浅谈碳纤维布在混凝土结构加固中的应用

摘要：本文通过对碳纤维布旧桥加固技术在国内外的应用现状以及研究现状的分析，介绍了碳纤维布加固技术在旧桥加固中的优点与不足。论证了旧桥加固中碳纤维布加固技术使用的可行性。

关键词：碳纤维材料; 加固;

Abstract：This paper is based on the analysis of the application status and research status of CFRP reinforcement technology using on the old bridge at home and abroad . Introduce the advantages and disadvantages of the CFRP reinforcement technology using on the old bridge . And demonstrate the feasible of the CFRP reinforcement technology using on the old bridge .

Key words： Carbon fibre material; Reinforce;

中图分类号：TV223文献标识码： A 文章编号：

桥梁是我国公路交通工程的重要组成部分，在我国交通事业发展中有着不可替代的作用。随着近年来我国交通事业的蓬勃发展，车流量、车辆承载力都出现迅速的增加，对桥梁的承载能力要求越来越高。另外随着桥梁使用年限的增加，桥梁结构在使用期间，由于车辆荷载、碰撞、日照以及各种环境因素的影响，会导致混凝土脱落、钢筋锈蚀，从而导致桥梁的承载能力会产生一定的降低。并且，随着桥梁结构使用时间的增加，大量的混凝土桥梁进入老化期，这对桥梁结构的安全性、耐久性以及舒适性都产生很大的影响。这就促使我们对旧桥在其使用阶段要注意对其进行检测，并进行必要的加固处理以保证行车安全。

1 碳纤维布加固技术

碳纤维之所以被如此重视，是因为它“外柔内刚”。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁。并且具有耐腐蚀、高模量的特性。碳纤维既有碳材料“硬”的固有本征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性。在国防、军工和民用方面都是重要的物资。这些优越的性能，使它成为高新技术纤维领域颇受关注的品种之一。碳纤维材料开始应用于混凝土加固维修始于八十年代末期。首先是在日本、美国等国家进行使用，我国是在1996-1997年开始对碳纤维增强复合材料加固混凝土结构技术进行研究的，并于1998年开始了实际工程的应用，但该技术用于公路桥梁的加固维修还是最近几年才开始的，但是碳纤维加固技术在我国发展迅速。通过国内学者数年的努力，粘贴碳纤维片加固设计、施工规程己经编制完成并进入报批阶段。。

碳纤维布因其重量轻、厚度小、裁剪方便、承载力强等优点，在桥梁加固中尤其达到青睐，尤其是它的质量较轻，在一些承载能力较低的旧桥中，增加的恒载较小，而承载能力能得到很大的提高，这些优点，使碳纤维布加固技术在近年得到了较大的发展。

碳纤维加固技术是将碳纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面，形成复合材料体(CFRP)，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2 碳纤维加固技术的优点

(l) 施工方便、工效高。据统计, 粘接碳纤维加固技术比粘钢加固快3-5倍。并且由于其抗剪能力较低，在进行切割时，不需要使用大型工具，大大降低了施工难度；并且由于碳纤维加固技术与钢板加固技术相比，不需要使用锚固器械，降低了施工工期，并且由于其不需锚固，在进行加固过程中不会对旧桥产生新的损伤，保证了旧桥的承载能力不会降低。并且由于碳纤维布很薄，在进行桥梁加固之后几乎不对桥梁就够的厚度产生影响，这对于城市内的景观桥梁的加固有着重要意义。

(2) 碳纤维布具有极佳的耐腐蚀性能及耐温性能, 且适用面广, 无论是结构类型、结构形状有什么千差万别, 它都能达到使用要求，满足加固技术的要求。而其他加固手段是无法实现的。

(3) 施工质童易保证, 即使被加固结构的表面不是非常平整, 粘接碳纤维加固也可以保证近100% 的粘贴率。由于碳纤维自身优异的物理力学性能, 在加固混凝土结构中利用其高强度高弹性模量的特点, 提高了构件的承载力等。以上这些优势使其加固达到高强高效的目的. 对于抗震加固等尤其具有重要意义, 粘接碳纤维加固棍凝土结构的优势非常明显。

3 碳纤维加固施工工艺

碳纤维加固技术的工艺流程: 对被粘接结构物进行表面处理一进行断面修复一底层表面的涂布一不平面修整一碳纤维贴片施工一固化一表面涂装。

施工的工序与步骤视结构劣化状况不同而有所差别, 一般情况介绍如下:

( l) 首先对于要加固部位进行表面处理：先用砂轮机将要加固结构部位的表面进行处理，使之符合要求, 其中如果有缺陷要修复平整, 若有漏水现象要作止水、导水等处理。总之, 加固部位表面的处理情况直接关系到加固结构的承载力。

(2) 配制底层用胶并进行涂抹, 根据加固桥梁所处位置的气温及加固部位的具体情况决定涂抹的厚薄,特别是冬季, 在气温低于5 ℃时不宜施工，另外在雨天也要尽量避免施工。当底层胶固化后, 用磨平机将凸起不平处磨平, 为下道工序作好准备。现场要注意通风。

(3 )进行粘接碳纤维时, 首先根据要求剪好(或用刀割)所需尺寸, 为了保管等方便,一般以2m长为适。再进行配制胶液, 一次配胶要以可使用期内施工所需盆为限。最后进行粘贴, 粘贴时尽量不使空气进人粘接碳纤维片和胶枯剂之间, 碳纤维片搭接处要预留1 o c m 以上。贴好一层最好放置数小时, 以达到脱泡、浸润的效果。随着结构胶粘剂反应使粘度增高至固化, 再涂第二层时就可达到良好的效果, 固化好后根据要求进行表面涂装, 完成施工。

4 碳纤维加固技术存在不足

（1）碳纤维加固材料虽然其本身的承载能力较强，但是其需要通过一定的粘合材料与桥梁结构进行连接，因此其粘结材料的强度对其加固能力有很大的影响。目前碳纤维加固技术中使用的结构粘合剂熔点低，施工期间受潮湿环境限制，目前国内用的粘合剂多数都是环氧树脂类，此种粘合剂在温度达到60℃时强度开始降低，在80℃时基本失效，所以在耐高温性能方面不足，需要进行特殊的防火处理，且在温度低于5℃时胶固化效果不好，尤其在冬季施工期间必须做加温处理才能固化，很费时间，所以胶的质量还需改进。

(2)另外由于碳纤维属于柔性材料，虽然其承载能力很强，但是在加固特殊构件部位时还存在一定的不足，例如十字交叉梁柱结点处梁负筋不足，此时碳纤维布无法通过核心区，锚固长度无法满足，而钢板可以通过焊接来解决。

(3)造价相对钢材比较高，等强度和钢板代换造价要高出50%-100%。

（4）碳纤维加固技术虽然在我国有了较大的发展，但是由于我国碳纤维生产技术存在一定的不足，因此我们常用的碳纤维加固材料都是通过进口实现的，这对我国碳纤维加固技术的发展有了一定的制约。我国国产的PAN 基碳纤维强度指标一般在2 000~ 2 500 MPa 之间、弹性模量在211 @ 105 MPa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。

( 5) 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。以国内目前的研究开发进度分析, 该问题可望在一、二年内得到初步解决。