碳纤维及芳纶纤维在桥梁加固中的推广应用

于 野

(黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司)

0 前言

桥梁绝大部分是可能通过加固改造而继续使用的，碳纤维加固修补结构技术是一处新的，结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于钢筋混凝土表面，以达到对结构及构件加固站强养护的目的，碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于20世纪80年代美，日等发达国家，我国起步较晚，应大力研究推广应用。

1 碳纤维片材料的材料性能

碳纤维是具有优越的物理力学性质的新材料，也是目前性能最好，用途最多的增强纤维，在木土工程结构补强中，使用较多的碳纤维增强塑料是碳纤维片材。目前，在我国应用最多的是日本生产的碳纤维片。

(1)碳纤维片材的物理机械性能。钢筋设计抗拉强度为240～550 MPa，高强度碳纤纤片材提高了钢筋的屈服荷载，减少了钢筋内的消力，高模量碳纤维进一步提高警惕服荷载，可减少片材的使用层数。

(2)耐久性。经加速暴露的试验证实，碳纤维片的强度和粘着性有在相当于50年的时间内不发生劣化。环氧树脂粘结料在核辐射试验中可经受20年，通过红外线分光法试验，确认内部环氧树脂完好无损。

2 碳纤维材料在桥梁结构加固中的应用及施工工艺流程

2.1 具体应用

(1)抗弯拉补强。在受拉区及连续板梁，悬臂板梁支座的上部，沿受力筋方向粘贴碳纤维片，根据受力需要进行设计，确定粘贴层数，若应用高弹性模量片村，补强效果更显著，由于碳纤维片弹性模量比钢筋稍大，受力时延伸率小于钢筋。

(2)抗剪补强。通常是在梁靠近端部主拉应力较大的区域或较大集中荷载作用的部位，补强时在梁的两侧面竖向粘贴，或与梁底形成U形环包，相当于增加抗剪箍筋以分担原箍筋的剪力，必要时可交就粘贴单向碳纤维片。

(3)中心受压补强。用碳纤维在构件中部横向环包，增强混凝土的约束，提高抗压强度。

(4)偏心受压构件。在构件受弯拉的侧面沿柱轴纵向粘贴，可有效补强。

(5)抗震性能补强。在地震或台风的横向力作用下，柱端弯矩和剪力都很大，可以纵向粘贴和环包同时进行，既提高构件贲向侧力，又改善能量吸收性能。提高结构和延性，使结构抗侧向力能力显著提高。

(6)涵洞，隧道及衬砌侧修补。由于环向压力不均匀造成横断面各方位应力产生纵向受力不均匀造成横断面各方位应力异常而产生纵向受拉裂缝，甚至衬砌剥落，以及由于地基沉降不均匀造成的纵向错位，都可以采用混凝土局部填补，置换和碳纤维片补强联合应用的方法。

(7)封闭及防护功能。粘贴碳纤维片可将结构裂缝封闭，较宽较深的裂缝还可以在贴片前用环氧树脂灌缝进行封闭，从而控制裂缝的进一步扩展，阻止水分渗入引起钢筋锈蚀，还能增强抗腐蚀性能。

2.2 碳纤维片补强施工的工艺流程

(1)混凝土构件的表面处理。将混凝土表面的疏松，脆裂等缺陷清除达到表面坚实，露筋的锈块，脆裂等缺陷清除达到表面坚实，露筋的锈块，锈皮均须清除，必要进须做防锈处理，对混凝土表面宽度小于0.2 mm的裂缝，用环氧树脂涂抹封闭，宽度大于0.2 mm的裂缝，需用环氧树脂灌。对混凝土表面残缺部分用高于原混凝土强度等级的砂浆或混凝土修补夹带，并将混凝土表面的风化劣化层，浮浆，油污等清理干净，混凝土表面的浆楞，模板段差，直角等带有棱角的地方应打磨圆滑夹带，将存留在表面的粉未清除干净，保持被修补表面的彻底清洁。

(2)除底层界面剂。在处理好的混凝土表面涂刷环氧树脂底层涂料，使底层树脂渗入到混凝土中，增加粘结力。

(3)构件表面的残缺修补。底层涂料涂刷面涂刷环氧树脂底层涂料，使底层树脂渗入到混凝土中，增加粘结力。

(4)构件表面的残缺修补。底层涂料涂刷后，用环氧腻子将混凝土表面的孔隙修整。再在其表面涂刷一层粘结树脂，贴片工序操作的技术性很强，有严格的操作堆积和质量控制标准，以确保粘贴的质量。

