碳纤维新技术在桥梁加固工程中的应用

白海斌

(山西省交通建设工程监理总公司，山西太原 030012)

改革开放30年以来，随着我国经济建设的快速发展，交通量快速增长，道桥建设蓬勃发展，道桥面貌日新月异。但是我国在20世纪60年代～70年代修筑的桥梁因设计标准及负荷较低，在车行密度及载重量越来越大的今天，相当一部分桥梁已经满足不了使用要求。根据1982年不完全统计，我国在80年代前修筑的公路桥梁中，仅危桥就4 328座。因此，我国的旧危桥加固维修任务十分繁重。使用常用的桥梁加固技术，往往会破坏桥梁现有结构，带来不可预知的影响因素。而碳纤维桥梁加固新技术的出现，可以很好的弥补原有技术的不足，提高加固效率和质量，在我国具有很好的发展前景。碳纤维及碳纤维编织布见图1，图2。

1 碳纤维加固新技术及国内外发展现状

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称CFRP)，一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上，抗拉弹性模量为230 GPa～430 GPa。碳纤维的轴向强度和模量高，具有无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好的特点。

图1 碳纤维

图2 碳纤维编织布

国外碳纤维技术起步较早，技术成熟并大规模应用。全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL，ZOLTEK，ALDILA三家公司，以及韩国泰光产业，中国台湾的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。日本是碳纤维的发源地，是碳纤维生产和应用大国。它的碳纤维材料技术在世界领先，不仅在物理、化学性能方面有所突破，其相关产品几乎垄断了世界市场。美国在碳纤维材料的实用性能方面研究较多，如其经DMF液处理后，提高了其抗张强度，削弱了纤维的直径，扩大了其应用范围。其他国家，如法国、澳大利亚、韩国、德国等，也一直进行着碳纤维材料技术的研究，并取得了不同的研发成果。在亚洲地区，我国台湾地区也是碳纤维的重要研发、生产及使用广泛的地区。20世纪80年代末台湾掌握了从聚丙烯腈的聚合和纺丝到碳纤维的制备技术，随着研究的进一步深入，台湾逢甲大学柯泽豪教授于2003年研发出杀菌率在99.99%以上的活性碳纤维。

我国有关碳纤维的相关技术始于20世纪70年代末。1985年，吉化公司从英国RK公司引进并投产了一条年生产能力为100 t的碳纤维生产技术线。虽然我国研制碳纤维已有30余年的历史，但至今尚未掌握高性能碳纤维的核心技术，生产的碳纤维质量至今仍处于低水平，仍有90%左右的市场需求依赖进口。可喜的是，“十一五”期间，我国碳纤维研发工作全面提速。2008年，吉林奇峰化纤股份有限公司负责的原丝开发及中试项目通过了专家小组的鉴定，突破了困扰多年的原丝质量不过关这一瓶颈。2009年，中国石油吉林石化公司碳纤维厂(我国首个百吨级碳纤维材料生产基地)投入生产运营，其自主研发碳纤维产品性能达到了国际先进水平，打破了国外对我国的技术封锁。2010年，哈尔滨天顺化工科技开发有限公司负责的高性能聚丙烯腈碳纤维原丝的聚合工艺通过了专家小组鉴定，进一步突破了制约我国碳纤维发展的技术瓶颈问题。由于目前我国的碳纤维产量满足不了国内市场的需求，短时间内还摆脱不了对碳纤维产品的进口依赖，因此加快技术研发势在必行。

2 碳纤维在桥梁加固工程中的应用

碳纤维良好的化学稳定性、出色的化学性能，且具有施工程序简单及工期短的优点，能适应各种恶劣环境，将其应用于旧危桥梁修复加固，具有良好的发展前景。

1)碳纤维修复补强钢筋混凝土结构的原理。碳纤维修复加固技术是指使用粘结剂将碳纤维布粘贴到需要修复的构件表面，通过碳纤维布及钢筋混凝土的共同工作，提高桥梁构件的承载能力。将碳纤维通过某种特殊的方法粘贴在混凝土结构表面，原混凝土结构与树脂固化后的碳纤维组成了新的复合体。在有外力时，碳纤维片和混凝土结构共同受力，使得原有的钢筋应力因碳纤维分担部分负荷而降低，大大修复加固桥梁结构。碳纤维材料具有很好的力学性能，粘贴时紧挨桥梁结构的外形，粘贴的树脂的强度又很高，这样既可以保证应力的传递，又能保证粘贴面不会发生脱落剥离，从而达到补强、加固桥梁结构目的。

