碳纖維加固技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用解析

徐培滿 徐銘閏

摘要：由于采用碳纖維材料進行結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比于粘鋼加固、外包鋼加固、擴截面加固等傳統(tǒng)加固技術(shù)手段來說，具有輕質(zhì)高強、耐久性強、施工便捷以及使用面廣等許多無可比擬的優(yōu)勢。隨著我國不少大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已由大規(guī)模的新建階段向全面維護階段更新轉(zhuǎn)變，可以預(yù)見，未來采用碳纖維材料進行結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在市政工程領(lǐng)域也將得到長足發(fā)展。

關(guān)鍵詞：碳纖維加固技術(shù)；市政工程

碳素纖維是在幾千高溫下制造出的一種高科技產(chǎn)品，碳素纖維加固技術(shù)是將碳纖維布（板）用高性能黏結(jié)材料粘貼于結(jié)構(gòu)表面，通過其與結(jié)構(gòu)共同工作，利用碳纖維良好的抗拉性能增強結(jié)構(gòu)承載力，改善結(jié)構(gòu)受力狀況，實現(xiàn)補強加固的施工工藝。碳纖維材料的特點是具有強度高，施工方便迅速，施工空間無限制，抗酸堿，耐腐蝕等。它具有比鋼材高出十多倍的抗拉強度和相當于鋼材的彈性模量的。受彎加固時，纖維方向應(yīng)與加固的受力方向一致；受剪加固、抗震加固時，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直；受彎加固和受剪加固時，混凝土強度等級應(yīng)不低于 C15；采用封閉粘結(jié)碳纖維加固混凝土柱時，混凝土強度等級應(yīng)不低于 C10；碳纖維加固的效果主要取決于纖維的粘貼工藝。它是一種具有較高技術(shù)含量的、全新的建筑結(jié)構(gòu)加固方法。加固后的結(jié)構(gòu)具有抗拉強度高、剛度大，抗疲勞性和減振性好，可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型方便，自重輕、不增加荷載及斷面尺寸，有良好的耐化學(xué)腐蝕性，施工簡便等優(yōu)點。

一、碳纖維加固技術(shù)介紹

1、常用結(jié)構(gòu)加固技術(shù)介紹

1.1增大截面法

增大截面法是指用同一種材料，通過增大構(gòu)件截面面積，提高構(gòu)件的承載力和結(jié)構(gòu)剛度來達到對原構(gòu)件進行加固目的的一種傳統(tǒng)的加固方法。該方法的優(yōu)點在于工藝簡單，適用面廣。其缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)量大，施工周期長，對建筑物的使用環(huán)境有較大影響，此外，由于原構(gòu)件截面變大，減少了原建筑物的使用空間。

1.2外包鋼加固法

外包鋼加固法是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件四角（或兩角）包以型鋼的加固方法，它是一種使用面較廣的傳統(tǒng)加固方法。該方法分為干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。它可以在基本不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下提高承載力，增大延性和剛度。外包鋼加固法適用于混凝土柱、梁、屋架以及砌體柱和窗間墻，也適用于煙囪等構(gòu)筑物的加固。該方法的優(yōu)點在于施工簡便，工作量小，受力較為可靠。其缺點在于用鋼量較大，加固維修成本高。

1.3預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是在被加固構(gòu)件體外增設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿或撐桿，通過施加預(yù)應(yīng)力使體外拉桿或壓桿與被加固構(gòu)件共同受力，克服被加固構(gòu)件應(yīng)力的超前現(xiàn)象，提高建筑物承載能力和剛度的方法。該方法特別適用于大跨度結(jié)構(gòu)的加固，以及采用其他方法效果不佳的較高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的大型結(jié)構(gòu)加固。此方法的優(yōu)點在于可在幾乎不改變使用空間的條件下，改變原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布并降低原結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。其缺點是施工設(shè)備和技術(shù)要求特別高，施工難度大。

2、碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)介紹

2.1碳纖維結(jié)構(gòu)加固方法中根據(jù)生產(chǎn)的原料不同，碳纖維有很多種類，主要有碳纖維布、碳纖維板和碳纖維預(yù)應(yīng)力筋。

2.2施工工藝介紹碳纖維結(jié)構(gòu)加固方法的施工工藝主要包括施工前期準備、加固區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)基層表面的打磨與修復(fù)處理、碳纖維材料與膠結(jié)劑的制備、碳纖維材料的粘貼及固化養(yǎng)護、現(xiàn)場粘貼成品的保護以及施工驗收。

2 .3碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的優(yōu)越性與傳統(tǒng)加固修補方法及粘鋼板、噴射混凝土加固技術(shù)相比，碳纖維材料（CFRP）加固修補混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

二、某橋梁洞口施工以及加固工藝分析

2. 1 工程概況

某高速公路上面一座立交橋為雙喇叭式全互通立交橋，鋼筋混凝土簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)有圓柱形橋墩，T 型墩，設(shè)計荷載為汽—超 20，掛—120，人群荷載為 3. 5 kN/m3。碳纖維加固施工簡便迅速，基本不增加結(jié)構(gòu)重量，能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補強，可以多層粘貼，能有效地封閉混凝土裂縫、不影響結(jié)構(gòu)外觀，耐久性好等特點，所以本工程采用了碳纖維加固的方法。根據(jù)設(shè)計要求，需要對局部箱梁梁體進行開口設(shè)計，便于進入箱體內(nèi)維修，針對于此種情況，制定了如下的施工工藝。

