浅谈碳纤维补强法及其在公路桥梁加固中的运用
2011-05-12 来源：筑龙网
本文从碳纤维补强法的加固原理、加固形式、性能特点及其优越性等方面，对该工法进行了详细阐述，并将该工法运用于京津塘高速公路桥梁维修加固施工中，得到业主及相关部门极高的好评。
一、 引言
改革开放的30年来，我国的土木工程建设迎来了飞速发展历史时期，整个中国几乎成了一个大的建设工地，新的高楼大厦、展览中心、铁路、公路及桥梁、港口、航道及大型水利水电工程，在祖国大地上，如雨后春笋般地涌现，发展之快、数量之巨，令世界各国惊叹不已。另一方面随着工程数量的增加，越来越多的建筑进入养护期，例如：上世纪90年代初建设的公路桥梁，由于当初建设标准低，加上长时间高负荷使用，很多桥梁均出现不同程度的破坏，桥梁维修工程量增加同样迅速，传统的维修工艺已经无法满足现状需要，这就要求出现技术上更新颖、操作上更便捷、经济效益上更优的新的加固工艺，本文将介绍一种新型加固施工工艺—碳纤维补强法及其桥梁加固中的运用。
二、 碳纤维补强法的加固原理
碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造的一种高科技产品，碳纤维片是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列的复合片材，它具有高强轻质，抗腐蚀，耐老化，物理性能稳定等诸多优点，其拉伸强度约为钢材的7~8倍，碳纤维补强的基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成为碳纤维增强复合材料片材（Carbon Fiber Reinforced Plastics Plastics或polymer，简称C碳纤维），将片材用专门配置的环氧树脂粘贴在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维片即可与钢筋共同受力，由于碳纤维片分担了荷载，就降低了钢筋的应力，而使得结构得到加固补强。
三、 公路桥梁常见的碳纤维补强形式
1、 抗弯补强
碳纤维片贴在受拉一侧，即跨中的下部和连续板、连续梁、悬臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘帖。由于碳纤维片弹性模量比钢筋稍大，受力时延伸率小于钢筋，故在结构受力时先行受力，随荷载逐渐增加达到两者变形协调时，两者共同受力并按一定比例分配，往往在补强前或者因原有钢筋锈蚀造成截面积不足，或因超载原有钢筋应力过大，补强后碳纤维分担了拉力，使钢筋应力大大降低，结构承载力得以提高。抗弯补强时，可以根据受力需要贴一层至多层，还可以用高弹性模量片材，补强效果更显著。
2、 抗剪补强
通常是梁靠近端部主拉应力较大的区域或有次梁或较大集中荷载作用的部位，补强时在梁的两侧面竖向粘贴，或与梁底形成U形环包，相当于增加抗剪箍筋以分担原箍筋的剪力。
3、 抗疲劳补强
公路桥梁及桥面板，采用粘贴碳纤维片以提高其结构的疲劳抗力。
四、 碳纤维补强法的性能及优越性
碳纤维加固补强混凝土结构具有很多优于传统方式的特点和优越性，是混凝土结构修复补强技术的一个新发展，碳纤维补强技术的特点和优越性可以归纳如下：
1、 施工简便迅速
用碳纤维片修复补强混凝土结构只需将被修补部位的混凝土表面修补打磨平整，表面洁净，涂刷特定的环氧树脂，然后粘贴碳纤维片，不需任何夹具、模板和支撑施工既简便又迅速。
2、 基本不增加结构重量
碳纤维片的重量仅200g~300g/m2，设计厚度0.111~0.167mm，加上环氧树脂的重量仍然很轻，对结构自重的影响甚微，可忽略不计。
3、 能适应各种结构外形的补强
碳纤维片的厚度很薄，可以裁剪成所需形状，顺应结构的外形粘贴在混凝土表面，如变截面梁、曲线梁，均可方便地粘贴。
4、 可以多层粘贴
根据补强设计的要求，碳纤维片可以在一个部位重叠粘贴，即贴一层后上面再贴一层，连续贴很多层，充分满足补强的要求。
5、 能有效地封闭混凝土的裂缝
碳纤维片粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维片高强度高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成和扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
6、 不影响结构的外观
碳纤维片的厚度很薄，粘贴固化后表面还可以涂刷与原结构颜色一致的涂料，而不影响结构的外观
7、 耐久性好
碳纤维片和环氧树脂的化学稳定性能都非常好，耐酸、碱和盐类的腐蚀，还可以防水，在重复荷载作用下的疲劳性能也优于金属及混凝土材料，可长期经受核辐射和紫外线辐射，在-54度~82度温度环境条件下使用，强度不降低，经加速老化试验推算，可历时40年性能不变，且在表面涂装后，其耐久性将更为突出。
五、 碳纤维补强法在实例工程中的运用
（一）实例工程简介（2009年京津塘高速公路T梁维修加固工程）
京津塘高速公路金钟路高架桥位于天津市宜兴阜镇境内，全长3740米，其上部结构采用先张预制T梁结构，根据现状调查，由于桥梁超载运行，造成桥梁出现不同程度的梁体开裂病害，为保证桥梁正常使用安全，针对裂缝大于0.25mm的梁体在梁侧面及底面采用粘贴碳纤维片进行补强。
