补强设计要求进行。

2.3.2用砂轮对基层混凝土的表面劣化层（风化、浮浆、脱膜剂、剥离的原浆、涂抹、不洁物等）反复细致地进行剔除和研磨。表面要平而微糙。

2.3.3构件表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等），用混凝土刨子、砂轮削平，修复后的段差要尽量平顺。

2.3.4有棱角的部位，用砂轮进行倒角，倒角大小因纤维片的型号不同而有所不同，尽量取大倒角（施工有障碍时，更应取大倒角）。

贴高强度碳纤维片时，R≥10mm

贴高模量碳纤维片时，R≥20mm

2.3.5用高压水冲洗打磨过的构件表面后，并充分使其干燥，也可使用压缩空气吹扫并用棉纱除掉构件表面的磨粉。

2.4涂底层界面剂

2.4.1把按比例调配好的贴片底层涂料的主剂和固化剂称量准确后，放入容器内，用低速旋转的办法，混合均匀。搅拌时要用变速电动搅拌器，一次调和量在可使用内用完，超过可使用时间不得再用。

2.4.2在底层涂料中严禁添加溶剂，含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿的滚筒不得使用。

2.4.3用滚筒刷均匀地涂抹。特别是冬季，底层涂料的粘度变高，不要涂得太厚，否则会出现粒子。并根据需要涂2次（指触干燥后涂第二层），涂量依据施工面的方向和粗糙程度而变化。

2.4.4指触干燥时间因气温不同，在3小时至1天时间之间变化。

2.4.5底层涂料固化后，在表面上有凸起部分时，要用磨光机、砂纸打光。

2.4.6应根据施工部位的温度、湿度按第4.2.1条选择适当的底层涂料。在气温5℃以下、相对湿度>85%，混凝土表面含水率在8%以上、雨天或有结露的危险时不得施工。

2.5构件表面的残缺修补

2.5.1构件表面凹陷部位（蜂窝、麻面、小孔等）的存在是纤维片材粘贴不严密而造成起起鼓的原因，应用环氧腻子填平，修复至表面平整。

2.5.2内角（段差、起拱）要用找平材料填补，使之平顺。在残缺修补中使用环氧腻子时，一定要确认粘贴片材底层涂料的粘着性，并且在湿度85%以下施工。腻子硬化后，表面上凹凸>0.2mm的糙纹，施工中应在打磨平整。

2.6粘贴碳纤维片

2.6.1 确认混凝土表面含水率符合要求，且确认湿度不会发生结露方可施工。气温在5℃以下，雨天或相对湿度RH>85%时不可施工。

2.6.2为防止碳纤维受损，在片材运输、储存、截切和粘贴过程中，都不得使它受到急剧弯折。因此，贴片前用夹子切断器按规定尺寸切断碳纤维片，要用长度较大的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡、渗浸过程要加倍认真操作，为防止保管过程损坏片材，截切的数量以当天用量为准。

2.6.3碳纤维片材裁切时应预先在裁切位置粘贴宽胶带，在宽胶带正中位置进行裁切，以使裁切后碳纤维片材的断头齐整不脱丝。

2.6.4在纤维长方向片材的接头必须搭接10cm以上，此时应多涂树脂，而且把纤维片摞起来，脱泡、树脂操作照常进行，横向不需要搭接。

2.6.5粘贴前要确认施工面的底层涂料和环氧腻子等修补材料已达到指触干燥，若底层涂料或者残缺修补做完超过1周时，为了确保结构面和纤维片之间的粘着性，需用砂纸蹭磨。

2.6.6将树脂的主剂和固化剂按规定的比例称量准确，装入容器后，用变速电动搅拌器低速旋转搅拌直到均匀（约2分钟）。一次的调和量是可使时间内的用量，超过可使时间的不得使用。

2.6.7贴片前用滚筒刷均匀地涂抹贴片树脂称为下涂

下涂涂量标准为：

200g/m2的纤维片，400～500g/m2

300g/m2的纤维片，500～600g/m2

涂量应根据施工面的方向和粗糙程度适当调整

拱起部分、拐角部分和残缺修补处树脂要多涂一些。

2.6.8粘贴碳纤维片材时，在碳纤维片材和树脂之间不应留有空隙。为此，可用罗拉（专用工具）沿纤维方向在碳纤维片材上滚压多次，使树脂渗浸进纤维中并除去空气，罗拉刮的方向，在拐角部位应朝向拐角进行，反过来在拱起部位向相反方向进行。

2.6.9碳纤维片材施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹浸渍树脂，称为上涂。上涂时罗拉沿纤维方向滚动，不得将已贴好的纤维片材卷起。上涂涂量标准为：

200g/m2的纤维片，200～100g/m2

300g/m2的纤维片，300～200g/m2

上涂时和（8）一样，用脱泡罗拉沿纤维方向用力刮2～3次，使纤维内部补充渗浸树脂。

2.6.10上涂后3小时至4天，进行固化后的空鼓检查，参照《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》检查碳纤维片材粘贴位置、粘贴数量、空鼓率、拉拔强度、粘结剂厚度等项目。

