碳纖維復(fù)合材料在公路橋梁加固中的應(yīng)用

譚振東

（邢臺市高速公路管理處， 河北 邢臺 054001）

1 碳纖維材料的優(yōu)點

作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料， 碳纖維的比重不到鋼的1／4， 碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3 500MPa以上， 是鋼的7～9倍， 抗拉彈性模量為23000～43000MPa， 亦高于鋼。 因此， CFRP的比強度（材料的強度與其密度之比） 可達到2 000MPa／（g／cm3） 以上， 而A3鋼僅為59MPa／（g／cm3） 左右。CFRP的比模量也比鋼高。 隨著科技的進步， 這種材料已逐漸由航空航天及國防領(lǐng)域擴展到公路橋梁補強加固領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的鋼筋、 水泥等材料相比， 碳纖維材料具有以下優(yōu)點：

（1） 強度高（是鋼鐵的5倍）；

（2） 出色的耐熱性 （可以耐受2 000℃以上的高溫）；

（3） 出色的抗熱沖擊性；

（4） 低熱膨脹系數(shù)（變形量?。?；

（5） 熱容量小（節(jié)能）；

（6） 比重?。ㄤ摰?／5）；

（7） 優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能。

與鋼筋混凝土等傳統(tǒng)加固方法相比， 碳纖維材料加固法的優(yōu)點表現(xiàn)為：

（1） 施工速度快， 對交通影響小；

（2） 加固完成后不增加結(jié)構(gòu)自重；

（3） 構(gòu)件截面變化小， 加固后不改變橋梁原有的通航（通行） 能力；

（4） 施工工藝簡單， 造價低， 節(jié)約投資成本。

碳纖維布加固施工要求施工人員具備一定的專業(yè)技術(shù)知識與豐富的碳纖維加固施工經(jīng)驗， 工程管理者應(yīng)精心組織， 科學(xué)控制從施工準(zhǔn)備、 混凝土表面處理、 配制并涂刷底層樹脂、 配制找平材料并對不平整處進行找平處理、 配制并涂刷浸漬樹脂或粘貼樹脂、 粘貼碳纖維布， 到最后表面防護的每一道施工工序。

2 碳纖維材料的施工

2.1 基底表面處理（見圖1）

圖1 表面處理

基底表面處理注意事項如下：

（1） 施工時， 溫度要求高于5℃、 低于35℃，混凝土表層含水率不大于4%、 相對濕度小于85%，如遇雨天混凝土表面結(jié)霧或有水分， 則應(yīng)用熱風(fēng)機將潮濕部位表面處理至干燥后方可施工；

（2） 對加固區(qū)域的裂縫采取一定的修補技術(shù)進行封閉處理；

（3） 清除被加固構(gòu)件表面的剝落、 疏松、 蜂窩、 腐蝕等劣化混凝土， 對加固區(qū)域進行平整打磨， 并用丙酮反復(fù)清洗， 除去表面油污、 浮塵等雜質(zhì)， 露出混凝土結(jié)構(gòu)層， 并按照混凝土修補的相應(yīng)技術(shù)進行修補；

（4） 對基面經(jīng)過剔鑿， 處理銹蝕露筋可能出現(xiàn)的急劇凹陷或構(gòu)件缺損部位， 用環(huán)氧樹脂砂漿將材料填補修復(fù)平整或圓滑順暢過渡， 以確保結(jié)構(gòu)件表面平整美觀； 對基面尖銳凸起的部位 （混凝土構(gòu)件交接部位、 模板段差等） 用混凝土磨片角磨機磨平凸起的轉(zhuǎn)角， 對于可能存在的混凝土模板接頭處的階梯狀錯位， 可用混凝土磨片角磨機進行倒角處理， 打磨至圓滑（R≥20mm）。

2.2 底膠涂刷

底膠涂刷中要注意如下事項：

（1） 用特制滾筒將底膠均勻、 無遺漏地涂在所需補強的混凝土表面， 底膠涂布面的邊界應(yīng)不小于所粘貼碳纖維布的面界， 做到不漏涂， 無流淌、 無氣泡等；

（2） 待底膠凝膠指觸干燥 （據(jù)常溫下在1h左右） 后， 檢查表面有無突起毛刺， 如有則用砂紙打磨光順， 但不能打穿；

（3） 底膠固化后應(yīng)盡快進入下一道工序， 若涂刷時間超過7d， 應(yīng)清除原底膠， 用角磨機磨除， 重新涂刷。

2.3 涂找平膠找平

找平膠是一種用粘結(jié)膠加適量作為觸變劑的礦物調(diào)制而成的膩子。 涂找平膠找平的注意事項如下：

（1） 底膠指觸干燥后， 檢查表面層， 若發(fā)現(xiàn)粘貼表面上有缺損、 坑洼、 凹陷拐角、 模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位， 應(yīng)用找平膠進行刮填修補， 保證粘貼表面無明顯高度差、 缺損、 坑洼平緩順暢， 并將凹陷拐角處填補成R≥20mm的圓角過渡；

