碳纤维加固

摘要：碳纤维在土木工程中的应用，已成为国际土木工程界的热点。碳纤维质轻高强、耐腐蚀、抗老化，有着优异的力学性能。用其加固补强混凝土结构施工简单便捷，必定在今后的桥梁维修加固中得到广泛的应用。本文结合2001年义井大桥采用碳纤维加固补强的实践，介绍其所用材料、施工工艺及其应用性分析。

1.                    工程概况

义井桥位于河北省香河县城东潮白河上，始建于1971年，此桥全长470米，33孔，上部结构为T型简支梁。2001年对该桥进行了维修加固，把荷载标准由汽—13、拖60提高为汽20、挂100，其中5孔T梁的加固采用了碳纤维，经试验检测效果很好。

1.                    材料及其性能

碳纤维用于混凝土结构加固修复是一项新技术，它是利用浸渍树脂将碳纤维布沿受力方向或垂直于受力方向粘贴在受损的混凝土构件上，使之与构件原有钢筋共同工作，从而达到对混凝土构件的加固补强。加固后可增大结构抗拉及及抗剪能力，有效地提高其强度、刚度、抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维复合材料包括碳纤维布和粘接材料，简单介绍如下：
2.1碳纤维布具有如下特点：
（1）高弹膜，以提供有效的增强作用；
（2）高强度；
（3）单根纤维间强度变化小；
（4）在制造与处理过程中强度稳定并保持不变。
2.2、粘接材料具有如下特点：
粘结材料的性能是保证碳纤维与混凝土共同合作的关键，也是碳纤维与混凝土传力途径中的薄弱环节，它应有足够的刚度与强度，保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应用足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘接破坏。此外应适应现场施工条件，即能在一般条件下固化，具有适宜的流动性与粘度，固化收缩率小。粘接材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其性性如下：
2.2.1、底胶：浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度从而使混凝土与碳纤维布之间的粘接性得到提高；
2.2.2、整平材料：碳纤维布很有可能因混凝土表面的锐利突起物、错位和转角等部位产生损伤或空鼓，从而引起强度降低。整平材料可补平由于混凝土表面劣化或表面处理造成的空洞或斜面，另一方面用于将矩形90o转角打磨后补成圆弧状。
2.2.3、浸渍树脂：将连续粘贴的碳纤维布结合在一起，使之呈板状硬化，使纤维之间相互结合、均匀抵抗外力，发挥纤维整体强度。同时、将碳纤维布与混凝土粘接在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
本工程采用美国赫氏公司生产的Fabrics48226 和Fabrucs117型碳纤维布，其性能见表：
碳纤维布性能及规格表：

1.                    碳纤维补强技术的特点及优越性

3.1、优异的力学性能，可有效用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗拉、抗疲劳、抗震、抗风，控制裂缝及挠度的扩展。
3.2、优异的化学稳定性。碳纤维布具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化能力。外加防火层后可以有效地防火。因此，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。
3.3、材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外型。增加的结构重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。
3.4、施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短了施工断交时间，具有较大的经济效益和社会效益。

1.                    碳纤维加固补强的方案。

4.1、主梁抗弯补强。主梁跨中梁底下弯矩压分别采用18×800（cm）和18×400（cm）的碳纤维片，每层两端各设一道10cm宽大的U型箍，用以固定碳纤维片。
4.2、主梁抗剪补强。在靠近支点横隔板处开始加固，加纤维片宽为20cm的U型外包箍，一片主梁投12道，每片主梁端部腹板用宽20cm的U型横向外包箍。
5.碳纤维片补强施工工序：
构件表面处理→ 基底处理→ 涂底层涂料→ 刮腻子整平→ 涂下一层浸渍树脂→ 粘贴纤维片→ 涂下一层浸渍树脂→ 养护→ 防护涂装。
5.1施工中
5.1.1、混凝土基面处理：混凝土基面必须仔细打磨平整，对于松散的混凝土及其夹杂的水泥硬块、木棍、草屑、泥块等杂物必须彻底凿除。转角处打磨成R≥30mm的圆角，同时基面不可存有尖锐棱角，以防止碳纤维在折角处产生集中或局部刻断破坏。折磨的R角外缘线必须平行或垂直于梁肋，以免粘贴碳纤维片时发生空鼓或偏斜现象。
5.1.2、涂底胶：底胶的主剂和固化剂按规定的比例准确称量，均匀慢速搅拌，并在可使用的时间内用完；涂底胶前必须将基面清理干净，并保持干燥；涂刷必须均匀，底胶指处干燥后再进行下一道工序。
5.1.3、粘贴面修整：整平材料必须按规定比例进行调配。修整时应进行多次找补。确保坑凹处填实填满，不得有气泡，表面有毛刺或糙纹时，用砂纸打磨一顺；指处干燥后进行下一道工序。
5.1.4、贴碳纤维片；粘接胶必须配比准确，均匀搅拌，不得超时使用，其用量符合设计且涂抹均匀；在搭接、拐角部位适量多涂抹一些；纤维布裁剪尺寸准确，严禁出现扭曲、弯折、跳丝、横向脱离、错位等现象，用带肋滚子沿纤维方向多次滚压，确保纤维布充分浸润胶料并及时赶出气泡。
5.1.5、检查验收：施工结束后验收时，以评定碳纤维布与混凝土之间的粘接质量为主，用小锤等工具轻敲击碳纤维布表面，以回声来判断粘接效果，若出现空鼓等粘帖不实现象，用针管注胶进行补救。
5.1.6、防护涂层：该工序一方面起到防火和表面涂装作用，另一方面也对碳纤维布加固层的外表面进行了密闭防护处理，从而避免碳纤维布的老化和遭受其它损伤，保证构件加固后的正常使用。
6、效益分析：
加固前后单梁测试结果及加固后整桥动、静载试验结果显示，该桥加固效果良好，实践显示：碳纤维加固带来的直接效益就是工期短、见效快、不影响正常交通，人力资源需要少。与传统的钢筋混凝土加固（增大截面法）相比较，碳纤维布费用相对较高，但两者适用范围有所不同：在工期紧、不宜中断交通、基体破坏不严重的桥梁加固中适合采用碳纤维布加固法：而基体破坏严重、混凝土大面积碎裂，则适宜采用传统的增大截面法，此方法相对来讲工期长，施工期间必须断交，给过往车辆和行人带来不便，且需要较多的人力和物力。
7.结束语

随着我国经济的快速发展，交通量日益增大。七、八十年代修建的钢筋混凝土桥梁，大部分已经表现出不能满足通行需求。一是荷载标准低，二是在重车、超重车的作用下，出现了许多病害。旧桥维修加固任务很大。在旧桥加固中急需一种新型材料。碳纤维有着优异的力学品质，是理想的桥梁加固材料，可喜的是，国内已经能够生产碳纤维，而且品质已接近日本、美国等发达国家的品质，价格也在迅速下降。可以断言，在今后的桥梁加固中碳纤维必定发挥巨大的作用。