浅谈碳纤维在桥梁加固中的应用

李天林（梅州宝诚建设工程有限公司）



浅谈碳纤维在桥梁加固中的应用

李天林
（梅州宝诚建设工程有限公司）

【摘要】本文结合省道S223线梅县剑英大桥和梅县Y035线锦江大桥两座旧桥的加固实例，介绍了碳纤维的基本特性、碳纤维加固技术的施工工艺，为同类桥梁加固施工提供借鉴。

【关键词】碳纤维；桥梁；加固

1　引言

近年来，随着经济的发展，城市化进程不断加快。受交通运输日益繁重和超重车辆增多的影响，相当一部分现有桥梁由于建成时间较长，原有设计荷载等级较低，存在不同程度的病害，不能满足现阶段及将来的通行需要。为确保桥梁运营安全，需要对旧桥进行合理有效的加固改造，以恢复和提高既有桥梁的承载能力。

粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁技术在国外的应用已广泛，日本是世界上碳纤维的生产大国，不仅产量几乎占世界的一半，其对碳纤维的研究也较深入。1995年以后，我国才开始这方面的研究，工程积累经验也不是很足。粘贴碳纤维加固技术作为一种新型的桥梁加固改造技术，能够恢复和提高既有桥梁的承载能力。笔者参与了我市梅县区采用粘贴碳纤维加固技术加固改造省道S223线梅县剑英大桥和梅县Y035线锦江大桥两座危旧桥的工程，根据完工后的荷载试验和监测结果，旧桥加固效果良好，加固后的桥梁承载能力均达到设计预期目标。由于碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，本文试通过两座旧桥加固的实例，对碳纤维加固桥梁技术的应用进行探讨和研究。

2　碳纤维材料的基本特性

粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁技术是在桥梁需加固部位粘贴高性能的碳纤维材料来对桥梁进行加固补强的一项新技术，所采用的基本材料是碳纤维片材和配套树脂类粘结材料。其基本原理是将碳纤维片材用专门配制的树脂类粘结材料粘贴在修复处理后的桥梁加固部位表面，使碳纤维和原结构混凝土在固化后合为一体，共同受力工作。

2.1碳纤维片材

碳纤维片材包括碳纤维布和碳纤维板，其中碳纤维布是布状制品，碳纤维板是经拉挤成型后的板状制品，碳纤维板较多应用于预应力加固。碳纤维片材具有以下几个特点：①抗拉强度高。碳纤维材料的拉伸强度较高，碳纤维布的抗拉强度标准值不低于3000MPa，碳纤维板的抗拉强度标准值不低于2000MPa，大大高于普通钢材。②弹性模量高。碳纤维布的受拉弹性模量不低于2.1×105MPa，碳纤维板的受拉弹性模量不低于1.4× 105MPa。③单位质量较轻。单层碳纤维布的单位面积质量一般不高于300g/m2。④良好的化学稳定性。由于化学结构稳定，碳纤维不易受各类化学物质的腐蚀，且耐寒和耐热性均较理想。⑤耐久性好。碳纤维片材的强度和粘结性在50年内几乎没有任何变化，而且抗拉强度没有任何损失。⑥施工方便。碳纤维片材由于质轻，施工工序简单，用工量较少，工期较短，可以随意裁剪，施工极其方便。

2.2碳纤维布

目前加固工程中大量使用的是单向碳纤维片材，双向或多向碳纤维片材工程实践经验较少。在桥梁工程加固中，应用较多的是单向碳纤维布，单向碳纤维布又一般分为高强度I级和高强度II级两种，高强度I级的性能指标高于高强度II级。据相关应用研究表明，采用碳纤维布加固后，不仅可以增强梁、柱的抗剪能力达30%～80%，而且可以提高梁、板的抗弯能力达30%～100%。单向碳纤维布用于桥梁加固时，一般应核对或抽样检测下列7个性能项目：抗拉强度、弯曲强度、层间剪切强度、仰贴条件下纤维复合材与混凝土的正拉粘结强度、受拉弹性模量、伸长率、单位面积质量。必须由具备相关资质条件的检测机构进行检测。

2.3配套树脂类粘结材料

配套树脂类粘结材料质量的好坏是粘贴碳纤维片材质量好坏的关键。在进行桥梁结构加固时，必须使用配套的底胶、修补胶和结构胶粘剂才能保证加固效果。底胶、修补胶和结构胶粘剂均为树脂类材料。

