桥梁加固碳纤维布粘贴术研究

■高彦雷 ■广州市公路工程公司，广东 广州 510000

1 前言

桥梁作为交通线路的跨越、交通连接节点枢纽，在服务地方交通建设与经济发展中发挥着极其重要的作用。随着桥梁运营时间的增加、车流量的不断增长和重、超载交通流的爆发式增长，桥梁病害日益严重，其病害主要体现在桥梁主桥箱梁顶板出现大量裂缝，主桥刚度下降，影响桥梁的承载能力、正常运行与安全。桥梁加固技术的应用与研究是摆在广大专业技术人员面前重要课题之一。

碳素纤维布，简称碳纤维布是一种高性能复合材料。碳纤维布加固材料修复补强混凝土结构是一项应用外贴加固结构的新技术，碳纤维加固通过利用碳纤维材料卓越的抗拉强度，通过与其配套的粘结剂与混凝土结构形成共同体，达到的增强构件承载能力及刚度的目的。

2 碳纤维布加固性能研究

碳纤维布重量轻、强度高、弹性模量高和耐腐性能好，与结构胶配套使用成为碳纤维复合材料，可达到更加优于普通钢的加固性能，广泛应用于混凝土结构裂缝处理、材料老化处置、恶劣环境结构件修缮与防护、提高载荷承载能力等场合。

粘贴钢板加固与粘贴碳纤维加固法性能比较如表1。

表1 粘贴钢板加固与粘贴碳纤维加固法性能比较

3 桥梁主箱梁碳纤维布粘贴加固技术研究

3.1 碳纤维布粘贴加固施工工艺流程

桥梁加固维修工艺中，在箱梁顶板底面横向粘贴符合设计要求的碳纤维布，并按设计要求的间距布置，碳纤维布粘贴施工后在其表面进行防护涂装。桥梁主箱梁内顶板碳纤维粘贴施工工艺如图1所示。

图1 碳纤维粘贴施工工艺图

3.2 施工方法及措施研究

3.2.1 放线测量与混凝土基底处理

(1)施工准备与放线测量

施工技术人员按加固修复与补强设计方案要求对粘贴范围进行定位、弹墨线等施工准备工作。

(2)混凝土基底处理

桥梁箱梁内顶板混凝土表面洁净与平整与否直接影响到碳纤维布的粘结效果。箱梁内顶板混凝土表面的蜂窝、麻面、剥落、孔隙、腐蚀等残缺和破损和风化、浮浆、脱膜剂、剥离的原浆、不洁物等表面裂化层、交接部位等表面凸出位置均可用砂轮机进行打磨，使得加固位置混凝土基底表面密实、平整、洁净、干燥。

3.2.2 底涂树脂涂刷

(1)底涂树脂制作

底涂树脂，也称为底涂胶，应与准备施工粘贴的碳纤维布配套使用。底涂树脂按设计要求的配合比对主剂和固化剂进行称量、配伍、并搅拌均匀，单次制作量以在限用时间使用完毕为准。

(2)工具与涂刷工艺

底涂树脂中禁止添加任何溶剂，底涂树脂毛刷、滚筒等涂刷工具不得粘有溶剂，底胶涂刷均匀，涂刷底层树脂厚度不得超过1mm;双层涂刷时，应待第一层指触干燥(3h～24h)后再涂刷第二层;底涂树脂固化后因凝结而凸起的表面可用砂纸打磨，如打磨处混凝土基面露出，则需补刷底涂树脂。

气温低于5℃、相对湿度大于85%、混凝土表面含水率大于4%、雨天、结露等情况下不得进行涂刷施工。

3.2.3 混凝土找平修整

桥梁箱梁顶板混凝土表面存在的蜂窝、麻面、小孔等凹陷和段差、起拱等内角严重影响碳纤维布粘贴施工质量，为确保碳纤维布粘贴严密平整不起鼓，必须需要采用找平胶对混凝土凹陷和内角进行找平修复和填补平顺;对找平胶涂刮后表面存在的凹凸纹，采用砂纸进行打磨平整。

