碳纤维筋在危桥加固中的应用

刘　宇

(云南省交通科学研究院，云南 昆明　650011)



碳纤维筋在危桥加固中的应用

刘宇

(云南省交通科学研究院，云南 昆明650011)

摘要：碳纤维筋桥梁加固是一项新的应用外粘高性能碳纤维复合材料增强结构技术，碳纤维筋与高强聚合物砂浆的联合使用充分利用了纤维棒筋的抗拉伸强度、聚合物砂浆的快凝强度和砂浆与钢筋混凝土结构的温缩模量的近似特性，提升钢筋混凝土结构的承载能力，达到维修、加固、利用与修旧翻新的综合作用，提升桥梁加固结构安全领域的技术水平。

关键词：碳纤维筋；桥梁加固；应用

在工程应用研究方面，重点研究碳纤维片材(碳纤维布/碳纤维板之总称)。在90年代由国家课题支持开展碳纤维片材在混凝土结构(包括桥梁、隧道、水利设施和房建结构)，取得了应用成果并得到广泛推广。2003年由中国工程建设标准化协会颁布了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146：2003)，作为指导性文件提供了设计施工和质量检验依据。而碳纤维片材用于桥梁加固技术是目前应用较为普遍的技术之一，其十几年来的应用为桥梁加固事业作出了历史性的贡献。

针对传统桥梁加固改造工程中所存在不足，诸如：因采用的加固材料(如钢板/纤维布)温缩模量与混凝土钢筋混凝土材料的温缩模量差异较大，不能形成同步的温缩变形状态，影响加固耐久性；采用钢材加固增加防锈处理等后期维护投入；以及采取增大截面法，结构面会留下不和谐修补“伤疤”，影响结构外观和技术状况评价等问题，碳纤维筋桥梁加固是一项新的应用外粘高性能碳纤维复合材料增强结构技术，主要形式包括“嵌入植筋加强法”和“体外配筋扩大截面增强法”。碳纤维筋与高强聚合物砂浆的联合使用充分利用了纤维棒筋的抗拉伸强度、聚合物砂浆的快凝强度和砂浆与钢筋混凝土结构的温缩模量的近似特性，既可提升钢筋混凝土结构的承载能力，也可充分利用新材料环境特征，达到维修、加固、利用与修旧翻新的综合作用。

碳纤维筋为棒型材料，主要成分为由碳元素制成的特种纤维，通过特殊技术处理与石榴石黏结而成。碳纤维分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数在0.9以上。碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种，由原丝纤维加热至高温后除杂获得。根据碳纤维原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种。目前，PAN碳纤维按力学性能又分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束以1K、3K、6K、12K和24K(1K为1 000根长丝单位重量)，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K、480K等。

碳纤维筋的主要性能：(1)质量轻(相当于钢密度的1/5)；(3)强度高(抗拉强度是钢筋的7～10倍)；(3)密度小(1.5～2 g/cm3)；(4)弹性模量高(弹性回复100%)；(5)热膨胀系数小，耐高温和低温性好；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，耐浓酸侵蚀；(7)表面灌注石榴石，与砂浆附着力强。

聚合物砂浆是由水泥、速凝添加剂、粉末状聚合物、碎石与水等混合拌制而成，其粘结强度高，热膨胀系数与混凝土类似。

聚合物砂浆的主要特点：(1)黏附性好，与原结构旧混凝土表面黏附良好，使纤维筋与原结构共同受力；(2)稳定性好，能有效抑制有害物质的渗透和扩散；(3)和易性好，利用快捷、速凝的功能特点，修缮结构腐蚀表面，达到修旧如新。聚合物砂浆可以维修各种老化受损的混凝土表面。

桥梁作为公路交通的关键设施，具有跨越深谷、承受运载、通航泄洪、保证安全、连接路网的重要功能。目前，我国各级公路上营运的桥梁总数达60余万座，总计3 000余万延米

按桥梁设计技术标准对大中小类型的桥梁平均使用寿命测算，桥梁平均设计使用寿命在50年左右。全国年均需要改造翻新的桥梁约有10 000余座，合计约60余万延米。以二级路为例，每年国家需要投入的桥梁改造费用上百亿人民币，这是一笔巨大的投资。根据近10年危桥改造的统计数据表明，现有重交通组成作用下的桥梁使用寿命平均在33年之内，部分路段桥梁的使用寿命甚至更短。如何更有效的延长桥梁的使用寿命、如何更有效的提高危险桥梁的改造利用技术、如何将加固后的桥梁变得更持久，是当前桥梁管理中面临且急需解决的问题。

面对当前大规模的桥梁改造任务，各级桥梁管理部门都十分重视其处理效果，近年来积极研究和寻求有效的维修加固新技术，但这并不是一件容易的事情，目前在桥梁加固改造中常采用的技术还是十几年前的研究成果，主要方法如：“帖钢板加固法”、“扩大截面加固法”、“体外(内)预应力加固法”、“帖碳纤维布加固法”等，这些材料技术为轻交通状态下的桥梁加固做出过贡献。随着近几年重交通的发展和扩散，现有桥梁的加固材料和工艺技术在适应性方面面临巨大挑战。一方面是目前所使用的加固材料(如钢板/纤维布)其温缩模量与混凝土钢筋混凝土材料的温缩模量差异较大，造成加固后的补强材料与原结构的温缩变形差异化，形成不同步的温缩变形状态，影响加固耐久；另一方面当前加固中为提高结构受力的高强材料仍然采用钢材，因钢材有防锈处理的要求，这样就增大了后期的维护投入，在结构层面上需要增设3 cm以上厚度的防锈保护，造成自重增加，影响使用效果；此外，在增大截面法中，因材料强度因素，需要增厚自重增加，影响结构受力和加固效果。现有加固材料和工艺中即便是解决了受力要求，但施工后的结构面会留下不和谐修补“伤疤”，影响结构外观和技术状况评价。

由此可见，研究和选择一种高强、防腐蚀、经济、施工方便，且与钢筋混凝土材料温缩模量相一致的维修加固材料，达到理想的加固改造,且能提高桥梁的承载能力是十分迫切和必要的工作。

碳纤维筋桥梁加固技术为新材料新工艺应用科学研究范畴，该技术适用广泛、概念新异、高效耐久，为现有桥梁加固材料的替代产品，将积极推动我国旧桥加固技术的发展，解决困扰各级桥梁管理人员有关桥梁行驶安全的顾虑，大大提升结构安全领域的技术进步。

参考文献：

[1]张晓虎.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势[J].纤维复合材料，2004.

[2]赵稼祥.碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑中的应用[J].玻璃钢/复合材料，2004.

[3]苏小萍.碳纤维增强复合材料的应用现状[J].高科技纤维与应用，2004.

[4]简汇宏.碳纤维之结构与导电性的关系[J].高科技纤维与应用，2003.

收稿日期：2016-02-19

作者简介：刘宇(1982-)，男，工程师。

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)06-0144-02

Application of carbon fiber reinforcement in the dangerous bridge strengthening

LIU Yu

(Yunnan Traffic Science Research Institute, Kunming, Yunnan 650000, China )

Abstract:Carbon fiber reinforced concrete bridge is a new technology, which is used to improve the tensile strength of fiber reinforced concrete, and to improve the bearing capacity of reinforced concrete structure, and to improve the safety of the bridge structure in the field of maintenance.

Keywords:carbon fiber reinforcement; bridge strengthening; application