2)用碳纤维加固补强的方法及其施工要点。碳纤维修复加固技术应用十分广泛，适用于各种桥梁结构的加固修补。这里简要介绍碳纤维材料新技术应用于修复加固桥梁钢筋混凝土抗弯、抗剪及抗震等构件的方法。

碳纤维应用于加固桥梁抗弯构件。桥梁受弯构件的抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替(补充)钢筋的性能，达到或者提高构件的抗弯承载力的目的。

碳纤维应用于加固桥梁抗剪构件。桥梁抗剪构件的抗剪加固，是将碳纤维布粘贴于抗剪构件的受力区，在构件屈服前，碳纤维布的应变缓慢;在构件屈服后，箍筋的作用渐渐被碳纤维布代替，碳纤维布应变速度加快，达到修复补强抗剪构件的目的。

碳纤维应用于加固桥梁抗震构件。应用碳纤维布对抗震构件加固，就是用碳纤维布横向包裹抗震柱。碳纤维布的作用是对抗震柱的钢筋混凝土结构起一种被动的约束作用。随着抗震柱承载力的增加，横向膨胀促使外包的碳纤维布环向伸延，提高了其侧向约束力，明显的改善抗震构件的延性。

碳纤维材料修复补强桥梁混凝土构件是桥梁修复加固的一项新技术。其施工工艺流程如下：混凝土基底处理→涂刷底涂树脂→环氧腻子找平修补→涂刷粘结树脂→粘贴碳纤维片→养护→涂装。

因使用碳纤维修复补强所用材料相对特殊，所以在材料准备与施工操作中应注意以下要点：

1)施工中，碳纤维片不能被弯折或碰撞，以免出现断丝;2)碳纤维片纵向接头，搭接的地方要与构件应力的最大区段分开，同时搭接一定的距离，多层粘贴进行时，在一个部位不能进行各层的搭接，且层间要错开一定的距离;3)粘贴碳纤维片要平整密实，粘贴碳纤维片的混凝土结构表面要处理平整，否则会出现翘边或空鼓现象;4)露钢筋的要进行防锈或者除锈处理;对混凝土裂缝粘贴的表面要处理平整，拐角处要处理成具有一定长度的圆角，同时要保证表面的干燥及清洁;5)根据施工的气候条件及温度情况选择不同型号的环氧腻子、底层涂料等材料;6)需要能够在不断有震动影响的交通中进行施工作业，加固实例见图3，图4。

图3 碳纤维布加固桥梁梁体

图4 某路局贴合芳纶纤维布加固桥

3 碳纤维技术应用于桥梁加固需解决的一些问题

碳纤维加固新技术的出现，完善了现有的桥梁修复加固技术。但是由于发展时间短，现场数据缺乏，理论及实验方面的研究也不够全面。故碳纤维新材料技术应用于桥梁修复加固还需要解决以下问题：1)碳纤维材料的疲劳老化问题。碳纤维材料在日光暴晒、液体浸泡、化学介质侵蚀等作用下会发生疲劳老化，这样会改变其力学性能，如何防止材料的疲劳老化也是其使用的难点问题。2)施工中的横向接头连接问题。现场施工中，需要碳纤维布在受力方向连接，这种连接的接头设计比较困难，这就需要设计出更加方便、经济、可靠的接头连接方式。3)如何避免可能发生的脆性破坏。和钢筋相比，碳纤维布拉伸强度很大，对桥梁抗弯结构效果明显，这就有可能导致结构发生破坏时，钢筋未屈服，而可能发生混凝土被压碎的脆性破坏，因此，使用多少纤维布，避免脆性破坏是个需要研究的问题。

4 结语

碳纤维材料新技术应用于桥梁加固，不增加结构自重，不会对原结构造成新的损伤，比传统技术显示出了更多的优点。这些优点将为桥梁加固技术带来新的变革，将为桥梁加固产业开辟新的产业途径，促进桥梁加固技术进步。同时，抗震性能的加固可以作为新的防震措施来发展。但是由于产能和技术瓶颈，我国仍有90%左右的市场需求依赖进口，但是随着技术的进步，碳纤维材料成本的逐步降低，试验、制造以及施工工艺的不断进步，碳纤维材料在我国未来的桥梁加固技术中会得到广泛应用。

［1］ 百度—碳纤维，http：//baike.baidu.com/view/82595.htm.

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