碳纤维复合材料在公路桥梁加固中的应用

谭振东

（邢台市高速公路管理处， 河北 邢台 054001）

1 碳纤维材料的优点

作为一种力学性能优异的新材料， 碳纤维的比重不到钢的1／4， 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3 500MPa以上， 是钢的7～9倍， 抗拉弹性模量为23000～43000MPa， 亦高于钢。 因此， CFRP的比强度（材料的强度与其密度之比） 可达到2 000MPa／（g／cm3） 以上， 而A3钢仅为59MPa／（g／cm3） 左右。CFRP的比模量也比钢高。 随着科技的进步， 这种材料已逐渐由航空航天及国防领域扩展到公路桥梁补强加固领域。

与传统的钢筋、 水泥等材料相比， 碳纤维材料具有以下优点：

（1） 强度高（是钢铁的5倍）；

（2） 出色的耐热性 （可以耐受2 000℃以上的高温）；

（3） 出色的抗热冲击性；

（4） 低热膨胀系数（变形量小）；

（5） 热容量小（节能）；

（6） 比重小（钢的1／5）；

（7） 优秀的抗腐蚀与辐射性能。

与钢筋混凝土等传统加固方法相比， 碳纤维材料加固法的优点表现为：

（1） 施工速度快， 对交通影响小；

（2） 加固完成后不增加结构自重；

（3） 构件截面变化小， 加固后不改变桥梁原有的通航（通行） 能力；

（4） 施工工艺简单， 造价低， 节约投资成本。

碳纤维布加固施工要求施工人员具备一定的专业技术知识与丰富的碳纤维加固施工经验， 工程管理者应精心组织， 科学控制从施工准备、 混凝土表面处理、 配制并涂刷底层树脂、 配制找平材料并对不平整处进行找平处理、 配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂、 粘贴碳纤维布， 到最后表面防护的每一道施工工序。

2 碳纤维材料的施工

2.1 基底表面处理（见图1）

图1 表面处理

基底表面处理注意事项如下：

（1） 施工时， 温度要求高于5℃、 低于35℃，混凝土表层含水率不大于4%、 相对湿度小于85%，如遇雨天混凝土表面结雾或有水分， 则应用热风机将潮湿部位表面处理至干燥后方可施工；

（2） 对加固区域的裂缝采取一定的修补技术进行封闭处理；

（3） 清除被加固构件表面的剥落、 疏松、 蜂窝、 腐蚀等劣化混凝土， 对加固区域进行平整打磨， 并用丙酮反复清洗， 除去表面油污、 浮尘等杂质， 露出混凝土结构层， 并按照混凝土修补的相应技术进行修补；

（4） 对基面经过剔凿， 处理锈蚀露筋可能出现的急剧凹陷或构件缺损部位， 用环氧树脂砂浆将材料填补修复平整或圆滑顺畅过渡， 以确保结构件表面平整美观； 对基面尖锐凸起的部位 （混凝土构件交接部位、 模板段差等） 用混凝土磨片角磨机磨平凸起的转角， 对于可能存在的混凝土模板接头处的阶梯状错位， 可用混凝土磨片角磨机进行倒角处理， 打磨至圆滑（R≥20mm）。

2.2 底胶涂刷

底胶涂刷中要注意如下事项：

（1） 用特制滚筒将底胶均匀、 无遗漏地涂在所需补强的混凝土表面， 底胶涂布面的边界应不小于所粘贴碳纤维布的面界， 做到不漏涂， 无流淌、 无气泡等；

（2） 待底胶凝胶指触干燥 （据常温下在1h左右） 后， 检查表面有无突起毛刺， 如有则用砂纸打磨光顺， 但不能打穿；

（3） 底胶固化后应尽快进入下一道工序， 若涂刷时间超过7d， 应清除原底胶， 用角磨机磨除， 重新涂刷。

2.3 涂找平胶找平

找平胶是一种用粘结胶加适量作为触变剂的矿物调制而成的腻子。 涂找平胶找平的注意事项如下：

（1） 底胶指触干燥后， 检查表面层， 若发现粘贴表面上有缺损、 坑洼、 凹陷拐角、 模板接头等出现高度差的部位， 应用找平胶进行刮填修补， 保证粘贴表面无明显高度差、 缺损、 坑洼平缓顺畅， 并将凹陷拐角处填补成R≥20mm的圆角过渡；

