橋梁裂縫維修加固中的碳纖維加固施工技術

張洪旭

中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司，天津 300000

1 工程概況

某高速公路橋梁分左右兩幅，每幅19跨，上部結構為鋼筋混凝土空心板，下部為樁柱式橋墩。橋梁左幅、右幅斜交角分別為12°、0°，橋面寬21m，跨徑組合為19m×15.4m。橋梁交通流量較大，隨使用時間的延長，在行車荷載、降雨、日曬等因素的交替作用下，橋面鋪裝層、板底等多處存在裂縫，亟須對其采取維修加固措施，使其盡快恢復正常使用的狀態(tài)。

2 橋梁病害描述

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋梁橋面鋪裝層、蓋梁等部位均存在病害，梁端、鉸縫等處有結構受損以及混凝土滲水問題。在該橋梁的各類病害中，以裂縫較為典型，具有分布范圍廣、影響程度深、危害大的特點。病害的總體情況，具體如下：（1）橋面鋪裝層、板底兩處有較多的裂縫，沿鉸縫處縱向開裂，同時有持續(xù)發(fā)展的變化趨勢。（2）橋梁跨中、梁端兩處局部存在質(zhì)量問題，如混凝土受損、鋼筋銹蝕等，同時伴有較多的裂縫。在多類病害的共同作用下，橋梁結構的穩(wěn)定性受到影響。

3 碳纖維在橋梁裂縫維修加固作業(yè)中的優(yōu)勢

在具體的橋梁裂縫的維修加固工作中，運用碳纖維材料進行施工具備以下獨特的優(yōu)勢。（1）不影響橋體原有的結構。作為一種具備物理學性能的材料，碳纖維本身的重量僅占所用鋼材的1/4左右，且其使用方法是后期加工成厚度為0.112～0.168mm的片狀用以橋梁加固，這對橋體本身的自重結構與外截面形狀基本不產(chǎn)生影響。（2）便于施工。自重輕、操作性強是碳纖維在施工中的一大特點，且遇到箱梁構造的作業(yè)時，使用碳纖維材質(zhì)可以很好地實現(xiàn)室內(nèi)操作，在節(jié)省空間的同時，降低施工成本。（3）加固效果極佳。碳纖維在加固作業(yè)過程中可顯現(xiàn)出特定的物理力學性能，在與混凝土結合加固的瞬間，可將其自身強度及模量發(fā)揮到最大，由此提升橋體構件的承載力及延性，以實現(xiàn)加固的高強效果。（4）化學性能穩(wěn)定。相較于其他加固材質(zhì)，碳纖維的化學性能較為穩(wěn)定，在遇到水泥、酸堿鹽等物質(zhì)時，不輕易與之發(fā)生化學反應，可保持原有材質(zhì)特有的耐腐蝕性和使用的耐久性。（5）適用性強。作為一種典型的柔性材料，碳纖維可隨時展開裁剪及拼裝，適用性極強，在不改變原有工程結構特性的同時，可以提高整個項目的穩(wěn)固質(zhì)量，因此該材質(zhì)可以廣泛運用于各項工程的加固作業(yè)。

4 碳纖維加固技術的應用要點

橋梁裂縫維修加固的技術手段較多，現(xiàn)階段以碳纖維加固技術的應用較為廣泛，其采用高強度復合型材料CFRP，通過對裂縫覆蓋范圍的界定、找平等相關處理后，將碳纖維粘貼在混凝土表面，從而切實提高結構的承受能力，以保證結構的穩(wěn)定性。

溫度是影響碳纖維粘貼效果的關鍵因素，以5～35℃為宜，不宜在溫度偏高或偏低的環(huán)境中施工。此外，膠黏劑固化效果也會受到環(huán)境溫度的影響，是應重點考慮的內(nèi)容。混凝土表面含水率在4%以上時，應加強對水分的處理，采取烘干處理措施，使待粘貼的表面維持干燥的狀態(tài)。此外，還可選擇專門的膠黏劑配方，以適應實際施工環(huán)境[1]。

4.1 裂縫混凝土基底的處理

（1）精準界定混凝土基面的劣化層，利用鋼絲輪角磨機處理該部分，且鑿除賦存在梁底的勾縫砂漿，利用吹風機將該部分清理干凈，直至該處裸露出完整且潔凈的基面。（2）局部有鋼筋銹蝕、脹裂或松散的情況時，將該處鑿除干凈，在破傷口處刷涂環(huán)氧膠（目的在于將其作為黏合劑使用），利用輕質(zhì)修補砂漿找平。經(jīng)處理后，新舊混凝土需穩(wěn)定結合，所形成的混凝土保護層厚度需達到15mm及以上，平整度為5mm/m。（3）經(jīng)剔鑿、處理銹蝕露筋后，有可能顯現(xiàn)出明顯凹陷或是受損的構件，應對該部分予以修補，材料可以選擇輕質(zhì)修補砂漿或是碳纖維。（4）部分基面存在尖銳凸起的情況，可以利用混凝土磨片角磨機處理，將凸出的部分抹平，也可以利用該設備處理混凝土模板接頭的階梯狀錯位情況。在此環(huán)節(jié)施工中，可利用混凝土磨片角磨機做倒角處理，直至該處具有圓滑性為止（需滿足R≥2cm的要求）。（5）經(jīng)前述的基面打磨處理后，全面清理該處的粉塵以及松散浮渣，使該部分恢復至潔凈、干燥的狀態(tài)，以便后續(xù)工作的高效開展。