（2） 找平材料的調(diào)制和使用注意事項與底膠相同， 即等找平材料固化 （常溫下1h左右） 干燥后，如發(fā)現(xiàn)平整表面有突起毛刺， 則應(yīng)用砂布打磨光順。

2.4 浸漬樹脂粘貼碳纖維布（見圖2）

圖2 粘貼碳纖維布

樹脂粘貼碳纖維布的浸漬應(yīng)注意如下事項：

（1） 按照設(shè)計要求的尺寸和現(xiàn)場構(gòu)件的實際尺寸裁剪碳纖維布并編號， 放好樣， 粘貼方向嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行；

（2） 根據(jù)粘結(jié)膠的標(biāo)準(zhǔn)用量， 計算出所涂布面積的需用量， 視現(xiàn)場氣溫、 濕度等實際情況， 確保在適用期內(nèi)一次用完；

（3） 按粘貼膠使用說明的規(guī)定比例將粘結(jié)膠主劑和固化劑置于配膠容器中， 用電動攪拌器攪拌均勻；

（4） 用特制的滾筒將粘接膠均勻、 無遺漏地涂于選定的混凝土表面， 粘貼膠涂布面不小于所粘貼碳纖維布的大小；

（5） 在已涂好粘結(jié)膠的混凝土表面鋪覆碳纖維布， 搭接部位應(yīng)按纖維的方向進行搭接， 搭接長度不小于10cm， 各層之間的搭接部位不得位于同一條線上， 而必須錯開至少50cm；

（6） 用滾筒在碳纖維布上沿著纖維方向施加壓力并反復(fù)滾壓， 直至粘結(jié)膠滲出碳纖維布的外表面， 滾壓時由下向上， 由內(nèi)而外， 由中間向兩邊，以去除氣泡和多余的樹脂， 使碳纖維布充分浸潤膠料并與底層充分粘接；

（7） 對需要進行多層粘貼的， 重復(fù)以上步驟，但需在碳纖維布表面指觸干燥時， 方可進入下一層粘貼施工；

（8） 粘貼指觸干燥后， 仔細(xì)檢查， 如發(fā)現(xiàn)氣泡，則用注射針管注入樹脂， 確保密實面積大于95%。

2.5 自然養(yǎng)護

自然養(yǎng)護時要注意如下事項：

（1） 每處施工完成后， 自然養(yǎng)護24h內(nèi)應(yīng)確保不受外力硬性沖擊等干擾；

（2） 每道工序施工過程中及完工后， 均應(yīng)采取適當(dāng)措施保證不受污染或雨水侵襲。

2.6 結(jié)構(gòu)表面防護處理

對結(jié)構(gòu)粘貼碳纖維布表層進行保護涂裝 （即浸漬樹脂） 主要指涂刷混凝土保護漆加強防水處理。

3 粘貼碳纖維布施工安全和注意事項

粘貼碳纖維布施工安全和注意事項主要包括：

（1） 避免基材表面溫度與環(huán)境溫度相差太大，以防止粘貼后產(chǎn)生“露”， 保證濕度≤85%；

（2） 粘貼碳纖維布時要從單幅寬度的一側(cè)向另一側(cè)進行， 且粘貼時一定要精細(xì)， 將氣泡消除， 確保加固效果；

（3） 用消泡滾滾壓碳纖維布時， 可以向一個方向， 也可以從中間向兩個方向滾動， 但不允許來回反復(fù)滾動， 以免損傷碳纖維， 影響粘貼質(zhì)量。

“工欲善其事， 必先利其器”， 要確保加固質(zhì)量， 突出碳纖維的性能優(yōu)勢， 首要任務(wù)是把好原材料的質(zhì)量關(guān)， 使用符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) 《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》 （GB／T 3354） 中各項力學(xué)性能指標(biāo)的碳纖維材料， 具體如表1～表4所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料安全性及適配性檢驗合格指標(biāo)

表2 底膠的主要性能指標(biāo)

表3 修補膠的主要性能指標(biāo)

表4 浸漬/粘結(jié)用膠安全性檢驗合格標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

碳纖維材料在公路橋梁加固工程中的應(yīng)用， 是橋梁加固工程領(lǐng)域的一項重大技術(shù)革新， 它從根本上打破了傳統(tǒng)思維， 開創(chuàng)了公路橋梁加固施工的新方法， 因而值得推廣。

[1] GB/T 3354—1999， 定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].

[2] JTG/T J23—2008， 公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 劉月蓮， 林有貴， 等. 公路橋梁養(yǎng)護管理與維修加固[M]. 北京： 人民交通出版社， 2009.