橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)分析

葉建斌

（廣州公路工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510075）

0 引言

碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中，能夠起到良好的加固作用，因此被廣泛應(yīng)用，基于橋梁結(jié)構(gòu)本身存在差異，所需使用的加固技術(shù)亦有所不同。比較常見的加固方式包括臨界桿施工、恒載減負(fù)、補(bǔ)充桿件等方式。與碳纖維加固技術(shù)相比，以上幾種方式均存在一定的弊端。碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用成本比低、效果好，施工流程簡(jiǎn)單，是一項(xiàng)實(shí)用性強(qiáng)、可行性高的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。

1 案例分析

1.1 工程概況

工程項(xiàng)目建設(shè)橋梁全長為9.3km，與某高速公路對(duì)接，橋梁設(shè)計(jì)行車速度為100km/h，橋面通行采用八車道的高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)。工程建設(shè)嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）文件中的內(nèi)容執(zhí)行。工程建成于2016年，于2018年發(fā)現(xiàn)裂縫，為控制并解決裂縫問題，設(shè)計(jì)人員對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，考慮橋梁可能受荷載因素、混凝土收縮因素及環(huán)境溫度變化因素影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)裂縫，決定采用三層碳纖維加固技術(shù)施工、使用環(huán)氧樹膠進(jìn)行灌漿的方式，避免裂縫的產(chǎn)生，起到加固作用。加固后現(xiàn)有裂縫問題得到了控制，并沒有在后續(xù)投入使用過程中再次出現(xiàn)裂縫問題。

1.2 碳纖維加固技術(shù)概述

1.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

碳纖維加固技術(shù)是一種新興的技術(shù)，可以在施工過程中投入使用，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁后續(xù)結(jié)構(gòu)問題的加固。該技術(shù)使用碳纖維材料對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該技術(shù)的橋梁即使處于惡劣的環(huán)境中，也不會(huì)產(chǎn)生裂縫，穩(wěn)定性可以得到保證，具備一定的抗化學(xué)物質(zhì)腐蝕作用。因此，碳纖維加固技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、韌性高、彈性好、承載力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具體碳纖維規(guī)格與性能指標(biāo)見表1。

表1 碳纖維規(guī)格及性能指標(biāo)

種類面積重/（g/m2）厚度/mm 強(qiáng)度/N 延伸率（%）高強(qiáng)度碳高強(qiáng)度碳高彈性碳200 300 300 0.11 0.16 0.16 3600 5000 4200 1.5 1.5 0.75

1.2.2 技術(shù)原理

該技術(shù)應(yīng)用原理為將碳纖維材料制作成纖維布，使用浸樹脂或糊樹脂將纖維布粘貼在橋梁表面位置，用于提高橋梁的荷載能力，起到提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。碳纖維材料與黏合材料的性能會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生影響，應(yīng)用方式也有所差別，碳纖維材料能夠分散橋梁的荷載力，黏合材料主要起到媒介固定的作用，但可能受環(huán)境、溫度、受力等因素的影響，需要使用黏合力比較強(qiáng)，并具備一定耐高溫屬性的材料，可以避免碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用后因外在因素出現(xiàn)剝離，導(dǎo)致碳纖維布無法起到加固的效果。使用膠帶將碳纖維粘貼在結(jié)構(gòu)裂縫的表面，由碳纖維束、粘眷樹脂、隔離紙和網(wǎng)狀織物組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1內(nèi)容所示。

圖1 碳纖維片結(jié)構(gòu)示意圖

2 碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)應(yīng)用流程

2.1.1 結(jié)構(gòu)裂縫表層處理

對(duì)裂縫進(jìn)行處理的過程中使用碳纖維加固技術(shù)，裂縫寬度在0.2mm 以上時(shí)，需用壁可法粘貼纖維片，采用封閉處理的方式。如果裂縫寬度在0.2mm 以下，則可以采用灌縫膠對(duì)其進(jìn)行處理，同樣采用封閉處理的方式。使用碳纖維片進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)以《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J23—2008）中的內(nèi)容為依據(jù)，經(jīng)各參與單位審核后，方可將碳纖維片應(yīng)用到裂縫處理和結(jié)構(gòu)加固之中。選擇使用的碳纖維片應(yīng)具備粘貼效果好、可灌性強(qiáng)的特點(diǎn)，并在固化后不會(huì)因收縮產(chǎn)生裂縫，可以根據(jù)粘貼材料用量對(duì)固化的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，加固后不會(huì)遺留化學(xué)物質(zhì)。

