淺談碳纖維補強法及其在公路橋梁加固中的運用
2011-05-12 來源：筑龍網(wǎng)
本文從碳纖維補強法的加固原理、加固形式、性能特點及其優(yōu)越性等方面，對該工法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并將該工法運用于京津塘高速公路橋梁維修加固施工中，得到業(yè)主及相關(guān)部門極高的好評。
一、 引言
改革開放的30年來，我國的土木工程建設(shè)迎來了飛速發(fā)展歷史時期，整個中國幾乎成了一個大的建設(shè)工地，新的高樓大廈、展覽中心、鐵路、公路及橋梁、港口、航道及大型水利水電工程，在祖國大地上，如雨后春筍般地涌現(xiàn)，發(fā)展之快、數(shù)量之巨，令世界各國驚嘆不已。另一方面隨著工程數(shù)量的增加，越來越多的建筑進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，例如：上世紀(jì)90年代初建設(shè)的公路橋梁，由于當(dāng)初建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，加上長時間高負(fù)荷使用，很多橋梁均出現(xiàn)不同程度的破壞，橋梁維修工程量增加同樣迅速，傳統(tǒng)的維修工藝已經(jīng)無法滿足現(xiàn)狀需要，這就要求出現(xiàn)技術(shù)上更新穎、操作上更便捷、經(jīng)濟(jì)效益上更優(yōu)的新的加固工藝，本文將介紹一種新型加固施工工藝—碳纖維補強法及其橋梁加固中的運用。
二、 碳纖維補強法的加固原理
碳纖維是在幾千度的高溫下經(jīng)特殊工藝制造的一種高科技產(chǎn)品，碳纖維片是將碳纖維浸漬樹脂，用特殊工藝制成的纖維定向排列的復(fù)合片材，它具有高強輕質(zhì)，抗腐蝕，耐老化，物理性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，其拉伸強度約為鋼材的7~8倍，碳纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成為碳纖維增強復(fù)合材料片材（Carbon Fiber Reinforced Plastics Plastics或polymer，簡稱C碳纖維），將片材用專門配置的環(huán)氧樹脂粘貼在結(jié)構(gòu)受拉面，樹脂固化后與原結(jié)構(gòu)形成新的受力復(fù)合體，碳纖維片即可與鋼筋共同受力，由于碳纖維片分擔(dān)了荷載，就降低了鋼筋的應(yīng)力，而使得結(jié)構(gòu)得到加固補強。
三、 公路橋梁常見的碳纖維補強形式
1、 抗彎補強
碳纖維片貼在受拉一側(cè)，即跨中的下部和連續(xù)板、連續(xù)梁、懸臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘帖。由于碳纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時延伸率小于鋼筋，故在結(jié)構(gòu)受力時先行受力，隨荷載逐漸增加達(dá)到兩者變形協(xié)調(diào)時，兩者共同受力并按一定比例分配，往往在補強前或者因原有鋼筋銹蝕造成截面積不足，或因超載原有鋼筋應(yīng)力過大，補強后碳纖維分擔(dān)了拉力，使鋼筋應(yīng)力大大降低，結(jié)構(gòu)承載力得以提高?？箯澭a強時，可以根據(jù)受力需要貼一層至多層，還可以用高彈性模量片材，補強效果更顯著。
2、 抗剪補強
通常是梁靠近端部主拉應(yīng)力較大的區(qū)域或有次梁或較大集中荷載作用的部位，補強時在梁的兩側(cè)面豎向粘貼，或與梁底形成U形環(huán)包，相當(dāng)于增加抗剪箍筋以分擔(dān)原箍筋的剪力。
3、 抗疲勞補強
公路橋梁及橋面板，采用粘貼碳纖維片以提高其結(jié)構(gòu)的疲勞抗力。
四、 碳纖維補強法的性能及優(yōu)越性
碳纖維加固補強混凝土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)方式的特點和優(yōu)越性，是混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)補強技術(shù)的一個新發(fā)展，碳纖維補強技術(shù)的特點和優(yōu)越性可以歸納如下：
1、 施工簡便迅速
用碳纖維片修復(fù)補強混凝土結(jié)構(gòu)只需將被修補部位的混凝土表面修補打磨平整，表面潔凈，涂刷特定的環(huán)氧樹脂，然后粘貼碳纖維片，不需任何夾具、模板和支撐施工既簡便又迅速。
