碳纤维布在旧桥加固改造工程中的应用

陈俊义

（福建省建筑科学研究院）

碳纤维布在旧桥加固改造工程中的应用

陈俊义

（福建省建筑科学研究院）

本文结合工程实例，主要针对五里亭立交桥不同程度的裂缝状况进行分析，并采取对裂缝压浆和封闭、碳纤维布的施工工艺技术，成功实施对裂缝钢筋混凝土的加固处理，并取得了良好的效果。

碳纤维布；特点；桥梁加固；施工工艺；裂缝处理

前言

随着我国经济的高速发展，国家对于公路建设的投入力度明显加大。我国许多中小桥梁均受到车辆行驶的影响，产生了桥梁结构病害，对桥梁的正常使用造成严重影响。为满足现代交通发展，必须补强加固现役的病桥和旧桥。而钢筋混凝土结构的碳纤维是采用高性能复合材料外部粘钢加固技术的结构，该技术是高性能碳纤维应用于土木工程，利用浸渍胶把碳纤维粘贴在结构或构件的表面，与结构或构件的共同工作，加强和提高结构构件的受力性能。通过笔者近年来做过的碳纤维布加固项目进行总结。

1　工程概况

福州市五里亭立交桥为环形结构，上部主梁为钢筋混凝土箱梁结构。五里亭立交桥为三层立交桥，桥梁标准总宽分别为16m、8.5m、8m，跨数共计164跨，竣工于1994年3月。

在本次桥检中，五里亭立交桥大部分箱梁在底板出现较多横向裂缝，甚至典型墩跨呈0.3～0.5m均匀分布，且裂缝从底板往腹板延伸，最大裂缝宽度超过0.2mm。裂缝主要表现为横向受力裂缝，主要原因是混凝土自身收缩徐变与过桥车辆流量大，载重车过多及车辆超载。

2　裂缝主要病害现状

全桥桥墩及箱梁的编号说明，分为东西南北线四个方向匝道桥，按与连接的桥台侧开始编为0#台，1#墩……的顺序递增。以下列出部分桥跨典型裂缝：

2.1W1匝道东线12#-13#墩间箱梁检查（见图1）

（a）12#-13#间东侧距20#墩5.4m处有横向裂缝最大宽度为0.25mm，长度1.2m；

（b）12#-13#间东侧距20#墩5.6m处严重漏水，流白灰；

（c）12#-13#间西侧距20#墩8.8m处有横向裂缝最大宽度为0.16mm，长度1.0m；

（d）12#-13#间西侧距20#墩8.2m处有横向裂缝最大宽度为0.20mm，长度0.8m；

（e）12#-13#间西侧距20#墩8.5m处漏筋，流白灰；

（f）12#-13#间西侧距20#墩8.8m处有横向裂缝最大宽度为0.20mm，长度1.0m。

2.2南线6#-7#墩间箱梁检查（见图2）

6#-7#间距6#墩7.0m，距7#墩7.5m满布横向裂缝最大宽度为0.25mm，长度全跨布置延伸到翼缘板上面。

2.3西线13#-14#墩间箱梁检查

图1　12#-13#墩间裂缝

图2　6#-7#墩间裂缝

（a）13#-14#间距13#墩4.5m处有横向裂缝最大宽度为0.20mm，长度2.5m；

（b）13#-14#间距13#墩8.4m处有横向裂缝最大宽度为0.18mm，长度1.4m；

（c）13#-14#间距13#墩9.6m处有横向裂缝最大宽度为0.16mm，长度1.6m；

（d）13#-14#间距13#墩11.5m处有横向裂缝最大宽度为0.15mm，长度1.6m。

图3　10#-11#墩间裂缝

3　碳纤维布、钢筋应力-应变曲线图

结构加固中使用碳纤维布的目的就是提高既有结构的承载能力，增加既有结构的延性（对于抗震结构，在加固设计中即增加延性）。

图4　

由碳纤维布、钢筋应力-应变曲线图，可知使用碳纤维布加固能充分减少既有结构变形、降低既有结构应力、减少裂缝（改善结构状态），满足墙、柱变位、楼板开洞等建筑功能变化引起结构变化的可行性（改变结构体系）。

4　碳纤维布粘帖加固材料要求

4.1碳纤维材料要求

（1）碳纤维用的纤维必须为连续纤维，其品种和性能必须符合下列要求：

①承重结构加固的碳纤维，必须选用聚丙烯基（PAN基）12K或12K以下的小丝束纤维，严禁使用大丝纤维。

②承重结构加固的玻璃纤维，必须选用高强度的S玻璃纤维或含碱量低于0.8%的E玻璃纤维，严禁使用A玻璃纤维或C玻璃纤维。

（2）结构加固用的纤维复合材的安全性能指标必须符合相关规范的要求。纤维复合材的抗拉强度标准值应根据置信水平= 0.99、保证率为95%的要求确定。

（3）对符合规范安全性能指标要求的纤维复合材或板材，当它与其它改性环氧树脂胶粘剂配套使用时，必须按下列项目重新做适配性检验，且检验结果必须符合Ⅰ级的规定。主要包括抗拉强度标准值；仰贴条件下纤维复合材与混凝土正拉粘结强度；层间剪切强度。

