淺談橋梁碳纖維加固技術若干理論
發布時間：2014-02-25 共1頁
自上世紀七十年代末初期，歐洲進行纖維增強復合材料（FRP）在土木工程應用研究以來，具有極好的比強度和比剛度、優秀耐腐蝕性的纖維增強復合材料已廣泛用于混凝土結構的粘貼加固工程，形成了纖維增強復合材料補強加固已有混凝土橋梁的新技術，其中碳纖維增強復合材料（CFRP）應用更多。混凝土橋梁結構的粘貼碳纖維板技術在加固中具有不中斷交通，且工期短，人工少的優點。所以擴展該項技術開展了配有大偏心CFRP體外束預應力混凝土連續梁橋體系應用研究，是本世紀新型橋梁建設方向之一。
一、碳纖維材料的基本特性
碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
1、碳纖維片材。
片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
2、配套樹脂類粘結材料。
混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構件表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作的關鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術而言，環氧樹脂在不同施工環境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關。采用專配的環氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
二、碳纖維加固補強的施工工藝
1、根據設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理
a）將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；
b）裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫；
c）將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
d）清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。
2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）。
a）把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準；
b）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
C）底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；
d）注意在氣溫小于5C，相對濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。
3、環氧膩子對構件表面殘缺的修補。
a）構件表面凹陷部位應用環氧膩子填平，修復至表面平整；
b）內角（段差、起拱等）要用環氧膩子填補使之平順。
4、貼碳纖維片。
a）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折。貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷纖維片，每段長度一般不超過6rn；。
b）碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；
c）按規定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；
d）貼片時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。
5、養護。
粘貼碳纖維片后，需自然養護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。
6、涂裝。
根據需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
三、碳纖維（片材）加固處理要點
在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。
（1）破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。
（2）按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.
（3）涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。
（4）找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。
（5）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。
（6）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
四、對碳纖維加固補強技術的展望
碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優點：
a）施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；
b）不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設計厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；
c）能適應各種結構外形的補強；d）可以多層粘貼。可根據設計要求，在一個部位重疊粘貼。
隨著我國高等級公路的迅速發展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。
一、碳纖維材料的基本特性
碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
1、碳纖維片材。
片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
2、配套樹脂類粘結材料。
混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構件表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作的關鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術而言，環氧樹脂在不同施工環境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關。采用專配的環氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
二、碳纖維加固補強的施工工藝
1、根據設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理
a）將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；
b）裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫；
c）將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
d）清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。
2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）。
a）把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準；
b）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
C）底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；
d）注意在氣溫小于5C，相對濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。
3、環氧膩子對構件表面殘缺的修補。
a）構件表面凹陷部位應用環氧膩子填平，修復至表面平整；
b）內角（段差、起拱等）要用環氧膩子填補使之平順。
4、貼碳纖維片。
a）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折。貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷纖維片，每段長度一般不超過6rn；。
b）碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；
c）按規定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；
d）貼片時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。
5、養護。
粘貼碳纖維片后，需自然養護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。
6、涂裝。
根據需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
三、碳纖維（片材）加固處理要點
在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。
（1）破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。
（2）按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.
（3）涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。
（4）找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。
（5）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。
（6）在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
四、對碳纖維加固補強技術的展望
碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優點：
a）施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；
b）不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設計厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；
c）能適應各種結構外形的補強；d）可以多層粘貼。可根據設計要求，在一個部位重疊粘貼。
隨著我國高等級公路的迅速發展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。
