碳纤维加固桥梁新技术综述

摘要：碳纤维以其具有极好的比强度和比刚度，优秀的耐腐蚀性已广泛用于混凝土结构的粘贴加固工程，并已逐步形成了碳纤维加固混凝土桥梁的新技术。就这一新技术的材料特性、施工方法等进行了探讨。

关键词：碳纤维；桥梁加固；粘贴

1 材料的基本特性

碳纤维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--3400MPa之间，而普通碳素钢板拉伸强度为240 MPa。其弹性模量依片材力学性能不同，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；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。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好坏有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何减少桥上正常交通中断时间。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度10--40℃，粘贴环氧树脂固化时间约15 h以上时，粘贴后可以使用的时间为45min以上。专配的环氧树脂材料的这一性能完全适合混凝土桥梁的加固工作。

2 碳纤维片材加固桥梁的形式

碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强，其加固的效果主要是提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力，提高构件的刚度及延性。除此之外，许多室内及现场试验证明，碳纤维片材加固的混凝土构件裂缝宽度发展可以得到控制。由于碳纤维片材，特别是碳纤维布质量轻且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土桥的有关部位加固较灵活。碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不相同，当纤维方向与受力向相同时，其拉伸强度最高；当纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。因此，在采用碳纤维片材进行加固设计中，必须正确掌握纤维的布置方向。根据混凝土构件加固计算，可以采用连续式粘贴或条带间隔粘贴碳纤维片材的方式。研究表明，分条加固的效果要优于整条布的加固效果。

3 碳纤维加固结构施工特点

碳纤维加固结构技术是利用碳纤维材料的特性，将碳纤维粘贴在结构表面，从而起到对结构的加强作用。在实际施工过程中，碳纤维既可以单层粘贴也可以多层粘贴，还可以缠绕。对于各种不同类型的节点、不规则的部位，都可用碳纤维进行加固处理。在桥梁加固运用中，可粘贴在混凝土梁的顶面或底板上，用以提高梁的挠曲强度和刚度；也可粘贴在梁的腹板上，用以提高其抗剪强度；还可以将碳纤维缠绕在节点部位以满足抗震设计的要求，具有高强高效、施工便捷、周期短等特点。在碳纤维结构技术应用中，影响加固质量的因素主要有两方面，一是碳纤维材料的抗拉强度，二是粘贴碳纤维材料用粘结剂的剪切强度。碳纤维和混凝土的粘结质量直接影响加固效果。加固后，碳纤维与混凝土之间不能有气泡，不能起鼓。另外，碳纤维布是一种可任意曲折的纤维布材料，施工不受加固长度的影响，适应面广。以上优点将使碳纤维加固结构技术在国内未来的加固行业中起着越来越重要的作用。

4 碳纤维加固施工工艺特点

4.1 粘贴碳纤维用胶最适宜的温度在20--25℃，视气温高低，适当调整。如果在冬季施工，应控制其凝固温度在10℃以上。

4.2 加固前应检查待加固构件表面情况，一定要注意粘贴面必须是结构面，对于有较大裂缝及凹陷处，应该用胶泥补平。

4.3 碳纤维加固技术施工速度快，施工工艺简单，尤其是在加固过程中能保证桥梁的正常使用，减少不必要的经济损失。

5 粘贴碳纤维片材加固施工技术

5.1 面层处理

混凝土表面的劣化层必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质去除，用水洗净后，必须使其充分干燥。

5.2 断面修复

将混凝土面层的不良部分（例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等）清除。若有钢筋外露情形，必须先做好防蚀处理，再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。裂缝以环氧树脂灌注，裂缝或打除部分若有漏水情形时，应先做好止水、导水处理。

5.3 表面修正

表面平整度凸出部分（小突起等）以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以环氧树脂或树脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角R=20mm（R-曲率半径）以上，凹角则以树脂砂浆填补。

5.4 底层涂料

气温在5℃以下，雨天或RH大于95%时，不可施工。施工范围的温度、湿度确认后，选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通，严禁烟火，并且施工时必须要穿带保护装备。

5.5 碳纤维片材的粘贴

纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好，依使用量剪裁尺寸，长度在2 m以内最适当。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过一星期以上时，应以砂轮机磨平。

6 尚待解决的技术关键

6.1材料的开发问题。尽管国外已有多种定型成熟的碳纤维材料产品，但国内的大规模开发应用不能完全依赖于进口产品，国产化是实现的一个根本条件。国产的PAN基碳纤维强度指标一般在2000--2500MPa之间、弹性模量在2.1 105MPa左右，是有一定保证的，但在预浸料生产及加工成品质量方面仍有较大欠缺，均匀性也较差。同时，上述单一的性能指标也不可能满足对碳纤维材料多样化的要求。因此，国内有关材料与建筑的研究、生产与使用单位如何更好协调研究并生产出适合国内市场的碳纤维材料是一个关键问题，也将有很长的路要走。

6.2 碳纤维材料加固修补使用的技术方面问题。这主要体现为国内相应标准与规程的制订上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准规程，但并不适合中国，不能照搬，我们至少还需要做一些关键的试验研究以解决或验证诸如疲劳性、耐久性、延性等方面的技术难题，并尽早制订出我国自己的标准规范与施工指南。

7结语

碳纤维材料的出现和成功应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。碳纤维是一种新型建材，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当高度受限制时的首选加固方法。

参考文献

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