找平胶涂刮施工气温需大雨5℃，相对湿度小于85%。

3.2.4 粘贴碳纤维布

(1)温湿度控制

混凝土粘贴表面应干燥、洁净。气温低于5℃、相对湿度大于85%、雨天或结露时不得进行碳纤维布粘贴施工。

(2)碳纤维布裁切

按设计与施工放线要求进行碳纤维布长度尺寸裁切，裁切数量以施工当日用量为准。为确保碳纤维布断头齐整不脱丝。

(3)粘结树脂制作

应按设计要求的配合比对粘结树脂主剂和固化剂进行称量、配伍和搅拌均匀，单次制作量以在限用时间使用完毕为准。

(4)粘贴施工

碳纤维粘贴面底胶、桥梁箱梁顶板混凝土基底涂刷底涂胶与找平胶符合指触干燥要求后方可进行粘贴施工。如果混凝土基底涂刷底涂胶、修补与找平胶完工至碳纤维粘贴施工间隔时间超过1周，需用砂纸打磨混凝土基底涂刷层，以确保凝土基底和碳纤维布粘合性能。

下涂也就是在待粘贴位置混凝土表面进行滚筒涂刷均匀的粘结树脂。碳纤维布搭接部位、混凝土拱起与拐角位置和残缺修补处可适当加大涂刷量。碳纤维布纵向接头搭接长度需大于10cm，搭接区域应多涂粘结胶，横向则无需进行搭接施工。

碳纤维布粘贴后，施工技术人员采用罗拉等专用工具沿碳纤维方向在碳纤维布上进行多次滚压和按压，有效消除碳纤维布和粘接胶之间的空气，并使下涂粘结树脂充分渗浸粘贴的碳纤维束。碳纤维布粘贴施工20min～90min后，用滚筒在碳纤维布上涂刷粘结树脂进行上涂作业，用以防护碳纤维布。上涂后采用罗拉沿碳纤维方向用力滚压脱泡，使碳纤维内部继续补充渗浸粘结树脂。上涂粘结树脂固化后，在碳纤维布表面形成一层坚硬防护层，并与碳纤维布共同构成复合材料。双层碳纤维布粘贴施工则分层重复进行，待第一层碳纤维布表面干燥后方可进行下一层粘贴施工。

桥梁箱梁顶板混凝土棱角粘贴碳纤维布时，碳纤维布应沿其纤维方向进行粘贴。

碳纤维布上涂施工固化后须进行空鼓检查，按相关规范和设计要求进行碳纤维布粘贴位置、粘贴数量、空鼓率、拉拔强度、粘结剂厚度等项目检测工作。

桥梁加固碳纤维布实际施工效果如图2所示。

图2 桥梁加固碳纤维布施工效果图

3.2.5 碳纤维布粘贴施工缺陷研究

桥梁箱梁顶板加固碳纤维布粘结初期硬化后的常用缺陷为空鼓，空鼓可采用注入粘结树脂法、割刀切入填充树脂修补法和替换修复法三种方法进行修复处理。碳纤维布的空鼓面积小于1000mm2时，可采用注入粘结树脂法、割刀切入填充树脂修补法进行修补;缺陷空鼓面积大于1000mm2时，可采用替换修复法进行修复。