2、 基本不增加結(jié)構(gòu)重量
碳纖維片的重量僅200g~300g/m2，設(shè)計厚度0.111~0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量仍然很輕，對結(jié)構(gòu)自重的影響甚微，可忽略不計。
3、 能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補強
碳纖維片的厚度很薄，可以裁剪成所需形狀，順應(yīng)結(jié)構(gòu)的外形粘貼在混凝土表面，如變截面梁、曲線梁，均可方便地粘貼。
4、 可以多層粘貼
根據(jù)補強設(shè)計的要求，碳纖維片可以在一個部位重疊粘貼，即貼一層后上面再貼一層，連續(xù)貼很多層，充分滿足補強的要求。
5、 能有效地封閉混凝土的裂縫
碳纖維片粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，碳纖維片高強度高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成和擴展，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。
6、 不影響結(jié)構(gòu)的外觀
碳纖維片的厚度很薄，粘貼固化后表面還可以涂刷與原結(jié)構(gòu)顏色一致的涂料，而不影響結(jié)構(gòu)的外觀
7、 耐久性好
碳纖維片和環(huán)氧樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性能都非常好，耐酸、堿和鹽類的腐蝕，還可以防水，在重復(fù)荷載作用下的疲勞性能也優(yōu)于金屬及混凝土材料，可長期經(jīng)受核輻射和紫外線輻射，在-54度~82度溫度環(huán)境條件下使用，強度不降低，經(jīng)加速老化試驗推算，可歷時40年性能不變，且在表面涂裝后，其耐久性將更為突出。
五、 碳纖維補強法在實例工程中的運用
（一）實例工程簡介（2009年京津塘高速公路T梁維修加固工程）
京津塘高速公路金鐘路高架橋位于天津市宜興阜鎮(zhèn)境內(nèi)，全長3740米，其上部結(jié)構(gòu)采用先張預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，由于橋梁超載運行，造成橋梁出現(xiàn)不同程度的梁體開裂病害，為保證橋梁正常使用安全，針對裂縫大于0.25mm的梁體在梁側(cè)面及底面采用粘貼碳纖維片進(jìn)行補強。
（二）碳纖維修復(fù)補強技術(shù)施工工藝
在碳纖維片加固施工前，應(yīng)盡可能地卸去部分荷載，使碳纖維粘貼施工時結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承受的荷載作用減小到最小程度。其施工工序為：基底處理，涂底層涂料，找平處理，碳纖維片裁剪，粘碳纖維片，養(yǎng)護(hù)，涂裝，完工驗收。
1、混凝土表面處理
1）清除梁體表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。
2）梁體鋼筋露出部位采用鋼絲刷進(jìn)行防銹處理，對于較大面積的劣質(zhì)層混凝土在鑿除后采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)，并養(yǎng)護(hù)三天。
3）將梁體表面打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。并用環(huán)氧樹脂砂漿將表面修復(fù)平整。
4）表面打磨后，應(yīng)用強力吹風(fēng)器或吸塵器將表面粉塵徹底清除，并保持干燥。
2、 涂底層涂料
1）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放入容器內(nèi)，用攪拌器攪拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時間內(nèi)用完。
2）用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后（一般養(yǎng)護(hù)3~24小時）才能進(jìn)行下一道工序的施工。
3）底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類似結(jié)露的露珠一樣）要用砂布或角磨機磨平。
3、粘貼面找平處理
