公路桥梁维修加固处理中的碳纤维复合材料施工技术研究

2022-11-23戴鹏

运输经理世界 2022年21期

戴鹏

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511450）

0 引言

碳纤维复合材料在公路桥梁加固工程中的应用主要有以下几点优势：第一，碳纤维板的重量很轻，一般在250g/m 左右，厚度一般在0.12～0.15cm。在公路桥梁修复工程中，采用碳纤维复合材料加固桥梁，既不会加重整个桥梁的重量，也不会改变桥梁的外观，即该材料可以与桥梁保持良好的协调性。第二，在抗裂性和耐久性方面，碳纤维复合材料明显优于其他类型的材料。在耐腐蚀性方面，其性能也非常优越。第三，施工操作步骤简单，易于开展。总之，碳纤维复合材料的性价比非常高，在公路桥梁修复加固工程中可发挥巨大作用，具有极高的研究价值。

1 碳纤维材料概述

碳纤维材料通常与树脂类材料复合，经一系列工艺处理后可制成碳纤维增强塑料，这类材料具有良好的力学特点，即无屈服点与塑性区域。其应力应变量特点符合桥梁加固工程的标准，与普通的钢材相比，碳纤维材料的物理性能也非常优越，特别是高弹性模量碳纤维。高弹性模量碳纤维的抗拉强度及抗震强度远远高于普通钢材，约为普通钢材的70 倍，弹性模量约为普通钢材的2 倍。此外，高弹性模量碳纤维的热稳定性和冷稳定性也极强，在600℃左右的高温及-180℃左右的低温环境下，其物理性能基本不会受到影响，在高盐、高碱、高酸环境中亦不会出现腐蚀现象。碳纤维材料中有一种材料称碳纤维布，一般是通过丝状碳纤维编织而成的，可用于一类混凝土部件的加固。在制作碳纤维布时，需将丝状碳纤维沿一个主方向匀速铺设，然后用少量非主方向丝状碳纤维将主方向的丝状碳纤维连接在一起，碳纤维布也因此具备薄而抗拉性能强的特点，抗压强度一般可达到3550MPa，弹性模量可达到246.75MPa。碳纤维布的力学性能一般与碳纤维材料的质量有关，即由优质原材料制成的碳纤维布的抗拉强度更大、弹性模量更高。

2 碳纤维材料的特点

第一，碳纤维材料的抗拉强度、耐腐蚀性、抗变形性能及抗震强度都非常高。碳纤维材料的抗拉强度约为普通钢材的12 倍，甚至可达到15 倍，弹性模量性能也大大优于普通钢材。在抗腐蚀性方面，普通钢材长时间受到雨水的侵蚀，极易发生腐蚀，进而影响工程质量，甚至引发安全事故，而碳纤维材料的耐腐蚀性极强，因此当前混凝土加固修复工程通常选用碳纤维材料进行作业。在抗变形和抗震性方面，同样优于普通钢材。总之，在桥梁修复加固工程中应用碳纤维材料是一个极佳的选择。

第二，普通钢材的重量过大，运输要求高，柔韧性也非常差，在工程中的应用有一定的局限性。而碳纤维板的重量轻，柔韧性极强，可伸展卷叠，在相同抗拉强度下，碳纤维材料的重量仅为普通钢材的五分之一。总之，在桥梁修复加固工程中，碳纤维材料的性价比较普通钢材高。

第三，碳纤维材料易于施工。这主要是由于其重量轻，运输要求低，且耐腐蚀性强，各方面性能均比较优越，可适应各类施工环境，能够有效保证施工质量。此外，碳纤维材料的施工方式较为简单，作业周期也相对较短，可作为混凝土加固修复工程中的应急材料。

