碳纖維加固技術(shù)在改建橋梁補(bǔ)強(qiáng)工程中的應(yīng)用

姜春榮

（江蘇東方交通工程有限公司，江蘇 鹽城 224700）

1 概述

碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計(jì)要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過(guò)對(duì)梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對(duì)比試驗(yàn)，力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%。此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡(jiǎn)便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。

在美國(guó)、日本，上世紀(jì)80年代初就進(jìn)行了碳纖維加固技術(shù)的試驗(yàn)研究，特別是日本，從規(guī)范的制定到工程的廣泛應(yīng)用，使碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)變得相當(dāng)成熟，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，僅日本1997年用于加固修復(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)70萬(wàn)m2。我國(guó)于上世紀(jì)90年代末開(kāi)始碳纖維加固技術(shù)的試驗(yàn)研究，并在近2～3年內(nèi)在房屋建筑中有了一定數(shù)量的工程實(shí)踐，但是在橋梁工程中應(yīng)用極為有限，目前全國(guó)僅有區(qū)區(qū)數(shù)例。我國(guó)近兩年來(lái)，科研單位和院校在這方面的研究和應(yīng)用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用，同時(shí)也取得了較成熟的設(shè)計(jì)方法和施工經(jīng)驗(yàn)，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。

2 改建橋梁工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

團(tuán)結(jié)、馮家、雙廟橋等橋梁均在S342虞宜線上，分別位于無(wú)錫錫山羊尖、安鎮(zhèn)、查橋等，于1988年建成。改建橋梁上部結(jié)構(gòu)為1跨、L＝10m預(yù)應(yīng)力砼先張法空心板梁，未設(shè)中央隔離帶，內(nèi)外側(cè)分別為機(jī)動(dòng)車道和人非混合車道，全寬25m，荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-20級(jí)、掛車-100。隨著S342虞宜線交通量的增長(zhǎng)，以上三座橋現(xiàn)有的寬度已不能滿足交通量的需要，為確保虞宜線成為錫滬路上城市快速路，需將原況橋梁向南、北兩側(cè)拓寬至35m，將原雙向四車道橋梁拓寬改建為雙向六車道橋梁，并新建人非混合車道橋。原況橋上部結(jié)構(gòu)主梁，對(duì)應(yīng)機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道部分的荷載均按汽車-20級(jí)、掛車-100設(shè)計(jì)，并且拓寬改建后的要求荷載均為汽車-超20級(jí)、掛車-100。

為節(jié)省工程投資，利用老橋且根據(jù)現(xiàn)虞宜路交通不允許中斷的情況，經(jīng)有關(guān)部門批準(zhǔn)，確定將全線的預(yù)應(yīng)力板梁（新建橋梁除外）進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，全線橋梁加固面積284m2。

3 加固方案和材料的選定

3.1 加固方案的選定

由于老橋施工端面狀況較好，經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案的比選，最終選用新型的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。主要利用它極強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度（是普通Ⅱ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度的10倍以上），其彈模也與鋼材相當(dāng)。其自重輕，對(duì)原結(jié)構(gòu)的厚度增加很小，加固后的表面可進(jìn)行各種裝飾噴涂。施工時(shí)不需要特殊設(shè)備及大型機(jī)械設(shè)備，不需中斷交通。不需大的施工空間，施工周期短。費(fèi)用比用鋼材加固稍高。另外施工簡(jiǎn)便，適用于要求施工周期短的加固工程。

3.2 材料的選定

日本、美國(guó)的一些碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在國(guó)內(nèi)有很多代理，他們的產(chǎn)品質(zhì)量不錯(cuò)，并且對(duì)施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。從已完成加固的工程量來(lái)看，很多項(xiàng)目均采用直接引進(jìn)成品碳纖維，但費(fèi)用較高。近期由于國(guó)產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ)。本次加固采用的碳纖維是從日本引進(jìn)的原料絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行編織生產(chǎn)，大大降低了費(fèi)用。其各項(xiàng)性能指標(biāo)已基本達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平，可以滿足工程的需要。根據(jù)對(duì)現(xiàn)況梁的受力計(jì)算，以及碳纖維布的力學(xué)性能及能夠有效粘結(jié)的最大層數(shù)，最終碳纖維布選用CFC-30型，該產(chǎn)品通過(guò)國(guó)家級(jí)質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

