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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。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。

（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。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。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。

（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。答：按照《混凝土结构设计规范》，该梁允许承受的剪力Vmax=0。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。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。相较于其他的加固方式，利用环氧树脂玄武岩纤维板加固有显而易见的优势，并作为一种新兴技术，得到愈来愈多的青睐与肯定。

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。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、碳纤维布现场拉拔和粘钢现场拉拔不同点钢板的试件在粘贴前需要提前裁剪好，碳布的试件可以将整块碳布粘贴在试验位置，在拉拔试验开始时再进行裁剪。

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。

碳布、粘钢现场拉拔该如何进行结构加固主要涉及到碳纤维加固、粘钢加固、增大截面加固、外粘型钢加固以及外加预应力加固等，碳纤维加固和粘钢加固又是这些加固工艺中经常用到的加固方法。这两种加固工艺在施工完毕以后都需要进行现场拉拔，来确定粘接是否合格，也经常有小伙伴咨询我们碳布和粘钢现场拉拔该如何进行。2、不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m2～300g/m2，设计厚度0。

现在给大家介绍下：

1、碳纤维布现场拉拔和粘钢现场拉拔相同点

在拉拔之前都需要做5个40MM*40MM的试件粘贴在加固位置的附近，等结构胶完全固化后通知试验室检测人员来现场进行检测，结构胶一般3-5天都会完全凝固，力学性能都会达到要求，但为了***起见，我们都建议试件在第7天再进行拉拔试验。在做拉拔时由于需要实验人员到现场进行试验，需要施工单位提前与实验室人员定好时间，并且在试验期间，需要监理在旁边进行见证。试验结果确定5个试件都是内聚***（基材混凝土***面积占粘接面积的85%以上），然后通过计算算出每个试件的***拉力值，将大值和小值去掉，剩下的三个数值计算平均值，算出的值满足国标规范，则说明现场拉拔合格。碳纤维双向布的应用优势1、优异的机械性能碳纤维单丝的比强度和比模量是钢材的10倍以上。

2、碳纤维布现场拉拔和粘钢现场拉拔不同点

钢板的试件在粘贴前需要提前裁剪好，碳布的试件可以将整块碳布粘贴在试验位置，在拉拔试验开始时再进行裁剪。这主要是因为钢板试件在粘贴好以后不宜裁剪，如果用等离子切割机强行切割会导致胶体受损，而碳纤维布在粘贴好以后可以用角磨机进行切割；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。碳布经常会有多层拉拔，而钢板基本不会有多层拉拔的情况，碳布在进行多层拉拔试验时不可以发生层间***，否则认定不合格。

现场拉拔是检测碳布、钢板粘贴效果的一个重要步骤，检测合格可以说明现场的粘接效果是满足要求，这也能充分说明结构胶的粘接性能好坏。

短切玄武岩纤维性能

定义：短切玄武岩纤维是由相应的玄武岩纤维基材为原料短切而成的长度小于50mm，能均匀分散在混凝土中的无机康武县委。根据其用途可分为混凝土抗裂纤维和增韧增强纤维和砂浆抗裂纤维。

性能：短切玄武岩纤维拥有高轴向的抗拉强度和高模量的优异性能，其抗拉强度为1050-1250MPa，弹性模量大于34GPa；短切玄武岩具有突出的耐高温性，使其可以在为零下269-650℃范围之间连续工作；短切玄武岩纤维在腐蚀性介质中具有较高耐腐蚀性和化学稳定性，在饱和的碱性溶液和水泥等碱性介质中还能保持更高的抗碱液腐蚀性能，单丝断裂强度保留率大于75%；短切玄武岩纤维还可与无机粘合剂相容，吸湿率小于1%，吸收能力不随时间的变化，这就证明了它在使用过程中的材料稳定性，长寿命和环境协调性；尤其是羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆等体育器材，轻质的手感可以降低动力要求，节约能耗，使用方便。此外短切玄武岩纤维还具有良好的绝缘性能、高温过滤、抗辐射、透波性好等特点。