(1)注入粘结树脂法

注入粘结树脂法如图3，在空鼓处碳纤维布上开2个以上小孔，使用注射器将粘结树脂注入至空鼓处各小孔树脂溢出即可。

图3 注入粘结树脂法

(2)割刀切入填充树脂修补法

割刀切入填充树脂修补法如图4。将空鼓位置的碳纤维布用割刀切开，然后填充树脂并用刮片刮平。

(3)替换修复法

替换修复法如图5所示。先用刀具将空鼓处碳纤维布裁切，然后另外裁切与空鼓处同形状碳纤维布进行搭接粘贴，搭接长度不小于100mm。

图4 割刀切入填充树脂修补法

图5 替换修复法

3.2.6 养护与防护措施

桥梁箱梁顶板加固碳纤维布粘贴后初期固化需自然养护24h，桥梁在固化期间禁止开放交通;碳纤维布粘贴自然养护1周左右即可以满足设计强度要求。

碳纤维粘贴施工结束，可在桥梁箱梁顶板整体喷涂耐候性涂料对碳纤维布进行有效防护，提高抗老化性能。

护较为合适。

3.3 检验及验收研究

3.3.1 进场验收

碳纤维布及其配套的各种树脂胶粘剂进场验收时，桥梁加固施工单位应会同监理单位对碳纤维布及其配套树脂胶粘剂的产品合格证、质量检验报告、中文标志等进行进场检查，并抽样复验产品的安全性能是否符合相关设计规范要求。

(1)碳纤维布安全性能指标

碳纤维布安全性能指标主要有抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率、仰贴弯曲强度、正拉粘结强度、单位面积质量等。桥梁箱梁顶板加固碳纤维布安全性能指标要求见表2。

表2 碳纤维布安全性能指标

常用碳纤维布单位面积质量、截面面积和计算厚度如表3。

表3 常用碳纤维布的单位面积质量、截面面积和计算厚度

(2)配套树脂胶粘剂性能检验要求

桥梁箱梁顶板加固粘贴用树脂胶粘剂应采用与碳纤维布配套的底涂树脂、修补找平胶和浸渍、粘结能力强的粘结树脂。

底涂树脂安全性能检验指标如表4。

表4 底涂树脂安全性能检验指标

修补找平胶安全性能指标如表5。

表5 修补找平胶安全性能指标

碳纤维布粘结树脂安全性能指标如表6。

表6 碳纤维布粘结树脂安全性能指标

3.3.2 隐蔽工程检验

桥梁箱梁顶板加固碳纤维布粘贴施工应按隐蔽工程与相关设计规范要求进行各工序检验及验收，确保碳纤维布粘贴面积和位置偏差符合设计要求。隐蔽工程检验合格方可进行下一工序施工。

3.3.3 粘结质量检验

(1)检验方式

桥梁箱梁顶板加固碳纤维布粘结质量检验采用手压、小锤轻敲的方法进行检查，确保碳纤维布有效粘结面积不低于95%。碳纤维布粘结强度检验采用碳纤维粘结强度测定仪进行现场抽样检验及评定。

以1500～2000N/min匀速加载，记录破坏时的荷载值，并观察破坏形态。

(2)检验计算

正拉粘结强度计算应按下式计算:

其中f为碳纤维正拉粘结强度(MPa);P为试样破坏荷载值(N);A为钢标准块粘结面面积(mm2)。

(3)试样破坏判断

试样破坏形式分为内聚破坏、粘附破坏和混合破坏三种。其中内聚破坏又分为混凝土内聚破坏和胶粘剂内聚破坏。

试样正常与不正常破坏判断标准如表7。

表7 试样正常与不正常破坏判断标准

(4)碳纤维布粘贴施工质量合格检验标准

碳纤维布粘贴施工质量合格检验分为组检验和批检验，检验结果以正拉粘结强度和破坏形式来表示。碳纤维布粘贴施工质量正拉粘结强度检验每组取样3个，并以算术平均值为检验结果。当检验组内所有试样正拉粘结强度均符合或者有1个式样不符合要求但加倍重做检验结果符合要求，且试样为正常破坏形式，评定该组为组检验合格。批检验内各组均组检验合格，或者批检验的组试样不少于20组且只有一组因个别试样检验不合格，评定该批碳纤维布粘贴施工质量合格。

4 结语

碳纤维布粘贴技术在桥梁箱梁顶板加固施工中得到广泛的应用和实践，可有效增强桥梁箱梁顶板刚度，恢复桥梁运营性能与通行能力，取得了良好的应用效果与经济效益。桥梁主桥箱梁顶板碳纤维布粘贴加固施工，应按设计规范要求做好材料进场质量关、隐蔽工序检验关和现场检验关把关，确保碳纤维布粘贴施工质量合格。

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