碳纤维加固技术在桥梁施工中的应用

王 素 芹

(山西省晋中路桥建设集团有限公司,山西 晋中 030600)



碳纤维加固技术在桥梁施工中的应用

王 素 芹

(山西省晋中路桥建设集团有限公司,山西 晋中 030600)

介绍了碳纤维材料的特点与加固技术原理，从施工准备、断截面修复、底层处理等方面，阐述了碳纤维加固技术的施工工序，总结了碳纤维技术在应用中的注意事项，指出碳纤维加固技术具有自重轻、柔韧性好、绿色环保等优势，应用前景广阔。

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1 碳纤维加固技术概述

1.1 碳纤维材料特点

碳纤维材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，在现代桥梁建筑工程应用中很常见。碳纤维加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者协同工作，提高结构构件的(抗弯、抗剪)承载能力，由此达到对建筑物进行加固、补强的目的[1]。或者也可以说，碳纤维加固技术作为一种新型高效的加固技术，通过在构件表面粘贴碳纤维材料，使其与混凝土牢固地结合在一起，可以改善受力性能，达到加固结构，提高承载力和抗震性的目的。

这种碳纤维加固技术之所以被广泛应用也是因为碳纤维材料自身具备鲜明的优势。比如，碳纤维抗限抗拉强度非常大，约为钢材的10倍，在提高混凝土结构及构件承载能力以及延性方面性能较好；再者，由于碳纤维材料化学性质非常稳定，加上热膨胀系数小，在粘钢加固后也可以杜绝化学腐蚀问题，具有较好的抗腐抗耐性，对结构的负面影响小，也有利于施工质量的保障，同时节省了不必要的维护费用。碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。

1.2 碳纤维加固技术原理

简单地说，碳纤维加固技术的工作原理是：将碳纤维制作成碳纤维布，结合损害建筑构件的受力相关因素，采用一定的方法将其附着在建筑构件的表面，从而分散其受力，实现加固效果。首先，在碳纤维加固技术中需要使用到碳纤维布和粘结材料，由于两者的作用和特点不同，在制作的过程中需要将其两者形成一个完美的整体，如此可以增强其稳定性，有效地规避单根纤维在强力作用下出现的断裂问题。其次，碳纤维布韧性高，负载拉力强，而且受到外力作用变化小，粘合材料在受力传递上容易受外界作用力较大的影响，为避免碳纤维与建筑构件在外作用力下出现剥离，粘合材料需要非常高的韧性指标和强度。它是一种技术创新，由于传统的加固方式往往是被动受力的，而预应力碳纤维板加固技术是主动受力，碳纤维板所施加的预应力通过张拉锚固端和碳板胶共同作用并均匀有效地传递至梁体，提升了构件的承载力，同时减少挠度变形，或封闭构件裂缝，从而提高构件的刚度，改善使用阶段的性能。

2 碳纤维材料在桥梁施工中的应用

2.1 碳纤维加固技术应用前景

早期，混凝土桥梁的技术在欧洲已经得到了广泛的应用，随后美国、加拿大、日本等国还加强了对碳纤维板的深入研究。而我国在20世纪90年代中期才开始这方面的研究，并逐步推广应用于公路混凝土桥梁施工。碳纤维材料的质量非常轻，碳纤维加固技术在没有重型设备的情况下，也可以轻便地实现施工，大大降低了高空作业的难度。相比较传统的水泥混凝土公路桥梁加固方法，碳纤维加固技术在对桥梁进行维修时非常便捷，不需要顾虑视觉检测、桥梁现场加固状态评估以及设计方面的要求就可以实现修复工作。

就目前来看，国家在交通基础设施的建设上投入了巨大的资源，交通部门计划在现有的2.1万亿km公路建设投资规模(至2020年)的基础上再增加大规模的投资，进一步加强公路、桥梁等骨干交通网络的建设力度。一方面，大量的公路、桥梁、铁路、城市轨道交通等正以前所未有的速度得到建设，城市化与交通网络化进程的发展速度正在不断加快。另一方面，越来越多桥梁得到建设的同时，大量建于较早时期的旧桥其养护维修加固的工作正日益繁重。环境的侵蚀、材料的自然老化、车辆荷载的提高以及超限车辆的普遍现象，造成许多旧桥已无法满足安全运营的需要。为了合理的分配有限的公路建设资金，节省国家交通建设资源，挖掘在役旧桥的承载潜力，研究开发新型的桥梁加固技术与材料，并在病危旧桥的加固工程中合理的加以应用，恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力迫在眉睫。但是，我国在碳纤维加固技术方面还处于起步的阶段，与发达国家还存在着较大的差距。由于碳纤维材料多数是来自进口国家，为了降低成本，实现材料经济效益的提升，在我国桥梁施工与修复中，还是采用了“加固为主”原则使用裂缝闭合方法开展作业。在粘结材料的使用上，采用了符合技术指标的碳纤维布与树脂，用以降低成本。借此，结合我国基本国情发展的需要，相关科研部门针对我国桥梁、道路特点以及环境因素，加大了对于碳纤维应用指导性研究。伴随碳纤维材料使用的专业性与系统性提升，未来该项技术应用前景可观。

2.2 碳纤维技术应用注意事项

首先，由于我国碳纤维技术应用起步相对较晚，并且在碳纤维类产品方面产出较少，因此使用的材料进口较多，会加大施工的成本，故而为了确保施工的利润，应当以加固为主同时使用综合法[2]。其次，针对桥梁道路上使用过久的混凝土，应当注意现场施工环境的变化和相关的技术检测评估，在粘贴碳纤维时配套使用环氧树脂进行灌封。最后，碳纤维加固技术的应用虽然给我国的技术人员带来了一定的便捷，但是，推动该技术的广泛应用需要技术人员不断积累经验，形成系统化、专业化的知识体系。