（4）承重结构的现场粘贴加固，严禁使用单位面积质量大于300g/m2的碳纤维织物或预浸法生产的碳纤维织物。

4.2胶粘剂材料要求

（1）承重结构用的粘胶剂，必须进行安全性能检验。检验时，其粘结抗强度标准值应根据置信水平C=0.90、保证率为95%的要求。

（2）浸渍、粘贴纤维复合材的胶粘剂必须采用专门配置的改性环氧树脂胶粘剂，其安全性能指标必须符合A级的规定。沉重结构加固工程中不得使用不饱和聚酯树胶、醇酸树脂等作浸渍、粘结胶粘剂。

（3）对箱梁底板粘贴碳纤维布采用的胶粘剂，其钢-钢粘结抗剪性能必须经湿热老化检监合格，胶粘剂必须通过现场检验。承重结构用的胶粘剂中严禁使用乙二胺作改性环氧树脂固化剂，严禁掺加挥发性有毒溶液和非反应性稀释剂。

（4）对使用胶粘方法或掺有聚合物加固的结构、构件，尚应定期检查其工作状态。第一次检查时间不应迟于10年。

5　裂缝修补与碳纤维布粘帖加固

（1）大部分箱梁在底板出现较多横向裂缝，甚至典型墩跨呈0.3～0.5m均匀分布，且裂缝从底板往腹板延伸，最大裂缝宽度超过0.2mm。裂缝主要表现为横向受力裂缝，主要原因是混凝土自身收缩徐变与过桥车辆流量大，载重车过多及车辆超重，五里亭立交原设计标准为汽-20级，而当前桥跨实际承受的公路活载远超该标准。五里亭立交于1994年建成通车。由于设计、施工于20世纪90年代，采用的相应规范己进行修正，本维修设计采用原规范进行设计，特别是荷载等级仍维持原设计标准。

本次加固改造仅限于主梁顶升以及主梁裂缝修补与碳纤维布粘帖加固。

加固材料：①A级裂缝封闭胶。②A级裂缝灌注胶（如JGN系列）。③碳纤维采用I级300g碳纤维。④配套结构胶采用A级胶。

（2）钢筋混凝土露筋处理施工技术要求：

首先对钢筋混凝土露筋锈蚀钢筋周围的原构件混凝土存在的缺陷清理至密实部份，并将构件表面凿毛，要求凿成麻坑或沟槽，并尽量减少原主钢筋周围混凝土的握裹力的损失，对钢筋进行喷砂除锈，为了保证新老混凝土之间能良好的粘结，在钢筋和其周围的混凝土上涂抹一层水泥砂液，浆液应仔细地刷进混凝土内并均匀地刷到钢筋上。在这些浆液涂抹后尚未凝固时，采用界面剂，涂抹高标号M40的复合砂浆，把钢筋混凝土的露筋修补好，恢复到原设计的外观。

混凝土结构表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。采用界面剂，涂抹高标号M40的复合砂浆，把钢筋混凝土的露筋修补好，恢复到原设计的外观。

①基层处理：将原混凝土表面碳纤维布剥除，并对原混凝土粘结面进行打磨，直至露出结构面层，并用丙酮清洗干净。

②涂底胶。a.按一定比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用搅拌器搅拌均匀，根据现场实际气温决定用量，并严格控制使用时间。b.用滚桶刷或毛刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，厚度不超过0.4mm，并不得漏刷或有流淌，气泡等胶固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2h），再进行下一道工序。

③用找平胶料找平。

a.转角的处理，应用整平胶料将其修补为光滑的圆弧，半径不小于20mm；b.整平胶料须固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2h），方可再进行下一道工序；c.混凝土表面凹陷部位应用刮刀嵌刮整平胶料修补填平，模板接头等出现高度差的部位应用整平胶料填补，尽量减少高差。

④粘贴碳纤维布

a.按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；

b.按工艺规定配制浸渍胶，并均匀涂抹于粘贴部位；

c.将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，宜用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维滚压时不得损伤碳纤维布；

d.在碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂；

e.在碳纤维表面涂抹一层5mm厚的HPM纤维复合砂浆或涂料加以防护。

⑤检验及验收

a.碳纤维片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。

b.碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效面积不应低于95%。当碳纤维布的空鼓面积不大于100cm2时，可采用针管注胶的方法进行修补。当空鼓面积大于100cm2时，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。

c.采用拉拔仪器，检测碳纤维布与桥梁粘贴的强度。

6　结束语

总之，碳纤维布具有极好的比强度、比刚度，对自然环境的温度及湿度的改变或酸雨侵蚀的适应性极强，且不受建筑形状的限制，不会因时间久远而降低强度，抗疲劳性好，易于施工等优点，在民用建筑、工业厂房和道路、桥梁的混凝土结构的加固修复上的使用越来越广。这种加固方法必将对我国的社会主义现代化建设事业产生积极的作用。

[1]《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/TJ23-2008）.

[2]《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）.

[3]《公路养护安全作业技术规范》（JTJ041-2000）.

[4]《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T4-2004）.

[5]《碳纤维片材加固混凝土结构技术规范》（CECS146：2003）.

U445.7

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1673-0038（2015）26-0281-03

2015-6-12