碳纤维增强复合材料加固桥梁新技术

　　摘要：本文结合我国桥梁现状，介绍了碳纤维增强复合材料加固桥梁的新技术。
　　关键词：混凝土桥梁，加固，碳纤维布
　　
　　我国大部分桥梁建成于20世纪50~70年代，已经运营数十年，再加上超载、超限车辆的日益增多，大批桥梁的技术状况，已不能满足行车安全的需要。已建的混凝土桥梁结构可能会出现承载能力不足、混凝土表面裂缝等问题。这些混凝土桥梁中绝大部分可以通过加固改造就能提高或改善结构受力性能，重新投入使用。
　　自上世纪七十年代末初期，欧洲进行纤维增强复合材料（FRP）在土木工程应用研究以来，具有极好的比强度和比刚度、优秀耐腐蚀性的纤维增强复合材料已广泛用于混凝土结构的粘贴加固工程，形成了纤维增强复合材料补强加固已有混凝土桥梁的新技术，其中碳纤维增强复合材料（CFRP）应用更多。本文根据国内外关于碳纤维增强复合材料补强加固的工程研究，介绍这一新技术的材料特性、施工方法和技术措施。
　　
　　1、材料的基本特性
　　碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。
　　碳纤维片材：
　　片材碳纤维材料的拉伸强度在（2400～3400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。
　　相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻在加固时不增加结构的自重，而且施工工艺简单对结构不造成损伤。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。
　　配套树脂类粘结材料；
　　混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。
　　浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。
　　
　　
　　2、碳纤维片材加固桥梁的形式
　　碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强，其加固的效果主要是提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力；提高构件的刚度以及延性。除此之外，许多室内及现场试验证明，碳纤维片材加固的混凝土构件裂缝宽度发展可以得到控制。
　　由于碳纤维片材，特别是碳纤维布质量轻且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土桥的有关部位加固较灵活。碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不相同，碳纤维片材的纤维向与受力向相同时，其拉伸强度最高，反之，纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。因此，在采用碳纤维片材进行加固设计中，必须正确掌握纤维的布置方向。根据混凝土构件加固计算，可以采用连续式粘贴或条带间隔粘贴碳纤维片材的方式。研究表明，分条加固的效果要优于整条布的加固效果。
　　3、粘贴碳纤维片材加固施工技术
　　①、碳纤维布的施工工序：
　　I. 施工准备。
　　II. 混凝土表面处理（见下文）。
　　III. 配制并涂刷底层树脂。
　　IV. 配制找平材料并对不平整处进行找平处理。
　　V. 配制并涂刷浸渍树脂或粘结树脂。
　　VI. 粘贴碳纤维布。
　　VII. 涂刷混凝土漆两遍。
　　②、施工及工艺要求：
　　I. 要根据施工现场和梁体混凝土的实际状况，拟订施工方案和施工计划。
　　II. 要对所使用的碳纤维布、配套树脂、机具等做好施工前的准备工作。
　　III. 施工要在环境温度为8℃以上的条件下进行，并应符合配套树脂要求的施工使用温度。
　　IV. 施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响。
　　V. 在进行梁体表面处理和粘贴碳纤维布前，应按设计部位放线定位。
　　VI. 树脂配置时，应按产品使用说明中规定的配比称量并置于容器中，用搅拌器搅拌至色泽均匀。在搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质。应根据现场实际环境温度确定树脂的每次拌和量，并按要求严格控制使用时间。
　　③、表面处理：
　　I. 清除梁底表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，对有砼剥落或严重凹陷处用不低于C40级的环氧细石混凝土将表面修复平整。为保证新旧混凝土的可靠粘结，要将旧混凝土表面凿毛后清理干净，并在表面涂刷一层环氧浆液界面剂。
　　II. 按设计要求对裂缝进行处理。
　　III. 梁体表面应打磨平整，除去表面浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。
　　IV. 混凝土表面清理干净并保持干燥。
　　④、涂刷底层树脂：
　　I. 按产品生产厂提供的工艺规定配置底层树脂。
　　II. 采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下
　　一工序的施工。
　　⑤、找平处理：
　　I. 按产品生产厂提供的的工艺规定配置找平材料。
　　II. 对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。
　　III. 在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
　　⑥、粘贴碳纤维布步骤和要求：
　　I. 按设计尺寸裁剪碳纤维布。
　　II. 按产品生产厂提供的工艺规定配置浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位。
　　III. 将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专业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布，滚压时不得损伤碳纤维布。
　　IV. 粘贴U型压条时应重复上述步骤，并在纵向碳纤维布表面的浸渍树脂指触干燥后尽快粘贴。
　　V. 在碳纤维布表面均匀涂抹浸渍树脂。
　　VI. 待浸渍树脂完全干燥后涂刷两遍水泥漆。
　　VII. 碳纤维布在粘贴施工中的具体要求见《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》。
　　⑦、其它事项：
　　I. 施工碳纤维布时要远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。
　　II. 施工中尽量避免碳纤维布弯折。
　　Ⅲ.配套树脂的原料要密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
　　4、有关混凝土桥梁技术应用问题
　　粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁技术在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛应用，并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开始，就我国公路混凝土桥梁有关粘贴碳纤维片材加固新技术应用推广的问题做如下讨论。
　　粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，使得粘贴加固法成为公路桥梁快速加固方法，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利，便于桥下的高空作业，可在公路桥梁上推广应用。
　　对于公路旧混凝土桥梁的加固方法，在工程上应用效果较好的是综合法，即以某种加固方法为主，辅以其它方法，这必须依照桥梁现场的外观检查和技术状况评定，加固设计要求而定。目前，粘贴碳纤维片材加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法。
　　我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，是以国外进口材料为主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。这样，进口的材料单价就显高，这往往影响技术的经济决策。因此，除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外，在碳纤维片材加固技术应用中，应当更多从加固效果，耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。
　　在国外先进国家的科学研究工程实践基础上，结合我国公路旧桥的加固维修特点与经验，尽快编制碳纤维片材加固技术的指南，以指导工程应用。碳纤维片材加固补强公路混凝土桥梁是粘贴加固新技术，需要结合我国的工程特点进行深入研究和不断提高，使我国公路旧桥加固维修技术达到新的水平。
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