桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术

张为民

(中铁十八局集团第三工程有限公司，广东佛山528247)

大量应用实例表明，在桥梁结构裂缝处理中应用碳纤维加固技术，既能有效提升桥梁结构的承载力，而且很大程度上也能降低桥梁结构裂缝加固处理的成本。但我国对此方面的研究还有待进一步深入，因此本文基于工程实例，对桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术做了如下研究。

一、案例分析

佛(山)江(门)高速公路和顺至陈村段起点位于佛山市南海区里水镇，与珠二环交叉处的南海区与花都区的行政边界上，同规划的红棉大道对接；终点位于顺德区陈村镇，与广明高速陈村互通对接。设计速度为100km/h,双向八车道高速公路标准。

本标段路线起点桩号为K22+100，终点桩号为K31+300，路线全长9.2km。本标段含广佛新干线立交、海八路立交、海五路立交等。在2016年6月发现海八路立交上两片板之间有大量横向裂缝，裂缝宽度在1.2～3.5mm，为控制裂缝继续发展，采用沿板纵向通长粘贴碳纤维片，以达到受弯构件受拉区不强的目的。通过查阅该桥梁的设计荷载，根据裂缝实际情况、碳纤维片抗拉试验结果的综合因素，确定碳纤维片粘贴三层，并用环氧树脂进行灌浆，以控制裂缝继续发展，到2017年6月裂缝明显得到控制，同时没有发生新的裂缝。

二、桥梁结构裂缝分析

研究表明，导致桥梁结构裂缝产生的原因有很多，为保证桥梁结构的稳定性，就必须明确造成裂缝产生的主要原因，才能为加固和处理方案的制定提供真实有效的参考依据。桥梁结构裂缝产生的原因主要体现在以下几个方面：

（一）实际荷载超过设计荷载

桥梁在使用过程中，如果行驶车辆超过桥梁的设计荷载，则会产生结构裂缝。通常情况下，在桥梁设计时难以对多种情况的发生进行全方位考虑。比如：如果在钢筋材料选择时没有充分考虑钢筋的刚度和韧性，或者在施工前没有该桥梁车辆通行情况进行调查，就很难行之有效地对桥梁结构设计进行全面控制，造成桥梁在使用时超过设计荷载的车辆通过，就会导致桥梁发生结构裂缝。

（二）温度变化引发的裂缝

在桥梁工程施工时，需要浇筑多层混凝土才能保证桥梁质量。在浇筑过程中，没有采取一系列放松约束的措施，而是直接把新混凝土浇筑到原有混凝土表面上，就会造成增加混凝土内部温度，在混凝土层和层之间就会产生温度应力，当温度应力超过混凝土韧性的临界值时，就会形成裂缝。而且此种裂缝比较深，如果不进行及时处理，会对桥梁结构整体稳定性造成严重影响。

（三）混凝土自身收缩产生的裂缝

由于混凝土存在水化反应，在凝固过程中会发生收缩，从而形成相应的收缩应力，当收缩应力超过混凝土自身强度时就会产生裂缝。而且混凝土配比不同，产生的收缩量也不尽相同，在外界温度、湿度等因素的影响下就会产生不同程度的变形，从而导致桥梁结构发生裂缝。

（四）地基变形引发的裂缝

如果地基发生不同不均匀沉降或者发生水平位移，就会导致桥梁结构发生运动，在结构之间就会形成巨大的压力。当压力超过桥梁结构的抗压强度时，就会导致发生结构裂缝。

（五）钢筋锈蚀造成的裂缝

钢筋和混凝土都是桥梁工程施工的主要材料，如果钢筋被锈蚀，则桥梁结构势必会发生裂缝。主要原因是一旦钢筋出现锈蚀，则会对周围的混凝土结构造成巨大影响，混凝土中的水分和有机物会进一步腐蚀钢筋，就会导致桥梁结构发生裂缝。

（六）冰冻情况下膨胀造成的裂缝

如果混凝土在施工过程中，周围温度过低，则会导致混凝土中的水凝结成冰。由于水具有反常膨胀的物理特性，水变为冰后体积会大幅度增加，使得混凝土结构跟着膨胀，就会引发混凝土结构发生变形，并逐渐向外作用，从而降低混凝土结构强度，难以达到设计标准，在使用时就会发生结构裂缝。

三、碳纤维加固技术的特性

处理桥梁结构裂缝的方法有很多，碳纤维加固技术是一种新型加固方法。其主要特征为：先用胶带把碳纤维粘贴在桥梁结构裂缝表面，可大幅度提升原桥梁结构的稳固性，提升桥梁的承载力。碳纤维片组成示意图如图1所所示：