（二）碳纤维修复补强技术施工工艺
在碳纤维片加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维粘贴施工时结构和构件承受的荷载作用减小到最小程度。其施工工序为：基底处理，涂底层涂料，找平处理，碳纤维片裁剪，粘碳纤维片，养护，涂装，完工验收。
1、混凝土表面处理
1）清除梁体表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。
2）梁体钢筋露出部位采用钢丝刷进行防锈处理，对于较大面积的劣质层混凝土在凿除后采用环氧砂浆进行修复，并养护三天。
3）将梁体表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm。并用环氧树脂砂浆将表面修复平整。
4）表面打磨后，应用强力吹风器或吸尘器将表面粉尘彻底清除，并保持干燥。
2、 涂底层涂料
1）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完。
2）用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面，指触干燥后（一般养护3~24小时）才能进行下一道工序的施工。
3）底层涂料指触干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般类似结露的露珠一样）要用砂布或角磨机磨平。
3、粘贴面找平处理
1）按产品生产厂家提供的配比规定配制找平材料。
2）混凝土表面修补选用丙酮将表面浮尘擦去，有凹陷处，应使用修补胶找平；有段差或转角部位，应抹成平滑曲面。
3）转角处采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径不应小于20mm。
4）用刀头宽度≥100mm的刮刀对凹坑实施填塞修补、找平，找平程度按眼观目测无明显的刮板或刮刀痕迹纹路平滑为准。
5）在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
4、碳纤维布（板）剪裁
1）按设计规定尺寸剪裁碳纤布，切记必须满足设计尺寸，严禁斜切碳纤布，并防出现拉丝现象。
2）保证剪裁后的碳纤维方向与粘贴部位的方向一致。
3）剪裁成型的碳纤维注意保护洁净不受污染。
5、粘贴碳纤维片
1）树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器用搅拌器均匀搅拌，一次调和量应在可使用的时间内完成。
2）纤维片材长度方向的接头必须搭接10cm以上，该部位应多涂树脂，脱泡、树脂操作按正常进行，在片材宽度方向不需要搭接。
3）贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂，称为下涂。贴片时，在纤维片和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉（专用工具）沿纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使树脂渗浸进纤维中。
4）纤维片施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂，称为上涂。如需多层粘贴则重复此阶段之（1）~（4）步骤，并保证底层粘贴的碳纤维片上涂已指触干燥，才能粘贴下一层。
5）最后一层碳纤维的上涂应涂刷均匀，周边整齐。
6、养护
碳纤维片施工后，应进行养护，保证养护期间的温度不低于环氧树脂允许使用温度。养护期一般在1~2周内。
7、表面涂装
在粘贴后的碳纤维表面涂刷基于环氧基底的涂料进行装饰。
8、完工验收
用小锤轻击，检查空鼓，无空鼓或只有少量小空鼓（＜3cm）便视为合格，对于较大空鼓（≥3cm）或较多的小空鼓应进行灌胶（注入TR树脂）处理。
（三）碳纤维修复补强施工注意事项
1、气温在5度以下、相对湿度RH＞85%、混凝土表面含水率在8%以上、有结露的可能时，无有效措施不得施工。
2、由于碳纤维片为电的良导体，应使其远离电源。
3、施工用各种树脂远离明火，并避免阳光直射。
4、施工及检查人员应穿防护工作服，佩戴口罩、手套、防护眼镜等防护用品。
5、施工现场通风状态良好。
6、当树脂粘附在皮肤上时，应立即用肥皂水冲洗，溅入眼内用清水清洗干净。
（四）工程效果检验
经过碳纤维片补强后，金钟河高架桥梁体开裂病害得到有效的控制，梁体承载能力符合日常车流量要求，该施工工艺在补强梁体结构受力的同时，确保了正常交通的通行，获得了业主及相关部门的一致好评，为碳纤维片补强法在旧桥加固中运用树立了好的典范。
六、 结论与展望
碳纤维材料是新近发展起来的高科技产品，以其卓越的性能将有广阔的应用前景，利用碳纤维材料进行结构加固的工艺以其优越的力学性能、良好的化学稳定性能以及便捷高效的施工特点正在为越来越多的人所亲睐，碳纤维补强法施工工艺将会在公路旧桥加固、房建、工程事故处理等领域中，得到更为广泛的应用。
