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桥梁结构碳纤维加固技术与应用

（一）前言

中国桥梁工程的发展已具有相当规模，公路交通量不断增加，行车密度及车辆载重越来越大，公路桥梁负荷日趋加重。有一部分公路桥梁是中国20世纪80年代以前修建的，因其设计荷载标准偏低，普遍存在承载力不足的问题。而20世纪80年代以后修建的，其中已有不少桥梁暴露出缺陷，更有一些在远没有达到设计寿命时出现耐久性能严重退化的现象，影响其承载能力和使用寿命。因此，采用适当的加固和改造技术措施，***和提高桥梁的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以适应现代化交通运输的需要变得十分迫切。也就是说如果Vmax与V0差值较小，碳纤维抗剪加固的作用也是有限的。

（二）碳纤维材料特性

碳纤维增强塑料是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的，其力学特点是应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能。加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度标准值应大于3000MPa，弹性模量大于2.0×l05MPa.综合材料的物理、力学特性分析，要想大限度地发挥材料自身的优势，适宜将CFRP材料作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别适用于纯受拉构件，工程实践也证明了这一点。目前，用于桥梁加固的碳纤维材料主要是承受拉应力，约束裂缝的开展。环氧树脂是一种改性的热固性树脂，可以提供板材较好的耐腐蚀性能。

（三）碳纤维加固补强的施工工艺

1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理

(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；

(2)裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；

(3)将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；

(4)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

2、底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）

(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；

(2)用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；

(3)底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；

(4)注意在气温小于5℃，相对湿度大于85，砼表面含水率在8%以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。

3、环氧结构胶对构件表面残缺的修补

(1)构件表面凹陷部位应用环氧结构胶填平，修复至表面平整；

(2)内角（段差、起拱等）要用环氧结构胶填补使之平顺。

4、贴碳纤维

(1)为了防止碳纤维受损，在碳纤维运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折；

(2)碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；

(3)按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；

(4)贴碳纤维时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。

5、养护

粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。

6、涂装

根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。

（四）碳纤维加固处理要点

在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按以下施工工序进行加固施工。

1、破损面混凝土表面处理：清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。

2、按设计要求对破损面钢筋处理后用环氧树脂裂缝胶进行灌缝或封闭处理，并保证钢筋保护层厚度不小于15mm.利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。构件受剪加固时，应用碳纤维布加固时应使碳纤维的纤维方向与混凝土中主拉应力方向一致。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.

3、涂刷底层树脂：用专用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。

4、找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。

5、粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。混凝土表面含水率不宜大于4%，且不应大于6%，检测方法：用含水率测定仪检测。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。

6、在后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

7、必要时进行表面防护及外观处理。

（五）注意事项

1、碳纤维片材选择注意事项

碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。除此之外，芳纶纤维板优异的热稳定性也是使其优于纤维加固方式的重要因素之一。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。

2、碳纤维（片材）粘贴注意事项

①在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线***。

②按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm.

③将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。

④擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm.

⑤将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm.

⑥需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。

⑦施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。

⑧施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。

⑨树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。

⑩为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。

（六）对碳纤维加固补强技术的展望

碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在较多优点：

1、施工简便迅速，无需模板、夹具、支撑等；

2、不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m2～300g/m2，设计厚度0.111mm～0.167mm，加上环氧树脂的重量也很轻，对结构自重影响可忽略不计；

3、能适应各种结构外形的补强；

4、可以多层粘贴。可根据设计要求，在一个部位重叠粘贴。

（七）结束语

随着我国高等级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，都可以应用碳纤维布补强技术。

预应力碳纤维布加固原理

1、预应力碳纤维布加固方法

预应力纤维布加固系统由三部分组成：锚具、碳纤维布、碳纤维胶。其工作原理是将纤维布张拉至设计值，用粘结材料将其粘贴到混凝土板梁的受拉面，使其与混凝土结构共同受力利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。

2、预应力碳纤维布施工工艺

（1）施工准备：在加固表面按照设计施工放样，准确确定预应力碳纤维布和两端锚具位置。放样采取钢尺***，根据支座位子确定实际钻孔以及混凝土清理位置。

（2）混凝土粘贴表面处理：桥梁钢筋混凝土结构长期直接暴露在头一定湿度的空气中，在粘贴碳纤维布加固施工中，需打凿掉脆化疏松层，提高粘结力。碳纤维布与混凝土之间的粘结量可以用锤击法或者其他方法进行检查，确认有效粘结面积不应小于总粘结面积的95%。对混凝土粘贴面的脆化疏松层，应采用硬质金刚石磨轮打磨掉且完全露出新面，并用钢丝刷清楚输送浮层。为了保证预应力碳纤维布与混凝土之间的设计间隙，实现碳纤维布受力张拉时平直均衡无阻碍，对混凝土高凸面应采用金刚石打磨片打磨，对混凝土低凹面应采用环氧修补胶修补。假如粘贴时混凝土湿度较大，对混凝土粘贴面尚须进行人工干燥处理。

（3）钻植胶锚螺栓：施工放线次啊要钢筋探测仪标定螺栓钻孔位置，假如遇到钢筋需移位，应通知技术人员记录编号，并安排现场修整支座板安装孔。放样采取钢尺***，根据支座位子确定实际钻孔以及混凝土清理位置。采用电锤钻孔时应保证钻孔中心线与混凝土梁面垂直，钻孔中心位置偏差不超过3mm。采用化学胶管或植筋胶植入螺栓时，应保证孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。

