浅谈梁桥粘贴碳纤维加固法

2011-05-12李珂

中国新技术新产品 2011年9期

李珂

（商丘市公路管理局，河南商丘 476000）

碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强以提高构件的抗弯承载力，抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力，提高构件的刚度以及延性等。此外可用于控制混凝土构件裂缝宽度的发展。碳纤维片材（特别是碳纤维布）质量轻且厚度薄，具有一定柔度，可在混凝土桥的某些部位灵活粘贴加固，在梁桥加固施工中应用广泛。

1 施工材料

粘贴碳纤维加固法施工材料有以下几种：

1.1 碳纤维复合材料

加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度一般应达3550MPa，弹性模量为2.35105MPa。根据碳纤维布的品质不同，其厚度在 0.11～0.43mm，幅宽在 20～100cm，卷材长度为 50～100m。

1.2 粘结材料

粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键，也是两者之间传力途径中的薄弱环节。粘结材料应有足够的刚度与强度以保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应有足够的韧性以避免因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。粘结材料还应能在一般气候条件下固化，且固化时间合适（一般保证有3小时左右），对组分含量不敏感，具有适宜的流动性和粘度，固化收缩率小。粘结材料主要包括底涂胶、找平胶、浸渍树脂和罩面胶（见图1）等四种。

图1 粘贴碳纤维布的各层材料示意

（1）底涂胶：在处理好的混凝土表面上，涂一层很薄的底涂胶，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶接性能，使混凝土与碳纤维布能够更好的粘接。底涂胶必须具有很低的粘度，以及与混凝土良好的粘结性能，以便涂刷后，胶粘剂能渗入混凝土结构中。（为保证性能，应尽量避免使用溶剂型胶）

（2）找平胶：加固补强处的混凝土表面有锐利突起物、错位和转角部位等都可能降低碳纤维布补强效果。若经过基底处理仍未彻底清除，应在涂敷底层涂料指触干燥后，用找平胶进行找平。找平胶应具有优良的力学性能，以及良好的施工性能与触变性能。找平胶应易于施工操作，且不随时间的延长出现明显的变形。

（3）浸渍树脂（粘贴主胶：连接着底胶与碳纤维布，在粘结材料中起着至关重要的作用。浸渍树脂应具有一定的粘度，防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙；浸渍树脂应具有良好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象；浸渍树脂应具有良好的渗透性与相容性，以利于浸透碳纤维布，形成复合性整体，共同抵抗外力作用。

（4）防护涂装（罩面胶）：保证施工表面的美观和碳纤维布的完好无损。所选材料应能涂敷在碳纤维布表面，并不脱层，不掉落，能长期在冷热干湿的空气中稳定，防止复合材料被紫外线直接照射。

2 施工要求

粘贴碳纤维施工的具体要求有：

2.1 被加固构件的基面应平整且具有一定强度（一般基面混凝土强度不低于C15）。

2.2 加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接（特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固）；搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100mm，且搭接端部应平整无翘曲；多层搭接的各层接口位置不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。

2.3 应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。

2.4 粘贴施工应在气温高于5℃且为晴天时进行。

2.5 施工人员应穿工作服，戴防护口罩和手套；施工现场应保护良好的通风。

3 施工要点

粘贴碳纤维加固法具体施工工艺有以下几个方面：

3.1 施工前的准备：熟悉施工现场和被加固构件混凝土的实际情况，拟出施工大纲；提前准备好所需的纤维布、配套树脂、机具等工作。

3.2 混凝土表面的处理：用砂轮机清除和打磨混凝土表面的劣化层，凿除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等部分混凝土，并用修复材料将表面修复平整；在裂缝部分注入环氧树脂浆进行修补；基面的错位与凸出部分要磨平（可在锚固加强区每隔5cm刻痕一道，以加强粘贴效果），转角部位要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于2cm；清除工作面的灰尘并保持干燥。

3.3 清洗基面：用钢丝刷刷去表面松散浮渣，再用压缩空气除去粉尘；用丙酮或无水酒精擦拭表面，也可用清水冲洗，保证其充分干燥。

3.4 配制底层树脂并涂刷：按比例准确配制好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量在规定时间内用完（超过时间的绝不可使用，以确保粘接质量；用毛刷或特制将底层树脂均匀地涂抹在基面上，注意直横均匀涂抹，自然风干（冬季施工时胶的粘度较高，不能涂得太厚）；底胶硬化后，若表面有凸起部分，应用砂纸或磨光机打光；待底胶指触干燥后再进行下一道工序。

3.5 配制找平材料并整平：用找平胶填补粘贴面上的凹陷部位，消除棱角；用找平材料将转角处修复为光滑的圆弧；待找平胶指触干燥后再进行下一道工序。

3.6 配制粘结树脂

3.7 粘贴碳纤维布（碳纤维片）：待粘贴面上划出各层位置；按设计尺寸裁剪碳纤维布，根据现场施工经验和作业空间确定下料长度，若需接长时，接头的长度一般不小于15cm；裁剪好的纤维布必须呈卷状妥善摆放，不得展开平铺放置；配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位；粘贴碳纤维布时，应依设计位置由上而下，由左至右有秩序地粘贴，用一次性软毛刷或特制滚筒沿纤维方向多次涂刷，挤去气泡，并使浸渍树脂充分浸透纤维布，涂刷时不得损伤纤维布；多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面指触干燥时即进行下一层的粘贴；即时观察贴片是否粘贴密实，若发现有间隙或气泡，应及时处理。

3.8 罩面防护处理：粘贴完碳纤维布后，即时在最后一层的碳纤维布表面再直横均匀涂抹一层浸渍树脂，并使其自然风干；确保贴片表面已充分风干结合后，在其表面涂抹罩面胶或采取其它措施处理，以保证防护材料与原有纤维布之间有可靠的粘结及其各层胶的耐久性。

4 优缺点

与传统的加固方法相比，采用碳纤维布加固桥梁能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。

碳纤维布的自重仅为200－300g/m2，设计厚度为0.111～0.167mm，几乎不增加结构自重和截面尺寸，几乎不改变桥下的净空高度，而且碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足补强的要求，这一点比传统加固方式更加优越。粘贴碳纤维加固法具有良好的适应性，可适应不同构件形状，成型很方便，如对斜、弯、坡及异型结构的补强，碳纤维布因随型性极强，可以随结构外形变化任意施工，降低了施工难度，缩短了施工工期；又如当箱梁内部加固作业因空间受到限制，无法安置大型设备、模板、夹具或支撑等，使用该法，施工起来简单易行。加固时不必对原结构打孔和埋设锚固螺栓，因而对原结构不会造成新的损伤。粘贴碳纤维加固法具有良好的耐腐蚀性，寿命较长，可以在不利环境下使用，并便于养护。碳纤维会影响到受弯构件的破坏形态及其延性。

就目前来看，碳纤维材料价格偏高，加固时应进行经济技术比较；另外，粘贴碳纤维加固法对施工工艺要求很高，非专业施工单位难以承担。