试论碳纤维材料在桥梁维修加固中的应用

林春茂

（广东省南粤交通投资建设有限公司揭惠高速公路管理中心广东揭阳　515300）

试论碳纤维材料在桥梁维修加固中的应用

林春茂

（广东省南粤交通投资建设有限公司揭惠高速公路管理中心广东揭阳515300）

从20世纪70年代开始，欧洲最开始将纤维材料使用在土木工程中，比强度和必刚度等都是极好的，现在已经被广泛用于混凝土结构中，逐渐形成了原有混凝土桥梁施工与纤维材料相结合的新技术。本文围绕以上内容对桥梁维修加固中碳纤维材料的应用展开进一步分析。

碳纤维材料；桥梁；维修加固

近年来因为受到多种因素的影响，现已建成的混凝土桥梁结构中已经出现了各种问题，这些问题中不乏一些事因为承载能力不足导致的，这些出现问题的混凝土桥梁中，多数通过改造可以使其结构受力性能得到提高，进而重新将其投入使用始终。在公路混凝土桥梁施工过程中经常使用粘贴钢板法，这种方法一般是通过环氧树脂或者专门结构胶将钢板直接粘贴在混凝土构件表面的，这样一来它们就会成为一个受力整体，使桥梁维修加固的效果更强。

1　材料基本特性

使用碳纤维材料补强加固的材料是高弹性或者高强度模量的连续碳纤维，将其单向排列成束，然后使用碳纤维或者没有经过树脂浸渍固话的碳纤维布，最后形成的就是碳纤维布。通过对片材专门制成的浸渍树脂或粘贴树脂的利用，将其加固在部件的表面，然后经过树脂固化之后与原构件二者形成一种新的受力复合体。

1.1碳纤维片材

就片材碳纤维材料本身来说，其拉伸强度在2400～3600MPa之间，与普通碳素钢板（240MPa）相比，拉伸强度要高很多。这种材料的弹性模量以为内片材的力学性能不同，可以将其分为三个不同的种类：即高模量、高强度以及中等模量，其中的高模量种类弹性模量更高，但是其伸长率却是较低的。与普通材料相比，碳纤维的单位重量要低很多，这直接说明了碳纤维片材是比较轻的，值得一提的是，碳纤维本身存在比较稳定的化学结构，同时不会受到各种化学介质和酸碱盐的腐蚀，此外，还具有非常好的耐热性和耐寒性。

1.2配套树脂类粘结材料

这种配套树脂系统系统主要包括：①底层涂料，这种材料用在混凝土表面，通过粘结形成一种长期的界面基础；②油灰主要用于对整个表面空隙进行填充，进而形成一个平整的表面，使得碳纤维材料的使用更加方便；③浸渍树脂主要用于碳纤维布粘贴，粘结树脂主要用于碳纤维板粘贴。使用这两种材料的目的在于粘结碳纤维片和混凝土构件，使二者形成一个统一的整体，进而共同参与工作。所以树脂与混凝土粘贴的强度要比混凝土的剪切强度以及拉伸强度高很多。针对碳纤维片材加固技术在公路混凝土桥梁工程中的应用来说，在不同施工环境温度之下，环氧树脂的固化性能都具有十分重要的意义，这主要与粘贴工作量和桥梁交通的中断时间有关。在公路混凝土桥梁使用环氧树脂材料，施工表面温度保持在10～40℃时，它的固化时间大于15h，粘贴之后可以对其使用的实践大于45min，同时环氧树脂材料的各种性能均能与混凝土桥梁加固工作相适应。

2　碳纤维片材加固的形式

碳纤维片材主要的用途是加固补强混凝土桥梁基本节点与构件，以期通过碳纤维片材的使用达到提高构件抗剪承载力、抗弯承载力以及受压构件轴向抗压承载力，同时提高构件的延性和构件的刚度。同时通过大量现场试验证明，通过碳纤维片材对混凝土构件进行加固，其裂缝宽度等问题均可以得到有效控制。因为碳纤维片材的质量轻切薄，同时柔度也比较好，所以在混凝土桥中相关部位的应用也比较灵活，因为碳纤维片材的碳纤维排列方向不同，同时拉伸强度也不同，一旦出现了碳纤维片材纤维向与受力方向相同，那么它的拉伸强度便是最高的，相反的，如果两个方向之间垂直，那么它的强度便是最低的。由此来看，通过碳纤维片材对公路桥梁进行加固设计时，一定要对纤维布的布置方向进行正确掌握。同时结合混凝土构件加固的计算，可以通过条带件或者连续式粘贴碳纤维片材的方式进行。大量实验研究表明，其中分条加固的效果远比整条布的加固效果要好的多。