加固之前需要對(duì)裂縫的縫口位置進(jìn)行處理，確保其處于平順、無污漬的狀態(tài)，處理范圍需要延長40mm左右。在裂縫加固處理過程中，需要使用彈性高、強(qiáng)度高的碳纖維片，采用片狀排布的方式進(jìn)行，經(jīng)過樹脂浸泡后方可投入使用。按照施工要求，結(jié)合橋梁工程的實(shí)際情況及裂縫產(chǎn)生的主要區(qū)域，對(duì)裂縫生的基礎(chǔ)信息進(jìn)行勘察，包括裂縫的數(shù)量、長度等，經(jīng)過核對(duì)后將其記錄在案。針對(duì)橋梁不同結(jié)構(gòu)裂縫，需要采用不同的修補(bǔ)方法，在修補(bǔ)方法明確的基礎(chǔ)上，按照順序進(jìn)行加固作業(yè)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)裂縫封閉加固

按照碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用流程，首先對(duì)基地進(jìn)行清掃，隨后對(duì)膠底座的位置進(jìn)行標(biāo)注，隨后使用環(huán)氧碳纖維封閉加固技術(shù)，沿橋梁結(jié)構(gòu)裂縫區(qū)域開設(shè)V型槽，深度為7mm 左右，使用環(huán)氧樹脂膠液進(jìn)行涂刷、封閉。封閉作業(yè)完成后進(jìn)行碳纖維片的黏結(jié)，將黏結(jié)材料灌入縫隙之中，對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行處理。

（1）基層處理

對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行處理的過程中，根據(jù)勘察結(jié)果和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，可以判斷表面位置是否存在大量劣化混凝土，對(duì)污染物進(jìn)行剝離。根據(jù)實(shí)際情況選擇是否使用砂輪機(jī)將表面劣化結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏟除，或使用鋼絲刷清除施工作業(yè)位置的浮漿。使用砂輪機(jī)清除完畢后，應(yīng)使用空氣噴嘴將表面滯留的污染物清除干凈，隨后用清水或者甲苯溶液對(duì)其進(jìn)行二次清理，待干燥后進(jìn)行下一階段的施工作業(yè)。

（2）修復(fù)作業(yè)

在清除劣化層后，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)，如存在鋼筋外露的情況，需要做好防銹蝕作業(yè)。在裂縫或者斷層中注入環(huán)氧樹脂材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫區(qū)域的修補(bǔ)，期間需要格外注意其是否出現(xiàn)滲漏的情況。如水密性較差，則需要重新在裂縫區(qū)域注入環(huán)氧樹脂材料。施工作業(yè)期間出現(xiàn)環(huán)氧樹脂固化的情況，需要繼續(xù)在碳纖維表面區(qū)域涂刷環(huán)氧樹脂材料，可以提高其使用性能。完成裂縫或者斷層的修復(fù)作業(yè)之后，需要采用整體修復(fù)的方式，對(duì)表面凹凸不平的區(qū)域進(jìn)行清理，保證橋梁架構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)表面的光滑性和平整性，凹陷部分可以使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行修復(fù)處理，凸出位置可以使用砂輪機(jī)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行清除，如施工作業(yè)處于轉(zhuǎn)角位置，立刻使用樹脂砂漿對(duì)其進(jìn)行修復(fù)處理。

（3）涂料涂刷

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行底層涂料施工，由于碳纖維加固技術(shù)施工作業(yè)可能會(huì)受到溫度因素的影響，在進(jìn)行涂料涂刷施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇在晴天且溫度在5C 以上的環(huán)境下進(jìn)行。涂料使用粉墻刷工具或者滾筒工具，將涂料均勻涂抹在橋梁裂縫或斷層區(qū)域的底層基面位置上，確保涂抹均勻。完成涂抹后，對(duì)涂抹表面位置進(jìn)行檢查，判斷是否存在漏刷的情況。涂料干燥凝固后，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)、養(yǎng)護(hù)。整個(gè)涂料涂刷的作業(yè)過程中，需保證溫度穩(wěn)定、作業(yè)區(qū)域空氣的流通良好，并避免對(duì)涂刷區(qū)域造成污染。

（4）碳纖維材料粘貼

碳纖維材料粘貼前需將其制作成為碳纖維布，在樹脂溶液中浸泡，保證其強(qiáng)度符合加固標(biāo)準(zhǔn)。用裁剪工具對(duì)碳纖維布的尺寸形狀進(jìn)行調(diào)整，使其處于標(biāo)準(zhǔn)的尺寸范圍之內(nèi)，待面層區(qū)域干燥之后進(jìn)行粘貼作業(yè)。橋梁工程采用鋼筋作為結(jié)構(gòu)支架，使用混凝土澆筑施工，裸露鋼筋可能會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，在加固期間需要觀察鋼筋的銹蝕情況，使用化學(xué)試劑將銹蝕物質(zhì)清除干凈后，方可進(jìn)行粘貼作業(yè)。碳纖維布的黏合材料使用樹脂類的黏合劑，將其粘貼在橋梁結(jié)構(gòu)的表面位置，并施加一定的壓力，避免碳纖維布與結(jié)構(gòu)出現(xiàn)粘貼不牢固的問題，將中間位置作為重點(diǎn)施壓區(qū)域。如需要進(jìn)行兩層或者多層的碳纖維布粘貼，則需要反復(fù)施壓。粘貼過程要觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，保持空氣流通，避免溫度過高或者過低對(duì)碳纖維布的粘貼產(chǎn)生影響，如溫度過高則采取灑水降溫措施，保證良好的黏合效果，如果溫度過低則采用覆膜的方式保持表面的溫度合理。