2. 2 施工工藝及控制要點

（1）碳纖維布加固工藝流程

施工準備→放線定位→混凝土基底處理→刷底層膠→找平→粘貼碳纖維布→養(yǎng)護

（2）施工需要注意的問題

①洞口混凝土邊緣處理方法。

Ⅰ將箱梁洞口周邊的雜物清理干凈。

Ⅱ?qū)?jīng)過剔鑿、清理和露筋的混凝土殘缺部分，進行修補、復(fù)原。

Ⅲ裂縫修補：可以用環(huán)氧樹脂在裂縫周圍涂刷并進行密封；針對于那些大于0.2mm的裂縫可以用環(huán)氧樹脂涂縫處理。

Ⅳ打磨：用混凝土角磨機、砂紙等機具，將基面的凹凸混凝土打磨平整，除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，直至露出結(jié)構(gòu)新面。門洞口轉(zhuǎn)角處進行導(dǎo)角處理，并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。

Ⅴ清潔打磨過的混凝土表面，將表面浮塵清除干凈，再用丙酮將需粘貼處清洗干凈，并使其充分干燥。

②刷底層膠。將配好的底膠，用滾筒刷均勻涂于需加固混凝土的表面。

③找平。用找平膠對洞口周邊混凝土表面殘缺部位進行修補。表面仍存在的凹凸糙紋，應(yīng)再用砂紙打磨平整。修復(fù)后的混凝土表面盡量平順。

④粘貼碳纖維布：本工程采用的是300g/m2碳纖維布。

Ⅰ保證洞口需要粘貼不完干爽。當溫度高于5℃，相對濕度RH 小于85%時，禁止施工。

Ⅱ碳纖維材料應(yīng)該保證運輸安全、穩(wěn)定，不能有碰損現(xiàn)象發(fā)生。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數(shù)量應(yīng)按當天的用量裁切為準。

Ⅲ粘貼樹脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。用刮板將環(huán)氧樹脂均勻地涂刮在需要粘貼碳纖維布位置，隨即把按要求裁剪好的碳纖維布粘貼在需要加固的部位，然后用專用工具（皮輥）沿碳纖維布的受力方向來回滾壓，使樹脂滲浸進碳纖維中，并擠壓出在碳纖維和樹脂之間的空氣。碳纖維縱向接頭搭接長度100 mm，橫向不需要搭接。

當碳纖維材料干燥后，可以第二道纖維布進行粘貼，方法同上。另外，在洞口需要粘貼三層碳纖維布，洞口端部要用橫向布進行加固。等材料干燥后，需要刮涂一層膠，滾壓密實，使樹脂與布充分接觸。待面層環(huán)氧樹脂觸干燥后，表面做一層保護層（防火涂料）。

⑤空鼓檢查：用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面進行檢查，對于直徑≥30 mm 的空鼓進行補修。

空鼓處理方法：

Ⅰ通過注射器向碳纖維布料總注入碳纖維材料，需要在布料上面開兩個孔洞。

Ⅱ用割刀切入碳纖維布 2 ～ 3 刀，用橡膠刮板沾上適量樹脂，填進割開的縫內(nèi)。

Ⅲ補丁修補法。當貼布完全固化后，且無法用割刀切開或注入樹脂時，或出現(xiàn)褶皺、松弛時，采用此法割去不良部分，重新粘貼碳纖維布。

（3）質(zhì)量控制：工程管理人員應(yīng)該嚴格檢驗碳纖維布和膠結(jié)材料的質(zhì)量，檢查是否有出產(chǎn)合格檢驗證明和質(zhì)量報告，材質(zhì)要保證具有加固補強的技術(shù)能力。

①碳纖維布無受損，并且按規(guī)定裁切。

②工程計算人員要嚴把每一道程序的質(zhì)量關(guān)，在工序進行完成后，要檢查合格，才能批準進行下一道工序。

③洞口的底層涂料要涂刷均勻，不能出現(xiàn)沒有涂刷現(xiàn)象，涂刷時要保證氣溫在規(guī)范要求范圍內(nèi)；為保證質(zhì)量，添加了稀釋劑的涂料應(yīng)該在規(guī)定時間內(nèi)用完。

④混凝土表面殘缺修補，確?；谆炷帘砻嫫秸?。

⑤粘貼碳纖維布控制要點：

Ⅰ碳纖維布規(guī)格，粘貼位置、長度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合規(guī)定，特別要注意不能把纖維布橫向使用。

Ⅱ氣溫、空氣濕度、構(gòu)件表面等符合要求。

Ⅲ底層膠達到指觸干燥。

Ⅳ黏結(jié)膠的類型與施工時的氣溫適合，主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準確，攪拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)用完。

Ⅶ檢查空鼓部位，并妥善處理。

三、結(jié)語

通過對以上碳纖維混凝土加固工程實例的分析，可以看出碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)具有適應(yīng)性強、場地需求小、機器成本低、操作方便及養(yǎng)護時間短等優(yōu)點。因此，在市政工程中，我們要考慮綜合加固方法，充分發(fā)揮碳纖維加固的優(yōu)點，克服存在的缺點，加強過程控制，使加固技術(shù)在施工過程中不斷得到完善和發(fā)展。

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