碳纖維加固技術在橋梁預防性養(yǎng)護中的應用

白 寧

(長治公路分局長治公路管理段，山西長治 047100)

0 引言

由于受到行車等荷載的直接作用，橋梁上部結構最易產(chǎn)生輕微病害，鋼筋混凝土梁(板)橋尤為明顯。因此，在橋梁養(yǎng)護工作中，對輕微病害進行預防性養(yǎng)護是防止病害發(fā)展加重的有效措施。當前諸多新技術新工藝的興起，更是大大提高了預防性養(yǎng)護的效能，在實際應用中，采用碳纖維加固技術對國道207線存在輕微病害的小跨徑橋梁進行加固補強，起到了抑制病害發(fā)展，延長其使用周期的目的。

1 技術概述與加固原理

1.1 概述

碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同作用，對構件進行補強，提高結構構件的承載能力，以此達到對建筑物進行加固、補強的目的。碳纖維加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、墩、墻等結構。

碳纖維加固法除在建筑領域得到廣泛應用外，近年來在公路舊橋加固工作中也得到了有效地推廣應用。該方法施工簡單、施工速度快、可在舊橋不停止使用的條件下進行加固和修復、構件截面尺寸變化小、不影響凈空使用、經(jīng)濟性好，而且可以提高被加固橋梁的抗彎、抗剪能力，限制裂縫的發(fā)展。

1.2 加固原理

碳纖維加固技術是優(yōu)質(zhì)新型材料與先進工藝相結合的產(chǎn)物。用于建筑結構加固的碳纖維材料具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍;但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同受力，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用高效粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布整體抗拉強度，同時又確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到整體補強的目的。

2 技術特點

1)材料強度高。拉伸強度超過3 000 MPa，彈性模量2.35×105MPa，接近鋼筋的彈性模量，極適用于鋼筋混凝土構件的加固補強。

2)不增加截面尺寸和恒載。碳纖維織物厚度為0.111 mm～0.167 mm，自重200 g/m2～300 g/m2，粘結劑的質(zhì)量更小，對整個結構質(zhì)量和截面尺寸的影響微乎其微，可忽略不計。應用于橋梁板補強時，原橋下凈空沒有變化。并且根據(jù)結構補強要求，碳纖維織物可以多層粘貼，這點是其他補強方法難以做到的。

3)耐腐蝕性，材料本身沒有腐蝕性，并且能提高結構的耐腐蝕性及耐久性，適于在不利的自然環(huán)境下使用。

4)碳纖維織物柔性好，加工隨意性強，能適應不同形狀的構件，可隨結構外形變化進行粘貼，極大地降低了施工難度，減少成本投入，縮短了施工工期。

5)施工簡便，不需大型施工機械設備及周轉材料，操作簡便，工作面小不需較大施工場地，尤其在受空間限制時最為適用。

6)不會對原結構造成二次損壞。由于采用粘結材料，不需進行鉆孔、錨栓、開鑿等破壞性作業(yè)，有效保證原結構穩(wěn)定。

7)能有效封閉和改變混凝土裂縫的形態(tài)。粘貼于混凝土表面的碳纖維織物封閉了混凝土表面的裂縫，約束了結構裂縫的形成和發(fā)展，從而提高了混凝土構件的整體剛度。

8)對結構外觀影響小，輕薄的結構特性使其粘貼加固后再涂刷一層近色涂料，基本能與原結構外觀保持一致。

9)橋板加固時，可在舊橋正常運營的條件下進行施工，不需中斷交通。

3 材料及技術要求

3.1 碳纖維織物

碳纖維織物是纖維復合材料的一種，通常用于工程加固的纖維復合材料還有玻璃纖維、芳綸纖維等。普通碳纖維是以聚丙烯腈(PAN)或中間相瀝青(MPP)纖維為原料經(jīng)高溫碳化而成，碳化程度決定彈性模量、密度和導電性等物理性能。碳纖維長絲直徑通常在5 μm～8 μm之間，并形成含3 000根～18 000根的長絲束。為改善碳纖維與基體的親和性，纖維要做表面處理，形成能與基體反應的活性基團［1］。

工程加固用的碳纖維織物是由碳纖維長絲編織而成的軟性織物狀基材。碳纖維織物的經(jīng)向作為主受力方向將大量碳纖維長絲平鋪，再用極少量的碳纖維絲作為緯向將經(jīng)向纖維編織在一起，形成以經(jīng)向受力為主的碳纖維織物。

3.2 粘結材料

碳纖維粘結材料是將碳纖維結合在一起，同時與基底混凝土表面粘合的一系列粘結材料。粘結材料作為使碳纖維長絲共同受力以及使碳纖維織物與被加固基底共同作用的重要介質(zhì)，其應當具備足夠的強度和剛度，在保證碳纖維與基底剪力傳遞的同時還要有一定的韌性，不會因基底混凝土的開裂而導致脆性破壞。