第四，在桥梁修复加固工程中选用普通钢材需要进行定期维护，而碳纤维材料无需如此。碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性和抗拉强度，即便在高盐、高碱及高酸环境中，也不容易受损。此外，因碳纤维复合材料具有高延展性，能够对桥梁内部混凝土结构起到有效的加固、修复作用。在加固修补方面，由于碳纤维板的修补加固作用约为碳纤维布的10 倍，且碳纤维板可长期保持顺直状态，而碳纤维布难以维持顺直状态，因此在桥梁修复加固工程中通常选用碳纤维板。为降低加固修补工程的成本，还可采用碳纤维与玻璃纤维制成的复合材料。

3 工程概况

某段高速公路经长期使用，因车流量较大且大型货车通过率较高，使得该段高速公路中桥梁的铺装层和板底出现多处开裂的情况[1]。该桥梁整体分为左右两幅，每幅含19 跨，上层结构为混凝土空心板，下层结构为桩柱式桥墩。

4 病害调查

高速公路投入使用一段时间后，在车辆通行与气候环境因素的影响下，公路桥梁产生了一些病害。专业人员经调查发现，桥梁中的病害大多为裂缝，且裂缝大多位于桥梁的铺设层、板底及盖梁等部位，混凝土破损与渗水现象大多位于梁端、铰缝处及跨中部位。桥梁主要存在以下两个方面问题：第一，裂缝从铰缝区逐步开裂，可观察到这些裂缝有继续开裂扩增的可能，应对这些裂缝及时进行修补，同时对可能发生开裂的区域进行加固，确保桥梁运行的安全性。第二，混凝土破损与渗水现象的发生区域大多位于梁端、铰缝处及跨中部位，这些破损会影响桥梁的稳定性。经多方面考虑，选择用碳纤维材料对其进行修补加固。

5 碳纤维加固施工技术

5.1 施工准备

在进行修补加固工作前应做好以下几个方面的准备：第一，派相关工作人员对施工场地进行勘察，了解施工场地周边环境，掌握施工场地的地质情况，以便更合理地设计施工方案及图纸，从而使后续施工得以顺利进行。第二，观察施工场地位置，合理布置施工设备，确保桥梁加固修复工程顺利开展。第三，处理好施工场地的废物，扫清影响施工的杂物。第四，按照施工要求，合理设置施工隔离区域，所安置的围栏不可影响周围居民通行，并妥当安放警示标志。

5.2 混凝土基底处理

第一，在混凝土基底劣化层的处理方面，通常选用钢丝轮角磨机进行作业。除去劣化层后，应将梁底沟缝内残存的砂浆清理干净，同时借助吹风设备，吹去剩余的砂浆，以获得干净的混凝土基底面，便于后续修补加固作业的顺利进行[2]。

第二，如果发现混凝土基底存在膨胀、松散、腐蚀等情况，应先使用凿除设备去除松散部位，再使用除锈剂除去金属的腐蚀部分，同时为保证混凝土的完整性，需对缺损部位进行修补。一般在进行修补作业前，应使用环氧胶涂抹破损区域，以提高原有混凝土与砂浆的黏合度，以确保桥梁在后续的使用过程中短期内不出现裂缝。对于破损较大的区域，如出现蜂窝等孔径较大的洞，需采用轻质修复砂浆进行填补处理。填补砂浆的厚度不可超过1.5cm，平整度应保证在0.5cm/m 以上。

第三，在修补作业过程中，若发现修补区域表面存在裂缝，应立即对裂缝区域采取对应措施进行处理。

第四，为确保混凝土整体的协调性与美观度，应及时采用轻质修补砂浆对经剔凿和除锈后基底面出现的缺损进行处理。

第五，完成上述作业后，应对基底面残存的粉尘和松渣进行清理。可选用专用吹风机吹去粉尘，同时使用相关化学试剂，除去基底表面的油污等其他异物。

5.3 碳纤维板底层胶配制及涂刷

第一，在待加固修补的混凝土表面，应使用刷子将用于黏合碳纤维板的底胶涂抹均匀。涂抹在混凝土表面的区域，必须大于碳纤维板的面积，以免碳纤维板黏合不全，导致后续脱落。另外，在含有钢筋或平整度较差的区域，需多次涂抹树脂。第二，底胶涂抹后，45 分钟左右便会凝固干燥。此时，若发现混凝土表面存在凸起，应及时派工作人员使用砂纸对凸起部位进行打磨，以确保混凝土表面的平整度，为防止破坏底胶层，应当在打磨前确定好打磨时间。