2.1.3 碳纖維布養(yǎng)護(hù)

碳纖維布在粘貼完成后，為達(dá)到良好的加固效果，需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。考慮年限、外界因素及環(huán)境因素的影響，需要在碳纖維布的表層涂刷一定量的防護(hù)材料。根據(jù)橋梁工程的實(shí)際情況選擇使用防火漆、防曬漆等，可以延長碳纖維材料的使用壽命，并有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐腐蝕效果，避免后續(xù)投入使用損傷橋梁結(jié)構(gòu)。需定期對(duì)碳纖維材料進(jìn)行檢測(cè)，清除已經(jīng)老化的碳纖維材料，必要時(shí)采用重新粘貼的方法提高碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用效果。

2.2 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

在對(duì)碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，需要保證加固技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性、可靠性。由于碳纖維加固技術(shù)起步較晚，在應(yīng)用方式上尚未形成健全的體系，需明確碳纖維加固技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

2.2.1 工藝要求

使用碳纖維加固技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，需要保證施工工藝的規(guī)范性、可靠性，切實(shí)做好技術(shù)管理工作，從而保證碳纖維布粘貼牢固，在具體施工作業(yè)中應(yīng)注意以下問題。

第一，裂縫及斷層表面位置的處理是關(guān)鍵，需要將出現(xiàn)裂縫的問題區(qū)域周邊脆弱或疏松的混凝土清除干凈，并做好結(jié)構(gòu)的防銹蝕作業(yè)。針對(duì)不同的裂縫，采用不同的裂縫處理手段，裂縫寬度在0.2mm 以下時(shí)，不需要使用灌縫處理技術(shù)便可以達(dá)到作業(yè)要求，裂縫寬度在0.2mm 以上時(shí)，則需要輔助應(yīng)用環(huán)氧樹脂對(duì)其進(jìn)行灌縫處理，以保證加固技術(shù)的應(yīng)用效果。

第二，碳纖維片基層處理對(duì)加固效果有直接影響。在修補(bǔ)作業(yè)過程中，應(yīng)選擇強(qiáng)度比原有強(qiáng)度高的砂漿進(jìn)行處理，在清除完表面位置的殘留物之后，對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。作業(yè)過程中要避免污染。

第三，碳纖維片粘貼的過程中，可預(yù)先涂刷環(huán)氧樹脂材料，碳纖維片的裁剪尺寸應(yīng)略大一些，粘貼完成之后，需要繼續(xù)涂刷環(huán)氧樹脂材料，整個(gè)過程需要嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。

第四，在碳纖維片的養(yǎng)護(hù)階段，需要控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到15d 左右，期間應(yīng)考慮人為因素、環(huán)境因素等對(duì)碳纖維加固技術(shù)效果產(chǎn)生的影響。在養(yǎng)護(hù)完成后，需要采用涂裝技術(shù)，對(duì)表面進(jìn)行涂刷處理，可以提高碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用效果。

因此，在使用碳纖維加固技術(shù)時(shí)，需要堅(jiān)持因地制宜、實(shí)事求是的基本原則，明確碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用流程、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，保證整個(gè)施工過程中不會(huì)出現(xiàn)影響加固效果的情況。

2.2.2 材料要求

碳纖維材料因其自身的性能可以起到加固的作用，但其力學(xué)性能會(huì)受到碳纖維片材料屬性影響，如何對(duì)其進(jìn)行加工尤為重要。目前市場(chǎng)上不同規(guī)格的纖維片在彈性量、延展性、強(qiáng)度上具有一定的差異，結(jié)合橋梁工程實(shí)際情況對(duì)不同規(guī)格的碳纖維材料進(jìn)行選擇，可以保證碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性。在使用碳纖維布進(jìn)行粘貼和加固的過程中，需要觀察碳纖維片的分布程度是否均勻，均勻地分布可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的荷載系數(shù)，分散對(duì)結(jié)構(gòu)的施加力。如果使用的碳纖維布材料分布不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致加固效果無法滿足要求，最終適得其反。

3 結(jié)語

綜上所述，橋梁病害問題的產(chǎn)生涉及多個(gè)方面，需要采用科學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)防。采用碳纖維加固技術(shù)可以有效地提高橋梁工程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁病害問題的預(yù)防。施工人員在使用碳纖維加固技術(shù)期間，也要明確工藝流程、技術(shù)參數(shù)、操作標(biāo)準(zhǔn)，切實(shí)發(fā)揮碳纖維加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)化之中的作用。