2.3 碳纤维加固技术优势

碳纤维加固技术有众多的技术优势，一是自重轻，厚度小，加固后基本不增加基体厚度；二是具备良好的柔韧性，适用于梁、柱、板、管道和墙体等各种形状的构件；三是耐酸、碱、化学腐蚀，适用各种恶劣环境；四是施工便捷，施工周期短；五是无公害，符合绿色环保要求以及贮存寿命长，可操作期限长等。可见，此技术被广泛普及应用是大势所趋。

3 碳纤维加固技术施工工序

3.1 准备工作

在进行碳纤维加固技术施工之前需要进行很重要的准备工作。首先，针对需要进行加固作业的桥梁结构、特点、受力以及施工环境初步考察，然后做出合理的分析，并制定出相关的参数表，便于日后的施工材料甄选[3]。其次，通过工程量计算出碳纤维布以及树脂等物资消耗的数量，施工所需的设备，施工技术人员等。最后，做好防护装备的保护措施，比如防护眼镜、防尘面具以及橡胶手套等质量达标的配备装置，以及确保施工和技术人员的健康安全防范。

3.2 预先处理

在确认好桥梁需加固的部位后，为了使得碳纤维材料与粘合剂更好的衔接，需要对加固部位采取一定的处理措施。尤其是混凝土表面经过交通工具的轧损和外界恶劣环境的风蚀和腐蚀，损伤部位粉刷层掉落、风化、剥离现象严重。这样一来，应当先对其进行仔细打磨，保障其表面的平滑度[4]；若是加固部位环境湿度偏大，则需要先对其进行风干处理才能确保与粘合剂的效果；同样，当加固的桥面出现了严重的老化、松散等现象时也需要将其表面和边缘清理干净和圆滑。总之，所有需要进行施工加固的表面一定要无杂物、无凹凸区域、无松散杂物附着，这样才能保障桥梁的原材料钢筋与加固材料产生加强的握力。

3.3 断截面修复

在处理加固部位时，表面、边缘以及断面层都是需要仔细清理的地方。将换掉的断面层表面腐蚀和剥落除去后，混凝土里面的钢筋会暴露，做好清洁工作后，用同等刚度的环氧树脂砂浆进行修复，确保里边的钢筋未被腐蚀。若是断面层的区域不大，或仅仅是较小的裂缝，在没有出现漏水的情况下，则可以直接灌入环氧树脂进行修复。反之，若是有漏水的情况出现，则需要先行处理漏水，而后再使用环氧树脂填充修护。

3.4 底层处理

在底层处理上需要注意涂抹底胶和涂料的要求与细节。在涂抹底胶时需要按照技术工程的要求预先计算出物资的消耗量，然后适量制作出环氧基液，在底胶的性质尚未发生较大变化的时间内，做好基面清洁工作，确保底胶可以牢固粘结在其表面上，并且自然风干。若是底层处理采用的是涂料，则需要严格控制好环境因素，比如气温低于5 ℃,RH值大于95%或者是下雨天气的环境下则不能使用涂料[5]；即便是正常情况下使用时，也需要保持施工空气的通畅，杜绝烟火，施工人员护眼、护手等安全防护措施做好。

3.5 粘贴处理

由于桥梁加固施工的部位都具有一定的强度，在对其表面以及边缘打磨的基础上，还需要将表面浮动的混凝土材料先行凿开，剔除后再进行浮尘的处理。凿开的部位可以填充环氧砂浆等修补的材料。若是凿开的空间相对较大，则可以在其区域内放张楔块位置，仔细查看张拉螺栓、夹片、连接套、连接头的连接情况，当彻底清理后，涂抹上适量的黄油进行锁定。最后，在整理好钢绞线后根据编号、连接筒进行连接，拧紧锚固螺栓。

4 结语

碳纤维加固技术伴随着国内建筑行业的快速发展，未来在桥梁工程施工作业中将会得到普遍的应用。其中，预应力碳纤维板加固新技术在国内外各个重大的加固会议上均常被提及，但国内的实际运用比较少。作为一种重要的新型技术，技术施工人员需要给予高度的重视，同时克服技术难点，挖掘施工中的亮点，确保实际施工的质量，为该技术的普及应用奠定坚实的基础。

[1] 李迎刚.碳纤维技术在现役超限桥梁施工中的应用[J].山西建筑,2013，39(9):189-190.

[2] 宋 琳.浅析碳纤维加固技术在桥梁结构施工中的应用[J].黑龙江交通科技,2013(5):137,139.

[3] 田树斌.碳纤维加固技术在桥梁施工中的运用初探[J].科技视界,2014(15):300.

[4] 白 宁.碳纤维加固技术在桥梁预防性养护中的应用[J].山西建筑,2014，40(29):181-182.

[5] 闫立飞.浅析碳纤维加固技术在桥梁结构施工中的应用[J].科技与企业,2015(16):137.

On application of carbon fiber consolidation technique in bridge construction

Wang Suqin

(ShanxiJinzhongRoadandBridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper introduces the features and consolidation technical principle for the carbon fiber materials, illustrates the construction procedure of the carbon fiber consolidation technique from the construction preparation, section maintenance, and base treatment, sums up the precautions in the application of the carbon fiber, and points out the technique is featured with light gravity, better flexibility, and green environment protection, so it has better application.

carbon fiber, consolidation technique, bridge, bonding treatment

1009-6825(2016)20-0158-02

2016-05-06

王素芹(1978- ),女,工程师

U445.72

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