碳纤维布在桥梁加固中的应用

李志虎

(河北保津高速公路有限公司)

1 碳纤维材料(CFRP)介绍

碳纤维材料(carbon fiber reinforced polymer)是一种新型复合材料，它具有高强、高性能、质量轻、耐腐蚀、耐久性好等特点。碳纤维丝由3 000至12 000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于一根头发丝，这种高性能材料早在20世纪60年代就应用于航天工业，随后在运动器材中也开始得到应用，应用于土木工程则是日本于20世纪90年代初期用于混凝土结构的修复补强。碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品，碳纤维补强的基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合材料片材。将片材用专门配制的环氧树脂粘贴在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维即可与钢筋共同受力，由于碳纤维片分担了荷载就降低了钢筋的应力，从而使结构得到加固补强。我国是1996年才开始对碳纤维结构加固技术进行研究，两年后应用于工程实践。

2 碳纤维布加固施工技术

根据中国工程建设标准化协会组织编制的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》，碳纤维用于混凝土结构进行加固修复，主要使用碳纤维片材，配套树脂类结合材料及表面防护材料，碳纤维片材即为碳纤维布和碳纤维板的总称，碳纤维布在使用前不浸润树脂，只是在施工时才用高性能的环氧树脂类结构胶粘剂粘结在混凝土构件的表面上，利用碳纤维布良好的拉伸强度达到增强构件承载力及刚度的目的，而碳纤维模式板材则是在使用前浸润树脂并使其固化成板状，施工时再用树脂将其粘贴于结构表面。在桥梁加固工程中，碳纤维布的采用量最大，技术也日趋成熟。

2.1 碳纤维布加固的施工步骤

施工准备→混凝土表面处理→底层树脂配制→找平材料配制并对不平整处修复处理→树脂涂刷→粘贴碳纤维片材→表面防护。

2.2 各步骤的施工要点

2.2.1 表面处理

(1)消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，并用修复材料将表面修复平整。

(2)按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。

(3)被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨或圆弧状，圆弧半径不应小于20 mm。

(4)将混凝土表面清理干净并保持干燥。

2.2.2 底层树脂配制涂刷

(1)配制底层树脂。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。

(2)用滚筒将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面触指干燥时即进行下一步工序施工。

(3)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。

2.2.3 找平处理

(1)混凝土表面凹陷部位用找平填补平整，且不应有楞角。

(2)待找平材料表面指触干燥时，即进行下一步工序施工。

2.2.4 粘贴碳纤维布

(1)在粘贴碳纤维布前，应按加固设计部位放线定位并按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。

(2)用特制的滚筒从中间向两侧进行多次的滚压，挤出气泡，并使树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。

(3)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。

(4)在最后一层的碳纤维布的表面均匀涂沫浸渍树脂。

3 碳纤维布加固技术的优越性

(1)自重轻、厚度薄。

碳纤维的比重为1.8 g/cm3仅为钢的1/4，每层厚度小于1 mm基本不增加结构自重及截面尺寸，因而对结构产生的附加荷载较小。

(2)抗拉强度高、贴合率高、施工质量易保证。

经实验测试碳纤维布的抗拉强度在3 600 MPa以上，是普通碳素钢板(240 MPa)的10多倍，可以充分提高构件的承载力。同时未固化的碳纤维布是柔软材料，因此即使构件表面不太平整，也能保证100%的贴合率，这是实现碳纤维布与原构件共同受力的重要保证。施工后发现气泡时也易于处理，同粘贴钢板相比施工质量易保证。

(3)抗腐蚀、耐久性好。

碳纤维布的化学结构稳定，耐各类介质的腐蚀，使经过补强和维修的构件具有极强的抗酸、碱、盐和防水能力，可以大大增强构件对恶劣外部环境的适应能力，延长构件寿命，这是粘贴钢板方法不可比拟的。

(4)施工便捷。

由于碳纤维材料密度小，下料切割方便，其加固施工具有良好的可操作性，不需要大型施工机械和重型设备，也不需要太大的作业空间，占用的场地也较小，而且进度快、工期短，更能在持续有振动的情况下操作，不用截断交通，从而大大提高施工效率。

［1］ 公路养护技术规范(JTJ073-96)［S］.

［2］ 高速公路养护管理手册［M］.人民交通出版社.

［3］ 张立科.浅谈碳纤维结构加固.

［4］ 陈小军.混凝土桥梁加固用碳纤维复合材料的选材和应用.