5.4 找平材料处理

第一，待底胶完全干燥后，应派工作人员进行检查，若发现混凝土表面存在破损的情况，应采用适宜的材料填补破损区域。对于转角处的缺损，应将之填补成半径大于2cm 的光滑圆角。第二，完成填补作业后，同样应对凸起部位进行打磨，以提高混凝土表面的平顺度。

5.5 浸渍树脂涂刷

在树脂涂刷环节，同样应确保涂刷区域不小于碳纤维板的面积[3]。

5.6 粘贴碳纤维板

第一，在混凝土表面涂刷完黏结胶后，再将碳纤维板铺设在混凝土表面，同时需确保铺设操作符合施工标准，如每层混凝土碳纤维板的搭设方向均与纤维方向保持一致。第二，应将碳纤维板的搭接长度控制在100m 以上，同时避免在主要受力区域进行搭接。对于多层混凝土的加固处理，应错开搭接。第三，应保证碳纤维板由上至下的黏合顺序，同时使用胶辊在碳纤维板上多次压实，以确保树脂胶液与碳纤维板充分黏合。

5.7 固化与养护

第一，完成碳纤维板的黏合作业后，应在不进行其他操作的情况下，将之静置几天干燥、固化。为确保碳纤维板的固化质量符合标准，在静置期间应避免其受到其他外部因素的干扰，必要时可设置隔离区域。第二，遇到雨水天气，应合理采取防护措施，如在树脂固化后的混凝土表面使用塑料膜遮挡。第三，树脂固化过程中，必须将温度控制在5℃以上，如果没有条件进行温度控制，则应选择低温类型的固化树脂。第四，在树脂固化完全后，应对碳纤维板黏合区域进行认真检查，若存在鼓起气泡区域，可选用专用注射器将黏合胶注入气泡内，确保碳纤维板的整体密实度，最后需对其进行磨平处理。

5.8 施工注意事项

第一，碳纤维板是一种力学性能优越的复合材料，采用该材料对桥梁进行修补作业时，需借助具有高渗透性与高黏合性的树脂将碳纤维板与混凝土黏合。并且，进行修补加固作业时，应仔细寻找混凝土中的裂缝。在黏合碳纤维板前，一定要预先做好找平工作，确保碳纤维板与混凝土完全黏合，使加固修复后的桥梁承的载力达到预期目标[4]。此外，应合理控制碳纤维板黏合的施工温度，避免在温度过高或过低的环境下进行施工。需要将环境温度控制在5℃～35℃。由于碳纤维板黏合作业中需要使用黏合剂，因此还要考虑环境温度对黏合剂的影响，确保作业温度为黏合剂效果发挥的最佳温度。

第二，在施工过程中，必须严格按照相关施工标准展开作业。施工作业前，应对施工所需设备进行检查。施工完成后，需派工作人员对施工质量进行检测，确保工程投入运营后的安全性。

第三，在进行碳纤维板包装、涂刷染料前，必须将油污等其他异物清理干净，否则会影响碳纤维板与混凝土的黏合度，降低修复加固作业质量。同时，避免在雨水天气进行碳纤维板黏合作业。

第四，碳纤维板黏合作业完成后，需派相关技术人员对黏合质量进行检测，若黏合密实度过低，必须重新进行作业。

第五，碳纤维板黏合时需注意避免在主要受力区域搭接，在进行多层混凝土加固处理时，应错开搭接。

第六，在进行碳纤维板黏合作业时，15℃左右的温度环境下，黏合剂的黏合效果最佳，黏合固化所需时间较短，不易发生二次污染。此外，应避免黏合胶被阳光直射，并做好防火措施。