碳纤维布在桥梁加固施工中的应用
2015-06-23
一、 碳纤维布加固的特点
碳纤维布加固原理是将碳纤维布，采用高性能的碳纤维配套树脂浸渍胶粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。与传统的粘钢法等其他加固工艺相比，采用碳纤维布加固桥梁具有以下几个方面的优点：
1、采用碳纤维布加固法不增加恒载及断面尺寸，不影响结构的外观，不减小桥下净空；碳纤维布的自重一般为150-450g/m2，厚度为0.111-0.167mm，对整个结构重量及桥下净空的影响微乎其微，可忽略不计。
2、可适应不同结构的外表尺寸，成型方便，特别对于斜、弯、坡及异型结构的加固，若采用传统的粘钢法等加固措施，施工难度大，而采用碳纤维布加固法，因碳纤维布的随型性极强，可以随结构外形变化任意施工。
3、对原结构不会产生新的损伤，碳纤维加固补强系采用配套树脂等粘结材料，不需要设置锚固螺栓和开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏。
4、碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性，由于加固只使用碳纤维布和配套树脂，因而具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能。
二、碳纤维布加固的主要材料要求
2、碳纤维布浸渍、粘结用胶黏剂必须采用专门配置的改性环氧树脂胶黏剂，其安全性能指标应满足：抗拉强度不小于40Mpa，抗压强度不小于70Mpa，受拉弹性模量不小于2500Mpa，伸长率不小于1.5%，与混凝土的正拉粘结强度不小于2.5Mpa，且为混凝土内聚破坏。
3、粘帖碳纤维布底胶和修补胶应与浸渍、粘结胶黏剂相适配，其安全性能指标应满足：与混凝土的正拉粘结强度不小于2.5Mpa，且为混凝土内聚破坏。
4、混凝土裂缝修补胶的性能应满足：抗拉强度不小于20Mpa，抗压强度不小于50Mpa，受拉弹性模量不小于1500Mpa，在规定压力下能注入宽度0.1mm裂缝。
5、压条钢板采用Q345-C级钢，屈服强度345Mpa，抗力强度470-630Mpa；压条钢板的连接采用M16锚栓，要求为6.8级高强合金钢锚栓，抗拉强度标准值600Mpa。
三、工程实例
1、工程概况
西汉高速跨西余铁路大桥位于西汉高速公路K1124+642，桥长566米，为28-20米预应力混凝土连续箱梁，下部结构为双柱式墩，埋置式桥台，钻孔灌注桩基础，设计荷载为汽车-超20，挂车-120，2002年12月建成通车。经过近10年的使用，该桥局部出现箱梁梁底、翼缘板、腹板纵向裂缝等病害，为确保桥梁的使用安全，运营单位决定进行加固维修。
2、主要方案
主要采用裂缝修补和粘贴碳纤维布的方案。一是对箱梁底板、腹板、翼缘板纵向裂缝病害进行裂缝处理。处理原则为：0.1-0.15mm（不含0.15）宽度裂缝进行表面封闭处理，0.15mm及以上宽度裂缝进行注胶处理。二是对箱梁腹板竖向裂缝病害，在梁底和梁腹板同时粘贴碳纤维布，梁底粘贴3层，宽度1m，长度8-10m，碳纤维布对称于跨中粘贴；梁腹板两侧粘贴2层纵向碳纤维布，宽度0.25m，长度10m。
四、碳纤维布加固施工工艺
1、施工技术要点
（1）混凝土表面处理
清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层；被加固构件表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。并用修复材料将表面修复平整；应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理；表面打磨后，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）配制并涂刷底层树脂
按产品生产厂提供的工艺规定配制底层树脂；采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。宜在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
（3）粘贴面找平处理
使用找平材料找平，宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
（4）碳纤维布剪裁
按设计规定尺寸剪裁碳纤维布，切记必须满足设计尺寸，严禁斜切碳纤维布，并防出现拉丝现象；保证剪裁后的碳纤维布方向与粘贴部位的方向一致；剪裁成型的碳纤维布注意保护洁净不受污染。
（5）配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂
配制粘结剂前应仔细阅读其使用说明书；按粘贴面积确定每次用量，以防失效浪费；严格按重量比计量使用配制；按厂家配合比和工艺要求进行配制。搅拌应顺时针一个方向搅拌，直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入；调制好的粘结剂抓紧使用。
（6）粘贴碳纤维布
粘贴碳纤维布前应对混凝土表面再次擦拭，确保粘贴面无粉尘；混凝土表面涂刷结构胶，必须做到涂刷稳、准、匀的要求，即：稳，刷涂用力适度，尽量不流不坠不掉；准，涂刷不出控制线；匀，涂刷范围内薄厚较一致；碳纤维布粘贴时，同样要稳、准、匀，核心要求做到放卷用力适度，使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅；滚压碳纤布必须从一端向另一端滚压，不宜在一个部位反复滚压揉搓，滚压中让胶渗透纤维布，做到浸润饱满。碳纤维布需要搭接时，必须满足规范要求≥100mm；多层粘贴时，应在碳纤维布织物表面指触干燥后立即进行下一层的粘贴。
碳纤维布粘贴顺序：先粘贴腹板2层碳纤维布，然后粘贴底板碳纤维布和压条碳纤维布，再粘贴U型箍碳纤维布。
（7）中横隔板位置碳布连接处理
先对横隔板钢板压条位置进行打磨，保证钢板与混凝土结合面密贴，钻螺栓孔，清孔后插入螺杆，在螺杆与孔壁间注入胶黏剂。碳纤维布在穿过螺杆时可将纵向纤维布分向螺杆两侧，不得截断纵向纤维。两层碳布粘贴完成后，在碳布和钢板结合面上抹胶黏剂，将钢板压在碳布表面，同时拧紧螺栓两侧的螺帽对钢板加压，同时轻敲钢板表面，检查钢板下胶黏剂的饱满程度，若出现空洞应重新粘贴。
（8）罩面防护处理
粘贴完碳纤维布后，及时在其表面再均匀涂抹一层浸渍树脂，自然风干；确保帖片表面已充分风干后，在其表面涂抹一层聚合物砂浆进行封闭防护。
（9）钢板及螺栓防腐处理
粘贴剂完全固化并对碳纤维布粘贴密实性检查完后，对钢板外露表面和侧面部分用钢丝刷进行除锈，直至露出金属光泽；在钢板和螺栓表面涂刷3道防锈漆。
2、施工注意事项
（1） 由于碳纤维用胶最适宜的温度在20～25℃，施工前，每天测量气温3次，视气温高低，适当调整施工日期。如果确需在较低温度下施工时，必须采取相应的加温养护措施，如用紫外线灯烘烤等措施来进行施工。
（2）碳纤维布为导电材料，施工碳纤维布时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。
结语
由于桥梁设计过程中受远期规划、施工等因素的影响，目前国内许多现有桥梁已不能满足使用要求，需要进行现状评估、加固处理等。粘贴碳纤维布加固技术是结构性加固技术，对于桥梁的安全运行致关重要。实践证明，碳纤维布加固桥梁工程的优越性是非常明显的，在土木工程加固补强中具有广泛的应用前景。