2.6.11如纤维片材表面出现空鼓，需进行修补，具体步骤如下：

a、注入浸渍树脂法（见图-1）

在碳纤维片材上打开2个以上的孔，使用注射器注入浸渍树脂。此类方法应用于空鼓的情况或初期硬化后。

b、割刀切入填充树脂修补法（见图-2）

沿纤维方向切入2～3刀，用橡胶刮板、毛刷沾上适量浸渍树脂，填进割开的缝内，此方法宜用于胀鼓的情况或初期硬化前。

c、补丁修补法

当浸渍树脂完全固化后，无法用割刀切开或注入树脂时，或纤维片材表面出现褶皱或松弛时，应采用此方法割去不良部分，重新粘贴碳纤维片材。

具体方法如下：

（a）一边通过敲打听音确定空鼓、胀鼓的范围和层面，一边用打磨机削去不良部分，并用棉纱沾酒精等有机溶剂擦去粉尘，削掉部位不平坦时，用找平材料或加入增粘材料的浸渍树脂使其平坦。

（b）为提高搭接部位的接着性能，应将搭接部位预先用砂纸等打磨粗糙。

（c）用与削去层数相同层数的碳纤维片材以覆盖搭接的方式重新粘贴，每层碳纤维片材覆盖搭接长度，自修补的边缘起，每侧每层以20厘米的倍数递增。

2.7养护

2.7.1粘贴碳纤维片材后，需自然养护24小时达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。

2.7.2在每道工序以后树脂固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。

2.7.3当树脂固化期间存在气温降低到5℃以下的可能时，可采用低温固化树脂，或采取有效的加温措施。

2.7.4碳纤维片材粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：

平均气温在10℃以下时，需要2周；

平均气温在10℃以上20℃下时，需要1～2周；

平均气温高于20℃时，需要1周；

在此期间应防止粘贴碳纤维片材部位受到硬性冲击。

2.8 涂装

2.8.1碳纤维片材本身有隔紫外线的作用，能防止树脂劣化，但施工面受到阳光直射时，要涂抹耐侯性材料（尿炕系列、氟系列）为宜。

2.8.2若加固补强构件需要防火时，可在树脂固化后涂刷耐火涂层。

2.8.3对加固补强构件有外观要求时，按照设计要求，在补强后，涂刷所需色彩和质量的涂装。

2.8.4涂装应在树脂初期固化后进行，并应遵守所用涂料的相关标准和施工规定。

2.8.5对新材料新工艺的涂装，事前要做好充分研究，根据需要进行实验，确认后方可正式施工。

2.9原材料与施工机具的存放与管理

2.9.1所有进场材料，包括片材和胶结材料都必须符合质量标准，符合本工程补修、补强设计要求，适合现场温度、湿度条件的材料，这是保证工程质量的前提。

2.9.2成卷材料在运输、储存中不得平放，不得挤压，以免碳纤维片材受损。也不得晒和雨淋，胶结材料灌体必须原装无破裂。

2.9.3容器、搅拌设备、刷子、滚轴等工具必须随用随清洗干净，不得残留树脂胶凝结物。

3 施工质量标准

3.1底涂和上涂渗浸入碳纤维束良好。

3.2片材粘结严密，包括构件表面起伏处及其附近也无空隙；

3.3贴片下面全面积内无气泡；

3.4片材无滑移、翘起、松脱现象；

3.5顺纤维方向搭接长度不小于10cm，各副及各层之间的搭接部位不得位于同一条线上，必须错开至少50cm

3.6片材规格、贴片位置、长度、宽度、层数符合设计规定；

3.7养护严格遵守顶板养护和自然养护的时间要求；

3.8涂装符合业主及监理的规定要求及相应的施工验收规范。

4 结语

粘贴碳纤维布加固混凝土结构技术是一项新型结构加固技术，由于碳纤维材料所特有的耐腐蚀性，可广泛应用于环境条件比较恶劣地区的桥梁加固维修，并且，加固后的碳纤维布几乎不需要什么维护工作，降低了后期养护费用，这一点是粘贴钢板法所无法比拟的。尽管早期投资费用稍高一些，但其长期综合费用要低于粘贴钢板加固法。同时，随着碳纤维材料、粘贴用胶国产化程度的不断提高以及市场需求量的不断增大，必将导致碳纤维片材、粘贴树脂的全面降价，由于国内各省市均面临着艰巨的危旧桥梁改造任务，该课题的研究为进行合理的加固设计提供了可靠的依据，为该技术在桥梁加固领域的推广应用奠定了坚实的基础。

存在的问题和改进意见：粘贴碳纤维布加固桥梁的耐久性问题是阻碍该技术推广应用的主要因素，必须进一步研究各种自然环境作用对加固构件受力性能的影响，并跟踪观测已采用碳纤维布加固桥梁的使用状况，从而确定粘贴碳纤维布加固技术的长期性能；碳纤维布的有效强度问题是至今困扰国内外研究者的难题，必须积累更多的试验数据建立与我国加固材料、加固环境相适应的有效强度计算方法，以完善现有加固计算理论。

参考文献

1、《公路桥涵设计通用规范JT021-89》

2、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范JTJ022-85》

3、《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范JTJ023-85》