浅谈盖板涵碳纤维布加固

张 炜

(衡水市公路勘测设计所)

1 前言

随着近年来载重汽车吨位的不断增大，我们在进行的公路日常养护工作中发现许多公路经过多年运营许多桥涵的盖板出现了混凝土开裂、风化露筋、钢筋锈蚀等严重病害，桥涵盖板的承载力下降。该病害严重地影响到公路行车安全，急需对发生病害的桥涵盖板进行加固处理。

2 碳纤维材料特性

碳纤维是一种由有机母体纤维(例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青)采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的新型非金属材料。具有高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、比耐热钢还耐高温、比不锈钢还耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是铝的1/2，钢的1/5。尽管碳纤维质量轻，但它强度高，有很高的“比强度”(比强度=材料的强度极限/材料的单位重)，碳纤维还有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000m长的纤维的克数)，一般仅约为19g;拉力高达300kg/mm2;目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异宝贵的电学、热学和力学性能。

用于混凝土结构的加固始于20世纪70～80年代的美国、日本。日本阪神大地震及台湾“9.11”地震后，碳纤维加固技术被广泛用于震后建筑重建和补强，这些都促进了碳纤维在加固补强工程中的应用。我国在这方面起步较晚，但发展势头迅猛，进展飞快，已经有了许多桥梁加固成功的实例。如南京机场路高架桥空心板补强修复;卢沟新桥的补强修复工程等等。

3 桥涵病害产生的原因

桥涵产生病害的原因是多方面的，主要有以下几点。(1)在桥涵建设施工时，存在质量问题，盖板钢筋保护层厚度不够，混凝土震捣不密实，经常年使用，表层混凝土容易风化脱落，形成露筋。(2)盖板防水层开裂失效，雨水不断渗入与盖板混凝土的主要成分硅酸钙发生水化反应，形成游离钙、硅酸和氢氧根，在毛细压作用下混凝土中的盐份被水带出淤积于混凝土表面，进一步与空气中的二氧化碳反应在混凝土表面结晶形成白色硬块，最后形成碱蚀。在这个过程中，如果结构存在裂缝，就会引起钢筋的锈胀，出现钢筋锈蚀的情况。(3)空气中和土质中都含有一定的氯盐成分，盐水渗入到盖板混凝土的缝隙里，引起碱骨料反应发生盐腐蚀，加速了混凝土的离析。

4 碳纤维加固技术的工作原理

碳纤维增强复合材料加固修补混凝土结构技术，是利用专门配制的粘结剂将碳纤维片粘贴在混凝土构件需补强加固部位表面，使混凝土与碳纤维片形成一体，共同工作的加固修补方式。(1)碳纤维复合材料具有优越力学性能，其抗拉强度是普通Ⅱ级钢筋抗拉强度的10倍以上，弹模也与钢材相当。(2)碳纤维材料不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，适合于沿海地区空气湿度大，盐碱含量较高的特点。(3)碳纤维的单位体积重量仅为钢材的1/4左右，制成板状后，其厚度仅为1.4mm左右，几乎不增加结构自重和改变截面外形。由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，且不改变结构形状及不影响结构外观，很适合于加固桥涵盖板这类施工面较小的工程。(4)施工简便、工序简单，由于其自重较轻，可用小型电动工具操作，操作空间要求较宽松。不像传统补强方法需要众多工种、大量劳力及大型施工设备，可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施。

5 碳纤维加固技术特点及优越性

高强高效。由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。

施工便捷，工效高，无湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少。根据有关统计资料，同为粘贴加固工法，粘贴碳纤维材料是粘贴钢板施工工效的4～8倍。

具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性。试验表明，碳纤维材料加固混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，可以抗御建筑物经常遇到的酸、碱、盐对结构物的腐蚀。

适用面广。粘贴碳纤维材料加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道等)、各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、各种结构部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)的加固修补，且不改变结构形状，这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型桥梁桥墩、桥梁、桥板以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，采用旧的加固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术都能顺利解决。

施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100％的有效粘贴率，而粘贴钢板则很难达到100％的有效粘贴面，相应的验收标准也只要求其达到70％就可以了。

碳纤维材料质量轻且薄，粘贴后每平方米重量不到1.0kg，粘贴一层的厚度仅1.0mm左右，加固修补后基本不增加原结构自重及原构件尺寸。

6 碳纤维加固技术的设计原则

碳纤维加固修补混凝土结构作为一项新技术，既有其不可比拟的优点，但也有其一定的适用范围和适用条件，超出此范围而盲目地采用此技术就会导致不安全、不经济、不合理的后果。首先，被加固结构构件的最小截面尺寸必须满足有关规范的要求;其次，被加固构件的受压区高度、配筋率、面积配箍率、体积配箍率等仍要满足现有规范的要求;第三，要求加固后不改变原有结构的最终破坏形式;碳纤维布的应用存在使用效率问题，同样的碳纤维布用量，分条加固效果好于整条粘贴，构件受弯承载力随碳纤维布用量的增加而提高，当碳纤维布使用层数较少时，提高幅度相对较大，随着碳纤维布层数的增加，提高幅度相应减少;当碳纤维布用量过多时，构件破坏将由碳纤维布被拉断引起的破坏转变为混凝土被压碎破坏，构件延性有所降低。

7 碳纤维加固施工流程

桥涵盖板加固工程的施工日期要安排在雨季前或雨季后，以减少雨水对工程的影响。其施工工序为施工准备、混凝土表面处理、配置、涂刷底胶、配置找平胶并找平面层、粘贴碳纤维片材、保护。施工基本流程为:被加固结构物表面处理→断面修复→底层表面的涂布→不平面修整→碳纤维贴片施工→固化→表面涂装→施工质量检查。

(1)施工准备:认真阅读设计图纸，根据实际情况拟定施工计划，备齐施工所需的各种材料及机具。

(2)混凝土表面处理:清除桥涵盖板底面剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，对于较大面积的劣质层在凿除后用环氧砂浆进行修复。用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，将混凝土面层打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，转角粘贴处进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥20mm)。用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。

(3)配置、涂刷底胶∶按主剂∶固化剂=2∶1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。

(4)配置找平胶(FE胶)并找平面层混凝土盖板表面凹陷部位用FE胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补，转角处用FE胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10mm。

(5)粘贴碳纤维片材:按尺寸裁剪碳纤维布，调配、搅拌粘贴碳纤维材料的加固专用胶(FR胶)，搅拌至色泽均匀，然后用滚筒刷均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸，将碳纤维布拉紧展平并铺在涂有FR胶基面上，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使FR胶充分浸透碳纤维。碳纤维沿纤维方向的搭接长度不小于100mm，碳纤维端部固定用横向碳纤维固定。多层粘贴重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维的表面均匀涂抹FR胶。其厚度为1～2mm。

(6)保护在加固后的碳纤维表面喷防火涂料进行保护。

8 结束语

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个碳纤维材料广泛应用的时代。通过不同工程实例应用碳纤维加固技术整治、加固技术，总体反映都取得了良好的效果。实践证明碳纤维具有高强高效、材质薄、重量轻、施工便捷、耐久耐腐蚀性好等特点。因此，该项技术具有重要的社会意义，并蕴藏着巨大的经济效益。采用碳纤维加固修补混凝土结构在公路养护中具有广阔的应用前景。