⑴底胶。底胶必须严格按生产厂家提供的说明书进行配制，按规定比例将主剂和固化剂配制好后，将底胶涂于桥梁加固部位的混凝土表层，其主要作用是提高加固部位的混凝土表面强度及粘结强度。底胶根据性能高低分为A级胶和B级胶，A级胶性能优于B级胶，一般应核对或抽样检测的性能项目有：湿热老化后抗剪强度降低率、混合后初黏度、与混凝土的正拉粘结强度、钢-钢拉伸抗剪强度、不挥发物含量。

⑵修补胶。修补胶必须严格按生产厂家提供的说明书进行配制，修补胶的主要作用是找平修整，修复加固部位混凝土的表面质量缺陷。修补胶并不是使用得越多越好，当加固部位的混凝土表面质量和平整度均较好时，宜尽量减少修补胶的使用量。修补胶一般应核对或抽样检测的性能项目有：胶体抗弯及抗拉强度、与混凝土的正拉粘结强度。

⑶结构胶粘剂。结构胶粘剂的主要作用是使碳纤维材料与原结构混凝土的粘结变得充分，固化后合成一个整体，共同受力。结构胶粘剂根据性能高低分为A级胶和B级胶，A级胶性能优于B级胶。一般应核对或抽样检测的性能项目有：胶体性能（抗弯、抗拉、抗压强度、伸长率、受拉弹性模量）、不挥发物含量、粘结能力。

3　粘贴碳纤维片材加固施工工艺流程

为使碳纤维粘贴效果达到预期目标，在桥梁加固时，应采取相关措施使影响桥梁加固部位的荷载作用减到最少。粘贴碳纤维施工工序：施工准备→处理加固部位基面→涂刷底胶→找平修复处理→制备结构胶粘剂→加固部位外贴碳纤维→涂刷防腐漆→检查验收。

3.1施工准备

加固前，施工人员应熟悉施工图纸，检查核对进场材料的产品合格证和质检报告，不合格材料不得使用，并清理出施工现场，但不得随意丢弃。根据施工现场的实际情况，制订好施工方案并按规定程序报批。

3.2处理加固部位基面

加固部位混凝土表面如存在劣化混凝土，应先将劣化层清除，打磨后用大于或等于原混凝土强度的环氧树脂砂浆材料对表面进行修复。如加固部位存在局部裂缝，应先对裂缝进行灌缝或封闭处理。

用钢丝刷在加固部位混凝土表面打毛，再用空压机除去粉尘，清水冲洗干净，并用脱脂棉在完全干燥后的混凝土基面擦少许二甲基酮。

3.3涂刷底胶

配制底胶，必须严格按照生产厂家提供的说明书进行现场配制，搅拌必须均匀（可用人工或电动搅拌）。配制底胶的材料一般分为A、B（或甲、乙）两种，主要成分为改性环氧树脂，产品一般经过毒性检验，不会含有乙二胺、有害溶剂和非反应性稀释剂等。为确保粘贴质量，配制时，应根据当天的气温计算好底胶需用量，并在规定的使用时间内涂刷完毕。超过规定的使用时间，没有涂刷完的底胶应废弃。

涂刷底胶时，应保持均匀且不得有疏漏，并注意控制涂刷的厚度，一般不厚于0.4mm，检查确认无气泡后，一般待底胶干燥2小时以上方可转入下道工序。

3.4找平修复处理

基础修补找平胶应在施工现场配制，且配制时配合比应严格按生产商提供的使用说明书配制。配制基础修补找平胶的材料一般分为A、B（或甲、乙）两种，主要成分为改性环氧树脂，产品一般经过毒性检验。

基础修补找平胶一般用量较少，一般用于加固表面混凝土凹凸不平、转角及接头高差等部位。为确保碳纤维粘贴质量，上述部位应修补完整并经找平处理，处理后接头部位无棱角，转角处表面光滑。

3.5制备结构胶粘剂

上述工序完成后，方可在施工现场配制结构胶粘剂，配制结构胶粘剂的材料一般分为A、B（或甲、乙）两种，主要成分为改性环氧树脂，产品经过毒性检验，配制时配合比应严格按生产商提供的使用说明书配制。

3.6加固部位外贴碳纤维

在桥梁需加固部位待粘面上画出各层位置，并严格按设计要求的尺寸裁剪出各部位的碳纤维片材。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。裁剪好碳纤维片材后，将配制好的结构胶粘剂涂刷于待粘部位。涂刷结构胶粘剂应在所有要粘贴碳纤维材料的部位均匀地涂刷，而且涂刷必须采用专用工具（滚筒），滚压必须同一方向多次来回，但滚压时应注意保护好碳纤维片材，碳纤维片材尽量平展顺直，避免弯折。气泡完全消除且结构胶粘剂浸透片材后至少静置半小时。

