桥梁工程加固中应用碳纤维的初探
2016-02-29
1.引言
随着桥梁使用年限的增加及负荷的日趋增大，加上一些桥梁因设计不周、施工缺陷等原因而导致混凝土结构损坏，已不能正常运行，急需进行维修、加固。近几年，碳纤维加固技术得到了迅速的发展，这种方法不但有效，而且施工简便，具有很大的研究和应用价值，因而得到了工程界的日益重视。
2.碳纤维材料特点
碳纤维又称增强复合材料 （简称CFRP），20世纪中晚期的时候，由西方发达国家联合研制成功。当时主要应用于航天行业中，后来随着技术的推行，在80年代，利用于土木工程建筑中，经过10年的发展已在90年代的时候成为建筑行业中的重要建筑材料之一。碳纤维加固最近的国标是《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008，08年10月1日起执行。碳素纤维作为划时代的补强材料，而备受青睐和关注。特点：（1）抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍。（2）重量轻，密度只有普通钢材的1/4。（3）耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏。（4）施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。（5）适用范围广，混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。可大幅度提高构件的承载能力、抗震性能和耐久性能。
碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种，目前常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。
3.碳纤维加固的工艺过程与具体步骤
3.1工艺过程
工艺原理：将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维）；用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。
工艺流程可以归纳为： 施工准备、砼表面处理、涂刷底胶、构件表面残缺面修补、粘贴碳纤维、表面养护、找平材料配置、底层或树脂配制、浸渍树脂配制。
3.2具体步骤
为了保证其对工程主体的加固和修补作用，主要需要利用相应的技术手段，来实现对碳纤维的加固施工进程的规范化。下面几个具体步骤在实际施工进程中应当给予重点关注。
（1）施工准备工作：熟习施工图；根据不同的施工现场和施工要求的分析，对整体施工的用料选择具有非常重要的现实意义，一样，使用碳纤维作为工程的加固手段，一样需要进行相应的前期工作准备。（2）混凝土构件表面处理：利用这类方式对工程主要构件进行加工的时候，应当对施工构件的表面进行一定程度的清洁，对残留部份和松脱部份，应当保证完全剔除。保证粘贴表面的坚固性是粘贴碳纤维的主要要求；露筋的锈块等杂物的清算一样重要。需要做相应的防锈处理，只有这样处理以后，对裂缝进行相应的修补和加固才能够起到预期的效果；混凝土表面的浆楞、模板缝均须打磨平整；对混凝土的表面水份控制一样具有非常重要的作用，只有表面含水量保持在百分之6以下的时，才能够到达工程的预计强度加固的目标；对加工环境的温度和适度的控制一样非常重要，环境的特点是对粘贴碳纤维工程施工以后的保养工作的主要工作要求。（3）配制并涂刷树脂结构胶：粘贴碳纤维作为加固工具的时候，需要有相应的环氧树脂胶作为粘贴材料。环氧树脂胶的使用对施工中粘贴碳纤维在建筑构件表面的作用是显而易见的，现阶段主要利用的粘结剂是环氧树脂，因此，对该粘接剂的使用技术成为碳纤维技术的实际利用进程中，需要我们给予重点关注的重要方向。实际利用中，通经常使用环氧树脂作为底层粘接剂，固化剂100：18进行配置。为了保证相应的粘接强度，需要底层粘接剂完全渗透到表面构建的混凝土中。实际操作中表明，粘度上应当重点考核在不构成垂流也保证完全深入的条件下进行调配。（4）粘贴碳纤维布：构件表面经过相应的清洁处理以后，再使用调配好的树脂结构胶，将根据要求裁剪好的碳纤维布料进行粘接。手工粘贴进程中，应当用手轻轻粘贴于构件表面上，利用专用滚筒来实现气泡的排除。这1进程应当屡次重复，从而保证树脂结构胶能够完全的和碳纤维布料充分的结合。同时，在实际操作中应当注意不要伤及布料表面，多层粘贴以后，屡次重复上述步骤，终究实现对工程构建的粘贴和加固，保证工程整体稳定程度。（5）表面防护及碳纤维布表面处理：一般养护时间为1-2周，固然，可以根据施工环境的特点适当延长或缩短。根据当时温度的不同，来进行操作和检查，固化树脂结构以后，应该根据实际需求在碳纤维表面刷一层防晒漆或防火漆，来保证工程的整体安全性。
4.桥梁工程加固中应用碳纤维的技术要点
4.1碳纤维（片材）加固处理要点
在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按科学的施工工序进行加固施工。主要是：（1）破损面混凝土表面处理：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。（2）按设计要求对破损面钢筋处理后用M45的环氧树脂砂浆进行灌缝或封闭处理，并保证钢筋保护层厚度不小于15mm.利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.（3）涂刷底层树脂：用专用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。（4）找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。（5）粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。（6）在最后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。（7）必要时进行表面防护及外观处理。
4.2注意事项
（1）碳纤维片材选择注意事项：碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。（2）碳纤维（片材）粘贴注意事项：①在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。②按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm.③将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。④擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm.⑤将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm.⑥需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。⑦施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。⑧施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4%。⑨树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。⑩为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。
5.结语
总之，桥梁维修加固是一项社会工程，对提高桥梁承载能力、行车性能及延长使用寿命，促进公路交通事业的可持续发展有着重要的意义。实践证明，碳纤维是一种加固效果明显、施工简便、造价低的桥梁加固技术，能很快恢复和提高桥梁承载能力，改善其使用性能，在旧桥加固中具有广泛的应用前景。随着我国高等级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，都可以应用碳纤维布补强技术。