(5)养护。粘贴工作完成后，通常在自然条件下养护1～2周，视温度条件而定。

(6)涂装。补强完成后，碳纤维片的表面可视需要涂刷各种性能和不同颜色的涂装，增强补强的效果。

3 芳纶纤维加固补强的施工程序

(1)材料进场。混凝土芳纶纤维的加固补强一般用以下几种材料，芳纶纤维，浸渍树脂，底胶。

(2)芳纶纤维是一种轻质高强，抗冲击性能好，耐腐蚀性好以及非导电性的复合材料，芳纶纤维的抗拉强度在实际施工中中的是芳纶纤维布，芳纶纤维布是将纤维按同一方向排列编制而形成的片材。

(3)浸渍树脂浸透芳纤维。使纤维组合成板状整体，具有一定强度，并使之粘贴在混凝土表面，一般情况下，浸渍树脂是环养树脂系列，是常温裂化型的主剂和硬化剂的混合体。保管方法:存放地方要求通风，避光，且无水份及灰尘。

(4)底胶是非溶剂性低粘度的环氧树脂。涂在混凝土表面，能够浸透构件表面，确保混凝土与纤维布及浸渍树脂有高度的粘结力。不同混凝土强度对于底胶的粘结力要求也不同，随着混凝土强度的提高，混凝土与芳纶纤维的粘结力强度也不断提高，施工时选用的底胶是环氧树脂系二组液态混合物。

4 修补墩柱裂缝及表面处理

混凝土表面如果不经表面处理，芳纶纤维与混凝土的结合性会降低，而达不到应有的补强效果，因此，混凝土在补强前必须对混凝土表面进行处理。

(1)桥裂缝严重。(2)对墩进行处理。凿掉部分破损及空洞的混凝土，向裂缝内灌注环氧树脂胶，同时对钢筋外漏处，应对钢筋进行除锈处理，然后用水泥砂浆修补平整。(3)对全桥墩柱进行打磨处理，必须清除墩柱表面浮浆及凹凸不平处，施工时模板拉缝处的错台也要进行整平处理，直到漏出细骨料为止，用湿布擦试墩柱表面，有油腻部分应用丙酮清洗。(4)涂底胶。按产品说明书的使用方法按比例调配底胶，充分搅拌使其混合均匀，每次调和的树脂要尽可能在规定时间内完成，调配底胶时必须带保护眼镜，口罩，手套等安全工具，并注意安全，注意防火。

涂底胶时的施工要点(1)涂底胶前要确认混凝土的一有面干燥，潮湿状态下，要进行干燥处理。(2)底胶在指触硬化前，外界温度若在5度以下，要采取适当的保温措施或者采用低温型底胶。(3)因为底胶提高浸渍树脂的粘结性，所以用滚筒或毛刷将底胶干燥后，要用环氧类腻子进行整平处理，使芳纶纤维布紧贴在混凝土表面。

5 粘贴芳纶纤维布

(1)打墨线:按照芳纶纤维布，在墩柱混凝土表面打出粘贴的标准线。

(2)混凝土表面状态的鉴定。看底胶表面是否附着水分及灰尘，如果有应及时采取措施除去。底胶含有机溶剂时，指触即可确定干燥程度，若指触不干，则可采取升温措施，加速底胶硬化。

(3)拌和浸渍树脂。把浸渍树脂的主剂和硬化剂按一定比例放入容器，人工按同一方向均匀搅拌，搅拌之后，树脂之后含有大量气泡，应待气泡减少后再使用。

(4)涂底层浸渍树脂。用滚动毛刷浸渍树脂均匀涂在混凝土表面，树脂用量按照说明书标准规定使用。

(5)粘贴芳纶纤维布。芳纶纤维布按图进行粘贴，应注意是否有气泡及其他残留物，用滚筒滚压芳纶纤维布，使其与混凝土紧密结合。

(6)涂外层浸渍权脂。底层的浸渍树脂浸透纤维布后，外层还要再涂一遍树脂，底层的浸渍树脂浸透维布的纺织方向均匀地涂抹树脂，同时应注意除去残留气泡，使纤维布和里外树脂结成一体。

(7)涂外层浸渍树脂。底层的浸渍树脂浸透纤维布后，外层还要再涂一遍树脂，同时应注意除去残留气泡，使纤维布和里外树脂结成一体。

(8)养护。树脂初期硬化时表面若附着水分，会出现不良硬化层，为防止水分附者，用PVC膜覆盖养护。硬化过程中，若雨水侵蚀墩柱混凝土表现面树脂，则应对基进行处理，用专用冲淡剂登记去硬化层，然后再进行下一步施工。

6 结束语

我国公路建设已逐渐进入养护改建阶段，大量桥梁构造物需要加固补强，以适应交通量增长的需要。碳纤维以其较突出的优点著称，我们只有在实际施工中不断应用，不断提高，才能更好地发挥它的作用。