浅谈碳纤维加固在桥梁大修中的应用

摘要：本文简要概述了碳纤维加固在桥梁大修中的应用，对工艺原理、施工方法及注意事项、效益分析进行全方位多角度地阐述和剖析，指出碳纤维加固法的优势与适用范围，采用碳纤维加固修补，基本不增加原结构自重，更不会改变原构件尺寸，特别是在桥梁大修中的该方法作用深远，意义重大。

关键词：碳纤维加固特点 施工工艺

1 概述

在现有桥梁中，有不少桥梁，由于当时设计荷载标准偏低造成历史遗留问题，行车密度及车辆载重越来越大，公路桥梁负荷日趋加重而不得不对已有桥梁进行维修、加固。在碳纤维加固技术问世之前，我国一直延用传统加固方法，其具体方法有：加大截面法、外包钢筋加固法、粘钢加固法、加大混凝土截面等方法来达到混凝土的加固效果。在“碳纤维加固技术”出现之后，这种新型加固技术迅速占领建筑市场，几乎将传统加固方法取而代之。

所谓碳纤维加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在桥梁梁体表面，使两者共同工作，提高桥梁的承载能力，由此而达到对桥梁进行加固、补强的目的。要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可。

2 特点

碳纤维，形态上比人的头发丝还要细100倍，密度不到钢的1/4，但钢度却是钢的4倍，抗拉强度则是钢的7～9倍。碳纤维材料的特点是强度高、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀，在弹性模量方面某些高弹性碳纤维甚至在钢材的两倍以上，并且施工性能与耐久性良好，更可贵的是它还具备可加工性，另外碳纤维材料质量轻、材质薄，单层的粘贴厚度仅1.0mm左右，经过粘贴后单位面积重量不超过1.0kg，经过加工修补不增加原结构自重，不会改变原构件尺寸，既避免了粘贴钢板时所带来的视觉上的粗糙感又达到了较之更好的加固效果。另外，碳纤维加固技术可降低建筑物的加固成本，延长使用寿命。因此，碳素纤维作为新时期的补强材料，而备受社会关注。

3 适用范围

混凝土构件、木结构、钢结构等均可用碳纤维加固的方法进行加固和补修，并且加固后构件承受能力、抗震性能和耐久性能都可以大幅度提高。①混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。②被盐腐蚀的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护与加固。③隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固。由于碳纤维加固自身的特点，因此多用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、防震、防裂、防腐的补强及提高设计荷载等级方面。

4 工艺原理

碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀等特点。抗拉强度方面甚至是普通钢筋的十倍左右，弹性模量方面略高于普通钢筋。加固和修复混凝土结构所使用的碳纤维材料主要分为碳纤维材料和配套树脂两种，其中碳纤维材料是一种很好的加固修复材料，在抗拉强度方面是建筑钢材的十倍、弹性模量方面碳纤维材料与钢材相当，但是有些（如高弹性）碳纤维材料的弹性模量甚至是钢材的两倍以上，且施工性与耐久性表现良好；配套树脂主要包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂三种，前两种的功能是提高碳纤维的粘结质量，而粘结树脂的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成复合型的统一体，使它们作为整体共同发挥作用，提高结构构件的抗剪承载力以及加强抗弯性，从而达到对结构构件进行加固和补强的效果。

5 施工工艺

对碳纤维进行加固的流程为：构件表面处理――粘贴面基层处理――涂底层涂料――构件表面环氧腻子修补――贴碳纤维片材――氧化固化―― 涂装。

5.1 对基底处理 按照设计要求采用碳纤维技术对基底进行相应的处理：①对混凝土构件的表面出现残缺、破损和碳化层的部分进行清理，对剔凿、清理、露筋的构件残缺部分进行修补复原，直到结构部件密实部位为止。排查外露钢筋的锈蚀状况，如有则进行必要的处理。②裂缝的修补。通过环氧树脂进行表面涂刷和密封方式处理缝宽小于0.2mm的裂缝，对于大于0.2mm的裂缝用环氧树脂进行灌缝。③对贴片范围的定位、划墨线、按设计要求进行。④打磨结构部件表面凸出部分（模板的段差等）进行整平处理，修复后的高度差不得超过1mm；用磨光机把棱角打磨成半径大于30mm的圆角。⑤用高压水或压缩空气除净构件表面的粉尘，并使其充分干燥。

5.2 涂刷底层树脂 ①把按比例调好底胶主剂和固化剂导入容器内，用搅拌器搅拌均匀，量的大小控制在可使用时间内用完为准。②用滚筒刷把底胶均匀地涂刷，注意直横涂抹均匀，自然风干。需要涂刷两层时，应在第一层指触干燥后再涂刷第二层。③底胶固化后，表面有凸起部分时要用磨光机或砂纸磨平。④当气温低于5℃，相对湿度大于85%，混凝土表面含水率在8%以上，以及因降雨或结露而没有有效的保证措施时，不能进行施工，要根据温度、湿度选择适当的底胶。