粘結材料根據(jù)不同的使用性質(zhì)，分為底層樹脂、找平材料以及浸漬樹脂三種。底層樹脂的主要作用是滲入基底混凝土表面，強化基底表面強度，提高碳纖維織物與基底混凝土間的粘結性。找平材料的作用是對基底混凝土表面的細微氣孔、錯臺等作精細修補，以形成平整的表面與碳纖維織物達到緊密接觸，從而保證補強效果。浸漬樹脂作為粘結主膠在粘結材料中起至關重要的作用，它應具有良好的滲透性，在與混凝土良好粘結的同時能易于浸透碳纖維織物本身，使碳纖維織物的纖維束形成共同作用的整體。

4 施工工藝流程

此次加固補強的板橋主要病害為板底多道縱向輕微裂縫，局部混凝土松散剝落，無其他結構性破壞。加固目的是對混凝土板補強，阻止裂縫進一步發(fā)展，延長橋板使用壽命。材料選用300 g/m2碳纖維織物和MS系列碳纖維配套樹脂，加固時碳纖維織物的纖維方向要與裂縫垂直。具體施工步驟如下:

1)把疏松混凝土鑿掉，用環(huán)氧砂漿補平鑿除的混凝土，并養(yǎng)護3 d。

2)用壓縮空氣將表面浮塵清除干凈，未鑿部位用角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，需粘貼處清理干凈。

3)配制并涂刷底層樹脂:將MSP(底層樹脂)主劑、固化劑按2∶1的質(zhì)量比充分攪拌均勻，用滾刷均勻涂抹在處理后的待加固表面。

4)找平:底層樹脂指觸干燥后，配制找平材料并對不平整處修復處理。將MSE(找平材料)主劑、固化劑按2∶1的質(zhì)量比充分攪拌均勻，用刮板將混凝土表面凹處補平。

5)找平材料指觸干燥后，配制并涂刷浸漬樹脂:將MSR(浸漬樹脂)主劑、固化劑按2∶1的質(zhì)量比充分攪拌均勻，用滾刷均勻涂抹在找平后的待加固位置。

6)粘貼碳纖維織物:涂刷浸漬樹脂后立即把按設計要求已裁剪好的碳纖維織物粘貼在設計部位，然后用專用滾子或刮板沿碳纖維織物的受力方向來回滾壓，擠出氣泡并使浸漬樹脂浸透碳纖維織物。

7)待指觸干燥后，再在表面涂刷一層浸漬樹脂，保護碳纖維織物。

8)養(yǎng)護48 h，養(yǎng)護過程中避免過度震動、沖擊和水分。

5 注意事項及施工要點

1)鑒于該技術關鍵在于通過粘貼保證原構件與織物共同受力，因此加固前必須確?；谆炷辆邆湟欢◤姸龋话阏J為其強度等級不低于C15;同時保證粘貼表面平整無凹凸，無剝落松散等病害，無油漬浮灰，如有上述缺陷應事先進行修復，如清理、修補、打磨等;作業(yè)前要確認基底干燥方可施工。

2)碳纖維織物在運輸、儲存及裁剪過程中嚴禁彎折，已彎折出現(xiàn)折痕的部分不得使用。

3)纖維縱向如需搭接，則搭接長度應大于15 cm，橫向不需搭接。

4)粘結材料要根據(jù)要求按比例稱量精確調(diào)配，不得估計，要利用電動攪拌器充分攪勻，并在有效時間內(nèi)使用;粘貼時要趕盡氣泡，不得有褶皺現(xiàn)象。

5)施工環(huán)境要整潔，尤其是裁剪織物和配制粘結劑時要在潔凈表面上進行，以免灰塵、油污、水等污染織物和粘結材料;應避開濕度過大的陰雨天施工。

6)施工人員要配備適當?shù)姆雷o用具和勞保用品，如手套、口罩、防風鏡等，以免粘結劑等材料對身體造成傷害;由于粘結劑屬易燃品，因此要配備防火器具，做好防火措施。

6 結語

碳纖維加固技術經(jīng)濟環(huán)保，對周邊環(huán)境影響小，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。經(jīng)加固補強的板橋在近兩年的使用過程中，碳纖維織物表面完整無損壞，沒有新的裂縫產(chǎn)生，也沒有裂縫發(fā)展的情況出現(xiàn)，達到了加固補強以及預防性養(yǎng)護的目的。

［1］蒙 云，盧 波.橋梁加固與改造［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］余 滿.碳纖維布在橋梁結構加固工程中的應用［J］.山西建筑，2013，39(14):162-163.