碳纖維加固技術  

 

碳纖維質輕高強、耐腐蝕、抗老化，有着優異的力學性能。用其加固補強混凝土結構施工簡單便捷，在橋梁維修加固中得到廣氾的應用。 

　　一、碳纖維材料特性 

　　碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的製作工藝與特定的樹脂材料復合而製成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區。碳纖維材料具有優異的物理力學性能。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經編織而製成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用極少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。碳纖維布的抗拉強度標準值應大於3000Mpa，彈性模量大於2.1×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想最大限度地發揮材料自身的優勢，適宜將C（RP材料作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件，特別適用於純受拉構件，工程實踐也証明瞭這一點。目前，用於橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應力，約束裂縫的開展。 

　　二、在橋梁加固工程的應用 

　　1、工程概況 

　　G325廣南線那蒙大橋舊橋為T形鋼觔混凝土梁橋，大橋全長240.40m，橋面寬為12.50m，該橋上構為10*22.20m（鋼觔混凝土T梁）+10.00m（空心板梁），支座為板式橡膠支座。下部結構採用雙柱式墩，重力式橋台和雙柱式橋墩。伸縮縫為異型鋼伸縮縫，欄杆為鋼觔混凝土欄杆。 

　　（1）病害特征：T型梁腹板底面橫向裂縫、腹板側面豎向裂縫、斜向裂縫；底部鋼觔鏽蝕，混凝土保護層開裂剝落。 

　　（2）病害成因剖析：①T梁裂縫主要由外荷載引起的結構性（受力裂縫）。②底部鋼觔鏽蝕，混凝土保護層開裂剝落主要是由於砼施工質量造成的，砼破坏處顯示砼粗集料為卵石且質量欠佳導致砼與鋼觔粘結不夠密實。③因為有存在上述緣由的可能，加之大橋地處海洋性氣候中，愈發加快了病害的程度。 

　　（3）維修的必要性。因為大橋地處濱海，屬海洋性氣候，空氣中具有腐蝕性的鹽分較重，大氣中的腐蝕介質隨水分一同順顯露鋼觔進入而使主觔外表的鈍化層保護效果損失，構成主觔大麵積鏽蝕。鋼觔的鏽蝕產物的體積比原金屬體積增大2～4倍，由此而發生的鐵鏽脹大對鋼觔外的混凝土保護層的輻射壓力遠遠大於混凝土的抗拉極限強度，使混凝土保護層沿着鏽蝕的鋼觔構成順觔裂縫，這種順觔裂縫進一步成為腐蝕介質進入到主觔的通道，加快了主觔的腐蝕。 

　　另一方面，鋼觔在順觔裂縫中的鏽蝕速度往往要比顯露狀況更快，當混凝土外表的裂縫伸展到一定程度，主觔外的混凝土保護層則開端脫落，最終使T梁布局損失承載功能。 

　　為了保証大橋使用壽命不受到影響，有必要對現已鏽蝕的顯露鋼觔進行除鏽並防腐處治；同時，對厚度不夠的混凝土維護層選用化學防腐的辦法進行防護，以保証構件的正常承載。 

　　2、治理方案選擇 

　　（1）治理方案選擇。因為該大橋T型預應力鋼觔混凝土接連梁梁底部主鋼觔佈滿區域混凝土保護層厚度偏薄，加之大橋地處濱海，構件長時刻顯露運用於具有較強腐蝕性的海洋性大氣中，為了保証大橋主梁的使用壽命，對主梁底部主鋼觔佈滿區域選用碳纖維補強。 

　　（2）方案的可行性。碳纖維補強技術具有以下優點： 

　　①優異的力學性能，可有效用於多種形式的結構補強，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風，控制裂縫及撓度的擴展。 

　　②優異的化學穩定性。碳纖維布具有極強的抗酸、碱、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強結構對惡劣外部環境的適應能力，延長結構壽命。 

　　③材料本身質輕高強。可以不增加結構體積和不改變結構外型。增加的結構重量可以忽略，便於用所需要的色彩塗裝，而不留補強痕跡。 

　　④施工工序簡單，可用小型電動工具操作。工種少，用工少，工期短，進度快。更有資料表明能在持續交通有震動的情況下施工，而不影響補強效果，從而大大縮短了施工斷交時間，具有較大的經濟效益和社會效益。 

　　總之，本橋選用碳纖維來進行結構防腐與加固，是一種行之有用的新工藝、新工藝、新辦法。 

　　3、碳纖維片補強施工流程 

　　本工程碳纖維片補強施工流程為：構件表面處理→基底處理→塗底層塗料→刮膩子整平→塗下一層浸漬樹脂→粘貼纖維片→塗下一層浸漬樹脂→養護→防護塗裝。 

　　4、施工技術要點 

　　（1）基底處理： 

　　①清除被加固構件表面的剝落、疏鬆、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。 

　　②按設計要求對破損面鋼觔處理后用M45的環氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，並保証鋼觔保護層厚度不小於15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，並用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除乾淨，使構件加固表面平整、乾燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理並打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小於20mm.。 

　　（2）塗底膠：底膠的主劑和固化劑按規定的比例準確稱量，均勻慢速攪拌，並在可使用的時間內用完；塗底膠前必須將基面清理乾淨，並保持乾燥；塗刷必須均勻，底膠指處乾燥后再進行下一道工序。 

　　（3）粘貼面修整：整平材料必須按規定比例進行調配。修整時應進行多次找補。確保坑凹處填實填滿，不得有氣泡，表面有毛刺或糙紋時，用砂紙打磨一順；指處乾燥后進行下一道工序。 

　　（4）粘貼碳纖維片材：將配製好的浸漬樹脂均勻塗抹于所要粘貼的部位，並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，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重複上述步驟，待纖維表面接觸乾燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行塗刷粘結劑粘貼下一層。 　　（5）檢查驗收：施工結束后驗收時，以評定碳纖維布與混凝土之間的粘接質量為主，用小錘等工具輕敲擊碳纖維布表面，以回聲來判斷粘接效果，若出現空鼓等粘帖不實現象，用針管注膠進行補救。 

　　（6）防護塗層：該工序一方面起到防火和表面塗裝作用，另一方面也對碳纖維布加固層的外表面進行了密閉防護處理，從而避免碳纖維布的老化和遭受其它損傷，保証構件加固后的正常使用。 

　　5、施工應注意的問題 

　　（1）碳纖維片材選擇。碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。 

　　（2）碳纖維（片材）粘貼。 

　　①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。 

　　②按設計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小於150mm且不應小於100mm. 

　　③將碳纖維片材表面擦拭乾淨至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭乾淨。 

　　④擦拭乾淨的碳纖維片材應立即塗刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小於2mm. 

　　⑤將塗有粘結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壓實，使樹脂從兩邊溢出，保証密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小於5mm. 

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

　　⑦施工宜在5℃以上環境溫度條件下進行，並應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環境溫度低於5℃時，應使用適用於低溫的配套樹脂或採用升溫處理措施。 

　　⑧施工時應考慮環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大於4%。 

　　⑨樹脂配製時應按產品使用說明規定的配比稱量置於容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內不得有油污及雜質。宜根據現場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，並嚴格控制使用時間。 

　　⑩為了保証粘貼的質量，不同季節、不同溫度條件下，應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間和固化時間進行有效控制。 

　　三、結束語 

　　隨着我國交通事業的快速發展，公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由於各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。