3　粘贴碳纤维加固技术分析

3.1面层处理

存在于混凝土表面的游离石灰、粉刷层等劣化层必须通过砂轮机去除并研磨，通过空气喷嘴等去除砂轮机与毛刷之间待补强的粉尘以及松动物质，用水将其洗净之后，对其进行充分的干燥。

3.2断面修复

清除混凝土面层的孔隙、腐蚀等不良部分，如果存在钢筋外露的情形，一定要对其进行良好的腐蚀处理，然后用环氧树脂砂将材料（强度大于或者等于混凝土）进行修补。裂缝应用用环氧树脂进行灌注，裂缝的部分如果存在漏水的情形，应在第一时间将止水和导水等处理工作做好。

3.3表面修正

表面平整度凸出部分应该用砂轮机或者切割机将其铲除，而凹陷部分应该用环氧树脂对其继续拧填充，在转角处将其研磨至凸角为R=20mm以上，而凹角则用树脂砂浆对其进行填补。

3.4底层涂料

在温度小于5℃的雨天，或者在RH大于95%时是不能展开施工的，一旦施工环境的湿度和温度均得到确认之后，可以选用适当的底层涂料进行施工，同时应保证施工现场空气畅通，在施工过程中施工人员应穿戴口罩、橡胶手套等保护性装备。

3.5粘贴碳纤维片材

按照设计的尺寸将纤维贴片的大小裁好，将其长度和尺寸保持在2m的范围之内，为了避免碳纤维片材在保管期间出现破损，同时应注意裁剪的数量仅供需要使用的数量则可。施工过程中应通过指触的方式对施工面底漆的干燥程度进行确认，如果施工实践大于1星期，则应通过砂轮机对其进行磨平。

将环氧树脂硬化剂与主剂按照规定进行配比，让其放在拌合桶中，使用电动搅拌机对其进行搅拌2min，搅拌一次使用的量仅供使用即可，一旦超过可使用的量则不可使用。用毛刷滚轮将环氧树脂平均涂布底漆上，涂布的量应结合施工面粗糙程度而改变，同时应注意在转角的部分多涂。将强化纤维粘贴在树脂涂布面上之后，就可以用橡皮刮刀和毛刷滚轮顺着纤维的方向将其推平，去除树脂浸透中的气泡，保证纤维方向的搭接长度可以保证10cm，如果短一点则不必使用，粘贴之后将其放置30min，如果有纤维浮出或者脱线等情形出现，可以用滚轮或者险僻刮刀将其压平修正。指的注意的是，施工现场一定要保证空气畅通，严禁烟火，在施工过程中一定要穿戴口罩、橡皮手套等保护性装备。

4　结语

综上所述，现阶段我国多数工程中已经开始使用碳纤维片材和配套树脂类粘结材料，但是绝大多数材料均以国外进口为主，显少使用国产产品，这主要是由于国产产品与相关技术指标还存在一定差距，但是进口材料单价比较高，这一点往往会对技术与经济决策造成影响，因此应该通过先进技术提高国产产品质量，同时加强加固效果，使桥梁的经济性和正常运营效益得到保证。

[1]商志成.碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用问题探讨[J].长沙铁道学院学报（社会科学版），2009（2）：206～207.

[2]薛立建.碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用研究[J].交通世界（建养·机械），2011（11）：202～204.

[3]张显坤，张喜波，高海伟.碳纤维布在加固混凝土桥梁中的应用与研究[J].山西建筑，2008（7）：318～319.

[4]涂晓佩，张保敏，李重情.碳纤维材料在桥梁加固中应用的研究[J].上海建材，2008（2）：9～10.

[5]郑卫华，邓超.粘贴碳纤维布加固技术在桥梁维修加固中的应用[J].黑龙江交通科技，2013（12）：74+77.

[6]马建，孙守增，杨琦，赵文义，王磊，马勇，刘辉，张伟伟，陈红燕，陈磊，康军.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014（5）：1～96.

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1673-0038（2015）03-0152-02

2015-1-5

林春茂（1985-），男，助理工程师，本科，主要从事工程管理工作。