1）按產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提供的配比規(guī)定配制找平材料。
2）混凝土表面修補選用丙酮將表面浮塵擦去，有凹陷處，應(yīng)使用修補膠找平；有段差或轉(zhuǎn)角部位，應(yīng)抹成平滑曲面。
3）轉(zhuǎn)角處采用找平材料修理成為光滑的圓弧，半徑不應(yīng)小于20mm。
4）用刀頭寬度≥100mm的刮刀對凹坑實施填塞修補、找平，找平程度按眼觀目測無明顯的刮板或刮刀痕跡紋路平滑為準(zhǔn)。
5）在找平材料表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。
4、碳纖維布（板）剪裁
1）按設(shè)計規(guī)定尺寸剪裁碳纖布，切記必須滿足設(shè)計尺寸，嚴(yán)禁斜切碳纖布，并防出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。
2）保證剪裁后的碳纖維方向與粘貼部位的方向一致。
3）剪裁成型的碳纖維注意保護(hù)潔凈不受污染。
5、粘貼碳纖維片
1）樹脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器用攪拌器均勻攪拌，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用的時間內(nèi)完成。
2）纖維片材長度方向的接頭必須搭接10cm以上，該部位應(yīng)多涂樹脂，脫泡、樹脂操作按正常進(jìn)行，在片材寬度方向不需要搭接。
3）貼片前用滾筒刷均勻地涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂，稱為下涂。貼片時，在纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣?？捎昧_拉（專用工具）沿纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹脂滲浸進(jìn)纖維中。
4）纖維片施工30分鐘后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂，稱為上涂。如需多層粘貼則重復(fù)此階段之（1）~（4）步驟，并保證底層粘貼的碳纖維片上涂已指觸干燥，才能粘貼下一層。
5）最后一層碳纖維的上涂應(yīng)涂刷均勻，周邊整齊。
6、養(yǎng)護(hù)
碳纖維片施工后，應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證養(yǎng)護(hù)期間的溫度不低于環(huán)氧樹脂允許使用溫度。養(yǎng)護(hù)期一般在1~2周內(nèi)。
7、表面涂裝
在粘貼后的碳纖維表面涂刷基于環(huán)氧基底的涂料進(jìn)行裝飾。
8、完工驗收
用小錘輕擊，檢查空鼓，無空鼓或只有少量小空鼓（＜3cm）便視為合格，對于較大空鼓（≥3cm）或較多的小空鼓應(yīng)進(jìn)行灌膠（注入TR樹脂）處理。
（三）碳纖維修復(fù)補強施工注意事項
1、氣溫在5度以下、相對濕度RH＞85%、混凝土表面含水率在8%以上、有結(jié)露的可能時，無有效措施不得施工。
2、由于碳纖維片為電的良導(dǎo)體，應(yīng)使其遠(yuǎn)離電源。
3、施工用各種樹脂遠(yuǎn)離明火，并避免陽光直射。
4、施工及檢查人員應(yīng)穿防護(hù)工作服，佩戴口罩、手套、防護(hù)眼鏡等防護(hù)用品。
5、施工現(xiàn)場通風(fēng)狀態(tài)良好。
6、當(dāng)樹脂粘附在皮膚上時，應(yīng)立即用肥皂水沖洗，濺入眼內(nèi)用清水清洗干凈。
（四）工程效果檢驗
經(jīng)過碳纖維片補強后，金鐘河高架橋梁體開裂病害得到有效的控制，梁體承載能力符合日常車流量要求，該施工工藝在補強梁體結(jié)構(gòu)受力的同時，確保了正常交通的通行，獲得了業(yè)主及相關(guān)部門的一致好評，為碳纖維片補強法在舊橋加固中運用樹立了好的典范。
六、 結(jié)論與展望
碳纖維材料是新近發(fā)展起來的高科技產(chǎn)品，以其卓越的性能將有廣闊的應(yīng)用前景，利用碳纖維材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的工藝以其優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能以及便捷高效的施工特點正在為越來越多的人所親睞，碳纖維補強法施工工藝將會在公路舊橋加固、房建、工程事故處理等領(lǐng)域中，得到更為廣泛的應(yīng)用。