3.3 材料性能

3.3.1 耐久性

橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在室外，平時(shí)有風(fēng)霜雪雨的作用，以及陽(yáng)光的直接曝曬。冬夏季溫差大。大氣中的二氧化硫含量高，冬季除冰鹽的使用會(huì)增加結(jié)構(gòu)物中氯離子的含量，因此，碳纖維材料在橋梁工程中的使用相對(duì)于民用建筑而言，提出了更高的要求。針對(duì)本橋應(yīng)該滿足的耐久性要求，我們?cè)谶x擇碳纖維布時(shí)嚴(yán)格要求其各項(xiàng)耐久性指標(biāo)，主要有：①暴露于戶外的耐候性，②抗紫外線性能。

多年加速暴露實(shí)驗(yàn)證實(shí)，碳纖維的強(qiáng)度和粘著性能在相當(dāng)于50年時(shí)間內(nèi)不發(fā)生劣化。通過(guò)紅外線分光實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)內(nèi)部環(huán)氧樹脂完好無(wú)損。

3.3.2 耐熱、耐寒性

復(fù)合材料在-54℃、23℃、82℃強(qiáng)度不降低?；炷裂a(bǔ)強(qiáng)試件從-20℃至50℃，3小時(shí)內(nèi)10次循環(huán)浸漬，抗彎曲強(qiáng)度不降低。

3.3.3 耐水性

70℃浸漬30天，抗拉強(qiáng)度、搭接強(qiáng)度不降低。

3.3.4 耐化學(xué)腐蝕性

①耐鹽水腐蝕性能。復(fù)合材料在35℃鹽水下，浸泡1年，強(qiáng)度不降低。

②耐酸性。在10%硫酸浸漬3個(gè)月后，纖維片、復(fù)合材料混凝土補(bǔ)強(qiáng)試件強(qiáng)度都不降低。

③耐堿性。復(fù)合材料在40℃氫氧化鈣飽和鹽水中浸泡300個(gè)小時(shí)后，強(qiáng)度不降低。

3.4 材料作用

3.4.1 碳纖維單向布，用于加固補(bǔ)強(qiáng)。

3.4.2 表面處理樹脂，用于被加固砼結(jié)構(gòu)的表面處理。

3.4.3 修平樹脂，用于砼結(jié)構(gòu)表面修平。

3.4.4 浸漬樹脂，用于碳纖維布的粘貼、浸漬，使其與砼結(jié)合成為一個(gè)牢固整體。

通過(guò)采用上述碳纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋梁、板等構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前、后不同類型的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，以及對(duì)施工環(huán)境條件、施工工藝的防護(hù)層的探討和研究，并經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)證實(shí)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良。

4 施工工藝

由于碳纖維布彈模與鋼筋相近，故在施工時(shí)應(yīng)盡量給梁卸載，來(lái)減少梁中的鋼筋及混凝土的變形，確保加固后的鋼筋受到的拉應(yīng)力能部分傳遞給碳纖維，達(dá)到兩者能同步協(xié)調(diào)工作，盡量縮短原梁鋼筋與碳纖維的應(yīng)力應(yīng)變的差值，推遲將原梁結(jié)構(gòu)的鋼筋受力轉(zhuǎn)給碳纖維的時(shí)間，在最大荷載作用下，同時(shí)進(jìn)入承載能力極限狀況使梁的總體強(qiáng)度得到顯著提高。

在恒載及活載的作用下，梁中的鋼筋及混凝土存在應(yīng)力。由于現(xiàn)板梁的結(jié)構(gòu)不作改變，也就是恒載始終作用。除恒載外，橋梁結(jié)構(gòu)還承受車輛的活載作用，而車流量具有波動(dòng)性。在夜間，車流量很小，對(duì)交通的影響也小，故我們選擇在夜間禁止大噸位車輛通行及限制交通量的方式來(lái)降低活載對(duì)梁的作用力，同時(shí)，在此季節(jié)白天溫度較高，夜間溫度一般在10℃～20℃，非常適合粘貼劑的施工。

