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橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)與應(yīng)用

（一）前言

中國橋梁工程的發(fā)展已具有相當(dāng)規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負(fù)荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國20世紀(jì)80年代以前修建的，因其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀(jì)80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)募庸毯透脑旒夹g(shù)措施，恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應(yīng)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)男枰兊檬制惹小?、粘接破壞，在達(dá)到正截面極限承載力前，碳纖維片材與混凝土產(chǎn)生剝離破壞。

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時(shí)，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢，適宜將CFRP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。1、安裝錨固底座本加固方法需要在梁底安裝錨固底座，用于固定碳纖維板張拉系統(tǒng)。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應(yīng)力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝

1、根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理

(1)將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；

(2)裂縫修補(bǔ)。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；

(3)將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結(jié)露可能而無可靠保證措施時(shí)，均不得施工。

3、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)

(1)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填平，修復(fù)至表面平整；

(2)內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填補(bǔ)使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運(yùn)輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時(shí)，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養(yǎng)護(hù)

粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點(diǎn)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。

2、按設(shè)計(jì)要求對破損面鋼筋處理后用環(huán)氧樹脂裂縫膠進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。粘貼碳纖維布的位置與設(shè)計(jì)要求的位置中心偏差不應(yīng)大于10毫米，長度負(fù)偏差不應(yīng)大于15毫米。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時(shí)，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時(shí)即進(jìn)行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。加壓張拉至設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力值的30%，檢測錨行程位移是否對應(yīng)預(yù)張拉時(shí)的刻錄線。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。

（五）注意事項(xiàng)

1、碳纖維片材選擇注意事項(xiàng)

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。待調(diào)整好平整度后，將碳纖維布的兩端固定在錨固板上，取下另一段的錨固板，放置在干凈的塑料布上，以便于在梁上涂刷浸漬膠。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項(xiàng)

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。

②按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時(shí)，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時(shí)，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應(yīng)對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。

⑨樹脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。

⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制。

（六）對碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望

碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時(shí)間不長，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點(diǎn)：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設(shè)計(jì)厚度0.111mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計(jì)；

3、能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；

4、可以多層粘貼?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，在一個部位重疊粘貼。

（七）結(jié)束語

隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車?yán)锍桃苍诓粩嘣鲩L，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強(qiáng)度降低或需要提高抗震能力和修補(bǔ)橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

淺談?wù)迟N碳纖維布橋梁加固法碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是近年來在發(fā)達(dá)國家興起的一項(xiàng)新型加固技術(shù)， 該項(xiàng)技術(shù)是將碳素纖維這種纖維應(yīng)用于土木工程， 利用樹指類材料把碳纖維粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面， 形成復(fù)合材料體 CFRP， 通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作， 達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。3、碳纖維布加固的施工簡便、已操作，不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料等，在一定程度上縮短了加固施工工期。

施工要點(diǎn)

（1） 碳纖維布應(yīng)按順序依次粘貼于工作面， 并用手輕壓， 采用專業(yè)的消泡輥順纖維方向從中間向兩邊或沿一邊多次輥壓， 擠出氣泡， 使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布。

（2） 粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整， 除去表面浮塵和油污， 露出混凝土結(jié)構(gòu)新面， 轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧， 圓弧半徑不小于 20mm， 對于混凝土表面凹陷部位應(yīng)用找補(bǔ)材料填補(bǔ)平整。

碳纖維布加固有哪些特點(diǎn)

1、碳纖維這種材質(zhì)天生優(yōu)點(diǎn)就是比較輕，所以這樣在加固施工中直接用手工就能完成粘貼加固工作，還有它在施工過程中操作起來特別簡單，既然操作簡單而且加固效果又好，所以碳纖維布加固方法被廣泛運(yùn)用到加固工程中。

2、碳纖維布是一種特殊的合成材料，其有一特點(diǎn)就是很好避免潮濕帶來的侵蝕性，很多加固施工環(huán)境較為潮濕大部分不適用植筋加固，所以碳纖維布加固這一優(yōu)點(diǎn)可以很好的被利用到這種特殊情況。

3、碳纖維布加固的另一特點(diǎn)就是很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，不僅方便施工還能具有強(qiáng)的加固作用。

碳纖維布加固舊橋有什么特點(diǎn)

1、施工簡便

特別是當(dāng)箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時(shí)，碳纖維布加固方法是可選擇的一種方法。該法工藝簡便，無需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐，操作起來簡單易行，施工時(shí)所需工作面小，施工作業(yè)空間不受限制。

2、適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型方便

斜、彎、坡及異型結(jié)構(gòu)的額補(bǔ)強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度極大，采用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)法，因碳纖維布具有隨形性極強(qiáng)的特點(diǎn)，可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期，能產(chǎn)生巨大的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1、不影響結(jié)構(gòu)的外觀

碳纖維布的厚度很薄，粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原有結(jié)構(gòu)外環(huán)顏色一致的涂料，因?yàn)椴挥绊懡Y(jié)構(gòu)的外觀。

2、能有效地封閉混凝土裂縫

碳纖維布粘貼在混凝土表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，其高強(qiáng)模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成與擴(kuò)展，改變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成分散的細(xì)微裂縫，從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。

3、對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損害

碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)采用環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料進(jìn)行粘貼，不需要設(shè)置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會對已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞，同時(shí)還能避免鉆孔時(shí)與結(jié)構(gòu)內(nèi)原有鋼筋和預(yù)應(yīng)力所發(fā)生沖突而引起的新的問題。

6、碳纖維布具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性

碳纖維布是一種復(fù)合材料，幾乎無腐蝕性和磁性，并且具有較好的耐熱性，不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕，而且當(dāng)應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時(shí)，其壽命也較長。所以碳纖維加固法，在不利環(huán)境下較其他方法更能顯出其優(yōu)越性。