4.2 碳纖維底層膠的刷涂

（1）在確定待維修加固的區(qū)域后，利用滾筒刷將底膠涂抹在該處，此時嚴格控制涂刷層的厚度，要求不超過1mm。（2）待底膠凝固后，對其做詳細的檢查，表面存在毛刺則用砂打磨，使其具有平整性。

4.3 找平處理

（1）底膠干燥后，對其找平，若存在破損、凹陷、凸出或是其他情況，可以利用找平材料予以處理，經(jīng)刮填修補后，使該部分具有足夠的平整性。此外，轉(zhuǎn)角部位的光滑性與圓順性需得到保證，要求該處形成R≥2cm的圓角。（2）找平材料固化后，對整個處理面做詳細的檢查，若有毛刺則將其清理干凈，此時依然可采取用砂打磨的方法。

4.4 浸漬樹脂的涂刷

取適量黏結膠，利用毛刷或滾刷均勻涂抹至混凝土表面處，此時需著重控制黏結膠涂面的范圍，即不可小于粘貼的碳纖維大小。

4.5 碳纖維的粘貼

（1）待維修加固的部位經(jīng)過黏結膠涂抹處理后，在該處鋪覆碳纖維，對于同一層而言，每張?zhí)祭w維間的搭接均要在纖維方向行進；考慮到穩(wěn)定性要求，碳纖維沿纖維受力方向的搭接長度需達到100mm及以上，同時不可在主要受力區(qū)搭接。（2）按照自上而下的順序依次完成立面碳纖維的粘貼作業(yè)，然后利用膠輥沿碳纖維方向反復碾壓，通過外部施加壓力的方式改善材料的分布狀態(tài)，使樹脂膠液充分浸漬碳纖維，有利于提高碳纖維和底層黏結的穩(wěn)定性[2]。

4.6 固化與養(yǎng)護

（1）碳纖維粘貼工作完成后，安排5d的自然養(yǎng)護時間，使其達到初步固化的狀態(tài)，遇極端天氣時，可以利用塑料薄膜覆蓋，起到防護的作用。（2）樹脂固化過程中，鑒于材料對溫度較為敏感的特性，應當根據(jù)現(xiàn)場氣溫選擇合適的處理方法，主要工作思路如下：①在氣溫低于5℃時，可以更換材料，即選用低溫固化樹脂；②若仍使用常規(guī)材料，則要采取加溫措施，確保全過程中溫度不低于5℃。（3）養(yǎng)護環(huán)節(jié)加強對溫度的檢測與控制，若氣溫在10℃以下，養(yǎng)護時間應達到2周；氣溫在10～20℃時，可以適當縮短養(yǎng)護時間，以1～2周為宜，具體根據(jù)現(xiàn)場氣溫以及材料成型情況而定；當平均氣溫達到20℃以上時，正常情況下僅需養(yǎng)護1周即可。（4）待碳纖維材料完全固化后，對其做詳細的檢查，若有空鼓或是氣泡，則利用刀片小范圍地將碳纖維劃開，調(diào)制黏結膠后，利用注射器針管將其注入，通過材料的應用，使空氣或氣泡部位得到有效的填充處理，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐嵉臓顟B(tài)。最終，應確保黏結面積達到95%以上。

4.7 表面的修飾

經(jīng)碳纖維加固處理后，對已成型且滿足質(zhì)量要求的碳纖維予以保護涂裝，此階段需重點考慮保護涂料的性能。在操作時，工作人員應踐行精細化的作業(yè)理念，做細微的修飾，使整個裂縫病害修復范圍均具有完整性與穩(wěn)定性[3]。

5 碳纖維加固施工的注意事項

（1）涂裝施工前落實準備工作，即詳細清理基層的雜物。待裂縫等病害得到有效的處理后，安排足夠的時間使其干燥，通常為2h，使土層轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍餇顟B(tài)為止。加強現(xiàn)場安全管理，禁止場內(nèi)人員吸煙，以免出現(xiàn)安全事故。（2）逐步完成各道工序的施工以及質(zhì)量檢驗工作，若存在問題則及時處理，直至滿足要求為止，以免因前期質(zhì)量問題處理不到位而影響后續(xù)的施工質(zhì)量。（3）按規(guī)范做好現(xiàn)場驗收工作，要求黏結密實面積至少達到95%，否則需做進一步的處理。（4）碳纖維的豎向、環(huán)向搭接量分別需達到100mm、200mm，也可根據(jù)實際情況適當增加，保證碳纖維材料具有足夠的穩(wěn)定性。（5）如前文所述，碳纖維對環(huán)境溫度較為敏感，即現(xiàn)場溫度需達到5℃及以上，若在5℃以下，則需采取加溫措施或更換其他優(yōu)質(zhì)的材料。此外，還需做到遠離火源、避免陽光直射。

6 養(yǎng)護及質(zhì)量檢驗

樹脂固化過程中，應加強防護，使材料可以在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中成型，發(fā)揮其在裂縫維修加固中的應用優(yōu)勢。在質(zhì)量檢驗環(huán)節(jié)，要求尺寸位置偏差≤20mm，粘貼空鼓率≤5%，單處空鼓面積≤100cm2。

7 結束語

綜上所述，裂縫的出現(xiàn)將影響橋梁結構的整體質(zhì)量，使其出現(xiàn)承載力偏低、耐久性不足等問題。碳纖維加固技術在裂縫維修加固中具有較好的應用效果，能夠以較為便捷的方式完成相關工作，裂縫加固效果良好，是一種可行的技術手段。