（2） 找平材料的调制和使用注意事项与底胶相同， 即等找平材料固化 （常温下1h左右） 干燥后，如发现平整表面有突起毛刺， 则应用砂布打磨光顺。

2.4 浸渍树脂粘贴碳纤维布（见图2）

图2 粘贴碳纤维布

树脂粘贴碳纤维布的浸渍应注意如下事项：

（1） 按照设计要求的尺寸和现场构件的实际尺寸裁剪碳纤维布并编号， 放好样， 粘贴方向严格按照设计要求进行；

（2） 根据粘结胶的标准用量， 计算出所涂布面积的需用量， 视现场气温、 湿度等实际情况， 确保在适用期内一次用完；

（3） 按粘贴胶使用说明的规定比例将粘结胶主剂和固化剂置于配胶容器中， 用电动搅拌器搅拌均匀；

（4） 用特制的滚筒将粘接胶均匀、 无遗漏地涂于选定的混凝土表面， 粘贴胶涂布面不小于所粘贴碳纤维布的大小；

（5） 在已涂好粘结胶的混凝土表面铺覆碳纤维布， 搭接部位应按纤维的方向进行搭接， 搭接长度不小于10cm， 各层之间的搭接部位不得位于同一条线上， 而必须错开至少50cm；

（6） 用滚筒在碳纤维布上沿着纤维方向施加压力并反复滚压， 直至粘结胶渗出碳纤维布的外表面， 滚压时由下向上， 由内而外， 由中间向两边，以去除气泡和多余的树脂， 使碳纤维布充分浸润胶料并与底层充分粘接；

（7） 对需要进行多层粘贴的， 重复以上步骤，但需在碳纤维布表面指触干燥时， 方可进入下一层粘贴施工；

（8） 粘贴指触干燥后， 仔细检查， 如发现气泡，则用注射针管注入树脂， 确保密实面积大于95%。

2.5 自然养护

自然养护时要注意如下事项：

（1） 每处施工完成后， 自然养护24h内应确保不受外力硬性冲击等干扰；

（2） 每道工序施工过程中及完工后， 均应采取适当措施保证不受污染或雨水侵袭。

2.6 结构表面防护处理

对结构粘贴碳纤维布表层进行保护涂装 （即浸渍树脂） 主要指涂刷混凝土保护漆加强防水处理。

3 粘贴碳纤维布施工安全和注意事项

粘贴碳纤维布施工安全和注意事项主要包括：

（1） 避免基材表面温度与环境温度相差太大，以防止粘贴后产生“露”， 保证湿度≤85%；

（2） 粘贴碳纤维布时要从单幅宽度的一侧向另一侧进行， 且粘贴时一定要精细， 将气泡消除， 确保加固效果；

（3） 用消泡滚滚压碳纤维布时， 可以向一个方向， 也可以从中间向两个方向滚动， 但不允许来回反复滚动， 以免损伤碳纤维， 影响粘贴质量。

“工欲善其事， 必先利其器”， 要确保加固质量， 突出碳纤维的性能优势， 首要任务是把好原材料的质量关， 使用符合现行国家标准 《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》 （GB／T 3354） 中各项力学性能指标的碳纤维材料， 具体如表1～表4所示。

表1 碳纤维复合材料安全性及适配性检验合格指标

表2 底胶的主要性能指标

表3 修补胶的主要性能指标

表4 浸渍/粘结用胶安全性检验合格标准

4 结语

碳纤维材料在公路桥梁加固工程中的应用， 是桥梁加固工程领域的一项重大技术革新， 它从根本上打破了传统思维， 开创了公路桥梁加固施工的新方法， 因而值得推广。

[1] GB/T 3354—1999， 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S].

[2] JTG/T J23—2008， 公路桥梁加固施工技术规范[S].

[3] 刘月莲， 林有贵， 等. 公路桥梁养护管理与维修加固[M]. 北京： 人民交通出版社， 2009.