5.3 找平处理 ①用环氧腻子对结构部件表面凹陷部位进行填平，直到修复平整，内角（起拱段差、等）用环氧腻子填充进行整平处理。②找平胶涂刮后，表面上的糙纹，应用砂纸打磨平整。③整平胶料固化后，方可进行下一道工序。

5.4 粘贴碳纤维片 ①在运输、储存、剪切、粘贴碳纤维片时，确保碳纤维质量严禁弯折。贴片时用钢直尺和壁纸刀按规定尺寸裁剪纤维片。②碳纤维片接头，其受力方向（顺纹方向）每端的搭接长度不应小于200mm，若粘贴层数超过3层，该搭接长度不应小于300mm；对非受力方向（横纹方向）每边的搭接长度可取100mm，当平行粘贴多条碳纤维板时，两板之间空隙应不小于5mm。③对树脂主剂和固化剂按规定比例进行配比，利用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂。④贴片。用碳纤维片和树脂进行粘连，用橡皮滚筒沿着纤维方向在碳纤维片上进行滚压，接触面之间不要有空气，这样可以使树脂渗入碳纤维中，并使纤维片的铺层均匀压实，无气泡出现。

5.5 碳纤维片养护 ①碳纤维片的粘贴。达到初期固化前需要自然养护24h，并确保固化期间不受影响。②碳纤维片粘贴后，对满足设计强度所需自然养护的时间的规定：平均气温在10℃以下时，需要2周；平均气温在10℃以上20℃以下时，需要1～2周；平均气温高于20℃时，需要1周。在自然养护期间应避免物体硬性冲击贴片。

5.6 涂装 根据需要可以在树脂固化后加固、补强构件表面，并涂刷耐火涂层和色彩。

6 施工注意事项

6.1 碳纤维片材选择 检查是否均匀。只有分布排列均匀的碳纤维束，经加复合工成后，才能保证材料整体受力均匀；若碳纤维片材均匀性不好，会因为构件受力不同导致纤维片受力不均，最后不能充分显碳纤维补强的效果。因此，要保证加固质量，要择均匀性较好的碳纤维片材。

6.2 碳纤维（片材）粘贴 ①进行碳纤维片材表面处理和粘贴，首先对加固设计部位进行放线定位。②碳纤维片材裁剪。按照要求的尺寸对碳纤维片材裁剪，使裁剪后的织物宽度保持在100mm到150mm之间。③清理碳纤维片材表面的粉尘并擦拭干净。进行两层粘贴时，底层碳纤维片材两面都要擦拭干净。④碳纤维片材擦拭干净再涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状且平均厚度不小于2mm。⑤把涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压。沿着纤维片材方向用橡胶滚筒均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实粘贴良好。⑥通过连续粘贴的方式进行两层碳纤维片材的粘贴。如果不能粘贴，那么对底层碳纤维片材重新进行清洁处理。⑦碳纤维的配套用胶要远离火源，避免阳光直射。配置及使用时必须保持良好的通风。⑧考虑环境湿度对树脂固化的负面影响。混凝土的粘贴部位含水率不宜小于4%，且不应大于6%。⑨把按规定比例配制好的树脂放入容器，进行搅拌直到色泽均匀。搅拌用的容器内不能有油污及杂质。⑩根据季节和温度，需要使用不同型号的粘贴树脂确保粘贴的质量。这样才能把握对树脂施工时的可操作时间和固化时间。

7 碳纤维加固效益优势

采用碳纤维方式进行加固，在费用方面与一般的粘贴钢板法差不多，与传统加固法相比，采用碳纤维加固法优势表现在：高强高效、施工便捷，不改变原结构物的结构外观，不会对原结构造成损害，后期维护费用低并且施工质量有保证。化学结构稳定，耐腐蚀性以及抗疲劳性能等方面更加突出，并且没有湿作业，现场不需固定设备，场地占用少。在工期和条件方面具有明显的优势，采用碳纤维加固法加固效果好，适用范围广，质量有保证，经过碳纤维加固修补后，基本不增加原结构自重，更不会改变原构件尺寸。

参考文献：

[1]任振华.碳纤维加固桥梁技术实用研究[J].价值工程，2011（19）.

[2]逯彦秋，王圣保.碳纤维加固桥梁技术综述[J].森林工程，2003（02）.

[3]王春志.试述碳纤维加固技术原理及其在桥梁结构中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2008（07）.