多层碳纤维片材进行粘贴时，必须按以上步骤进行操作，每一层碳纤维表面干燥后立即进行下一层碳纤维片材的粘贴。

3.7涂刷防腐漆

碳纤维片材粘贴后，在碳纤维片材表面必须涂刷两道聚氨脂防腐漆，以形成碳纤维的保护层（当碳纤维为间隔粘贴时，涂刷范围为碳纤维加固区域，即包括碳纤维片材间的空隙）。

3.8检查验收

检查验收的方法比较简单，易于掌握，一般采用锤击法或手压法来检验片材的粘结质量。具体验收标准为：总有效粘结面积大于或等于95%。当空鼓面积小于100cm2时，可用针管注入结构胶的方式进行补救；空鼓面积大于100cm2时，先将空鼓部位的片材切除，再在空鼓处搭接20cm以上的等量碳纤维片材。

3.9其它事项

碳纤维片材及配套胶粘剂必须存放于通风良好的阴凉干燥处。存放时，碳纤维片材作为能导电的材料，应做好防火、防电、防潮保护措施。

现场施工人员应密切监控施工现场的环境温度和天气情况，一般适宜施工的温度在5℃以上、40℃以下。否则，必须采取相关升温或降温措施方可施工。施工企业必须建立健全的施工现场职业健康安全管理制度，为现场作业人员购置各种劳动安全保护用品。

表1　梅州市梅县区近年应用碳纤维加固桥梁详细情况

4　工程应用实例

4.1工程概述

⑴省道S223线梅县剑英大桥位于梅县雁洋，跨越广东省梅县梅江河，桥梁全长326.29m，桥梁上部结构是6×45m钢筋混凝土钢架拱，下部结构采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为1.4m，桥台采用桩基础与重力式组合桥台。2007年8月完成加固与维修施工图设计，加固与维修设计要求对桥梁上部、下部结构均进行加固，其中主拱实腹段、拱腿和弦杆正弯矩段采用粘贴碳纤维布加固。

⑵梅县Y035线锦江大桥位于梅县丙村镇，是连接丙村镇锦江南北两岸丙村和红光村的唯一通道，大桥全长257.73m，桥面全宽7.4m，净宽6.5m，锦江大桥主桥采用9孔钢筋混凝土肋拱结构，两端各2孔10m钢筋混凝土T梁结构，桥跨横断面由4片拱肋组成，主桥下部结构形式为重力式实体墩身、沉井基础。该桥始建于1934年，1948年建成通车，后经多次加固，2009年7月经广东省公路工程质量监测站检测后，该桥技术状况等级评定为五类桥，必须立即加固才能使用。加固设计要求对桥梁上部、下部结构均进行加固，其中对全部拱肋的跨中部分拱肋底、上弦杆、横系梁，破损、露筋的拱肋、立柱，出现网裂的桥面板板底修复后采用粘贴碳纤维布加固。

上述两座桥梁结构类似，均采用碳纤维布加固，具体加固详情见表1。

4.2碳纤维加固旧桥效果评价

省道S223线梅县剑英大桥和梅县Y035线锦江大桥加固完成后，据运行几年来的定期监测发现，碳纤维与原结构混凝土表面粘结完好，无空鼓、无裂纹，加固质量得到建设单位和设计单位的认可，达到了设计预期目标，取得了较满意的效果。

4.3碳纤维加固旧桥经济性能评价

碳纤维加固工程不需要大型施工机具和辅助机械，节省了台班费用；碳纤维属于轻质柔性材料，易于施工，降低了人工费用；碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不需要定期维护，节省了维护费用。例如：梅县Y035线锦江大桥，碳纤维布加固面积为1470.3m2，碳纤维布加固预算造价为134.35万元，折算为913.8元/m2，实际施工中标价比预算价格更低。

5　结束语

综上所述，粘贴碳纤维加固技术对于桥梁中不同部位的受力构件均可以方便地加固，可以在不破坏原有结构、几乎不增加结构自重和截面尺寸前提下达到抗弯补强，是一种有效的新型桥梁加固技术。需要注意的是，旧桥治理改造不同于新桥施工，风险和不确定性因素较复杂，因此施工时必须严格遵守施工次序，必须进行对称施工，不得颠倒和超前施工。随着碳纤维价格的逐年下降和工程实践经验的不断积累，碳纤维加固技术的优越性将会越来越明显，在旧桥加固中的应用也会越来越广。

【参考文献】

[1]CECS 146:2003碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程［S］.

[2]JTG/T J23-2008公路桥梁加固施工技术规范［S］.

[3]王永刚.碳纤维加固桥梁新技术[J].交通世界,2010,(11).