施工工藝如下：

4.1 去除待加固部位的混凝土表面風(fēng)化層，表面作打磨處理，并鑿毛，露出新茬。施工面總體上要平整，并保持干凈。

4.2 將表面處理樹脂均勻涂刷在施工面上，不可有遺漏。待其不粘手時(shí)，用修平樹脂找平施工面。要求施工基面平整無(wú)凹陷處。

4.3 待修平樹脂不粘手時(shí)，在施工基面上均勻涂刷浸漬樹脂，其厚度為3mm～5mm，要求一定將樹脂全部蓋住施工基面，不得有過(guò)厚、過(guò)薄或有遺漏處。

4.4 將碳纖維布拉緊展平，并鋪在涂有浸漬樹脂的基面上，然后用輥?zhàn)訚L壓，排除單向布與浸漬樹脂間的空氣，并使浸漬樹脂完全浸透碳纖維布。若發(fā)現(xiàn)有空氣，應(yīng)采取措施排除空氣。要求滾壓之后的碳纖維布要平直，同時(shí)布與樹脂間無(wú)氣泡。

4.5 涂下一層浸漬樹脂在碳纖維布上，并均勻蓋住。其厚度一般為1mm～2mm。要求在確認(rèn)碳纖維布與樹脂之間無(wú)空氣后，方可涂刷。在鋪設(shè)滾壓最后一層單向布后，應(yīng)做一次最后的壓平、整理。

4.6 養(yǎng)護(hù)7天后，表面涂刷具有抗老化及耐腐蝕性能的防護(hù)層。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最后做表面裝飾層，使之與周圍的混凝土一致。

選用的防護(hù)層具有優(yōu)異的抗老化和耐介質(zhì)腐蝕性能，可在-50℃～120℃溫度的環(huán)境下長(zhǎng)期使用，此材料已在中央電視塔、三峽工程西陵長(zhǎng)江大橋等多項(xiàng)重點(diǎn)工程中使用，效果良好。團(tuán)結(jié)、馮家、雙廟等橋梁加固工程自2006年9月上旬開(kāi)工，2006年10月上旬竣工歷時(shí)約30天，碳纖維布與梁表面粘結(jié)良好，取得了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。為了了解加固后的運(yùn)行狀況，我們一直對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，包括加固部位周邊混凝土表面裂縫的觀測(cè)。碳纖維表面防護(hù)層的顏色、密封性能、平整度的變化以及梁的撓度值等。通過(guò)近1年的觀測(cè)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明所有的變化值均在設(shè)計(jì)許可的范圍之內(nèi)。

5 加固優(yōu)點(diǎn)及探討意見(jiàn)

5.1 碳纖維布重量輕，施工時(shí)不用任何重型設(shè)備，其又很薄不需要較大的空間，尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優(yōu)越性。

5.2 加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)，采用粘貼強(qiáng)度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，也能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結(jié)構(gòu)重量未增加，外表也輕巧美觀。

5.3 有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂，因而不會(huì)出現(xiàn)生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能，碳纖維布有極好的抗化學(xué)作用。

5.4 在團(tuán)結(jié)、馮家、雙廟等橋梁加固工程中使用碳纖維復(fù)合材料加固全橋板梁，為工程節(jié)省投資，減少了施工周期，還解決了施工中不中斷交通的難題，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，受到了有關(guān)單位的好評(píng)。通過(guò)本次近300m2的碳纖維布在橋梁補(bǔ)強(qiáng)中的成功應(yīng)用，表明該項(xiàng)技術(shù)在橋梁工程中是切實(shí)可行的，并有極為廣闊的應(yīng)用前景。

5.5 由于國(guó)家尚無(wú)碳纖維橋梁加固技術(shù)的規(guī)程或規(guī)范，限制了該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，希望能盡快制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為橋梁的碳纖維加固技術(shù)提供更多、更好的技術(shù)保障。

綜上所述，粘貼碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)行之有效的方法，值得推廣應(yīng)用。

[1]張劍.碳纖維布(CFRP)加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性探討.橋梁腐蝕防護(hù)與耐久性.2001.11

[2]岳清瑞,陳小兵,牟宏遠(yuǎn).碳纖維材料(CFRP)加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù).工業(yè)建筑,1998,28(11)

[3]]張鳳翻.混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)用復(fù)合材料的選材和使用.中國(guó)首屆纖維增強(qiáng)塑料混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2000.6