（4）安装锚具支座与预应力碳纤维布：将锚固板安装至张拉板上，调整张拉钢板，使碳纤维布的纵向轴线通过锚具中线，以保证碳纤维布截面内力分布均匀。（2）使用前必须观察好环境、实际温度和熟悉工艺条件才能进行胶的试验调制，才能确定佳配置比例。待调整好平整度后，将碳纤维布的两端固定在锚固板上，取下另一段的锚固板，放置在干净的塑料布上，以便于在梁上涂刷浸渍胶。将配置好的浸渍胶均匀涂刷在构件的粘贴面，应保证涂刷厚度均匀。

（5）张拉预应力碳纤维布与压紧条安装：将锚固板安装在构件的另一端的张拉板上，轴承压在锚固板上，安装千斤顶并调整处于水平位置，加压张拉至设计张拉应力值的15%，刻录锚具张拉移动起始线。采用化学胶管或植筋胶植入螺栓时，应保证孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。加压张拉至设计张拉应力值的30%，检测锚行程位移是否对应预张拉时的刻录线。分段加压张拉至设计张拉应力值的50%、70%、90%、100%，检测锚具行程位移是否满足理论伸长量的要求，按规范要求张拉端锚具行程位移与理论伸长量误差应不大于±6%。加压或减压时，千斤顶行程速度应控制在20mm/分钟以内，严禁快速冲、放千斤顶行程。所有张拉都应在碳布胶适用期内完成。当张拉应力值和张拉端锚具行程位移满足要求后，将拉杆上面的锁固螺栓扭紧到位，使锚固端的碳纤维布与混凝土梁表面紧密结合，停顿5分钟没有其他异常情况后在碳纤维布表面再刷一层浸渍胶，使碳纤维布完全被树脂浸润，并用刷子沿纤维方向挤压，除去碳纤维下面的水泡。随后在锚固区域粘贴附加锚固U型箍或压条，压紧条安装时需与混凝土面保持1cm左右的缝隙以防止剥离***，之后拆除千斤顶和锚具张拉支架。

（6）固化养护与拆卸夹具：应碳纤维布在施工环境温度和材料特性合理控制固化时间，当施工环境温度低于25℃时，固化时间相对延长。由于采用不同配比、性能各异的树脂又具有较高粘结强度，能有效传递芳纶纤维板与混凝土两种材料间的应力，保证不产生界面的粘结剥离。在浸渍胶凝固后，检查碳纤维布的粘贴质量，在构件上覆盖一层塑料薄膜，养护后松开张拉机具，裁除多余的碳纤维布，将张拉机具卸除。

环氧树脂玻璃纤维复合筋性能

1、玻璃纤维特性

剥离纤维是以剥离为原料经高温溶质、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的。除了具有拉伸强度高，抗冲击性能大灯优异的力学性能，剥离纤维还是的电绝缘材料和工业防腐、防潮材料，更作为增强材料用以制造增强混凝土，增强水泥等制品。

2、环氧树脂特性

环氧树脂固化后也具有良好的物理、化学性能，环氧树脂介点性能良好，制品稳定性好，变定收缩率小，柔韧性较好，硬度高，对碱及大部分溶剂稳定，而且使用环氧树脂可以加强两种材料之间的粘结强度。

3、环氧树脂玻璃纤维复合筋

环氧树脂玻璃纤维复合筋，其抗拉强度，是同规格普通铜筋、钢筋的2倍以上；其密度在1.25-2.1g/㎝之间，仅为常规普通钢筋的1/4左右。

玻璃纤维复合筋的低密度减轻了施工工程自身的重量，使运输、施工和安装过程更加方便；环氧树脂玻璃纤维复合筋抗拉强度极高，在达到抗拉强度的极限时，复合筋也不会产生实质性的变形；环氧树脂玻璃纤维复合筋易于切割，施工方便，刀盘可直接切割，可按不同工程要求生产各种不同规格的标准及非标准件。B、以简支梁抗剪加固为例：一承受均布荷载bxh矩形截面梁，h/blt。

此外环氧树脂玻璃纤维复合筋还具有优异的化学性能，其耐酸碱溶液腐蚀性能是其他任何纤维材料制品都不可以比拟的；其热膨胀系数与混凝土相近，替代钢筋用于混凝土，握裹力更强。

环氧树脂玻璃纤维复合筋耐腐蚀性极强，尤其对PH值溶液或腐蚀物质都具有较高的包容度。不论是在露天潮湿会淋雨的地区还是在酸碱环境恶劣的地区，其用于桥梁，路面混凝土结构都具备较好的耐腐蚀性，使用寿命普遍长于传统钢筋。

碳纤维布加固有哪些特点

1、碳纤维这种材质天生优点就是比较轻，所以这样在加固施工中直接用手工就能完成粘贴加固工作，还有它在施工过程中操作起来特别简单，既然操作简单而且加固效果又好，所以碳纤维布加固方法被广泛运用到加固工程中。

2、碳纤维布是一种特殊的合成材料，其有一特点就是很好避免潮湿带来的侵蚀性，很多加固施工环境较为潮湿大部分不适用植筋加固，所以碳纤维布加固这一优点可以很好的被利用到这种特殊情况。

3、碳纤维布加固的另一特点就是很强的抗拉强度，不仅方便施工还能具有强的加固作用。