图1 碳纤维片组成示意图

在具体应用时，为切实桥梁结构的稳定性，在裂缝加固处理中要尽量采用高强度、高弹性的碳纤维。同时，碳纤维的排布要尽量成片状，经过树脂等高黏度材料的浸泡下，牢牢粘贴在桥梁结构表面，可促使桥梁原有结构和碳纤维紧密结合到一起。片状的碳纤维的强度、弹力都非常高，抗拉强度也比较大，可达到2400MPa，是钢材拉伸度的10～15倍，而碳纤维的理化性质比较稳，不会轻易被腐蚀，且耐寒性和耐热性都比较好。因此，被广泛应用在桥梁结构裂缝加固处理中。

四、碳纤维加固技术在桥梁结构裂缝中的应用

（一）桥梁结构裂缝表层处理

对于桥梁结构裂缝宽度在0.15mm以上的裂缝，可采用壁可法裂缝粘贴碳纤维片进行封闭处理，碳纤维片的各项性能和指标要符合《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ122-2008)中规定，并经过业主、监理审核通过后才能应用到裂缝处理中。所选择的碳纤维要满足以下两点要求：第一，粘贴性好、可渗透性强，具有一定的可灌性；第二，固化后收缩性小，固化时间可调节，操作工艺简单便捷，固化后不能发生遗留化学物质。具体操作流程如图2所示：

图2 碳纤维加固技术流程图

施工要求和方法：先对裂缝进行全方位调查，对裂缝的数量、长度、宽度等情况进行现场核对，并最好记录。桥梁混凝土构件裂缝处理应根据不同构件、不同部位、不同的裂缝形态选择适当的修补方法、修补材料和修补顺序。对裂缝缝口进行全面处理，确保碳纤维加固工作片平顺、干燥、无油污，处理范围要沿裂缝走向宽30mm～50mm。

（二）环氧碳纤维封闭裂缝加固技术

环氧碳纤维封闭裂缝加固技术的应用流程为：表面处理→清洁表面→沿裂缝开6mm～8mm深的v形槽→环氧树脂胶泥封闭裂缝→涂刷环氧树脂胶液→养护→检查质量。为最大限度上保证桥梁裂缝加固处理质量，要先用钢丝刷清除原混凝土表面浮浆，并打毛裂缝周围2cm～5cm内的混凝土，沿着裂缝的方向开6mm～8mm深的V形槽，通过高压压缩空气吹掉裂缝的浮尘，通过甲苯溶液对裂缝口清洗。根据实际情况配置环氧树脂胶泥和碳纤维片，均匀涂抹在裂缝表面，把裂缝全部封闭。当环氧树脂固化后，在碳纤维表面再涂刷一层环氧树脂，提高对裂缝的保护作用。带环氧树脂和碳纤维全部固化后，再进行表面平滑处理。

（三）碳纤维布粘贴和养护技术

应用实例表明，碳纤维布的粘贴质量和粘贴技术有很大关系，在桥梁结构裂缝加固处理过程中，要根据裂缝的实际情况、形成原因等具体情况进行全面设计，选择与之相适碳纤维布，然后对需要加固的裂缝进行合理处理和涂刷。比如：在桥梁结构的受力区域，要进行受弯件加固，则要采用U形碳纤维布，并增加涂刷厚度，才能最大限度上保证加固效果。同时，还要保证碳纤维粘贴方向和受拉方向的一致性。在碳纤维布粘贴过程中，要严格按照国家规定的标准进行加固处理，在施工前还要参照概率理论对碳纤维的极限状态进行计算，以保证桥梁结构裂缝加固效果。

五、碳纤维加固技术在应用时需要注意的几个关键技术

（一）保证施工工艺可靠性

大量桥梁结构裂缝加固处理实例表明，科学、合理、规范的施工工艺和先进的管理方法，可大幅度提升碳纤维片和混凝土粘贴的牢固性。因此，在应用碳纤维加固技术时，要充分做好以下几点：

第一，全面处理裂缝表面。把裂缝周围疏松、脆裂、松脱的混凝土全部剔除，必要时还要做防锈处理。当裂缝宽度在0.20mm以下时，用环氧树脂涂抹封闭即可；当裂缝宽度在0.20mm以上时，则需要用环氧树脂灌缝处理。

第二，合理处理粘贴碳纤维片基层，对混凝土残缺用高于原混凝土强度等级的砂浆进行修补平整，切除风化劣化层、浮浆等污染，保证修补表面的清洁性。

第三，粘贴碳纤维片，在经过处理的混凝土表面，先涂刷一层TR型环氧树脂，并根据裂缝实际情况，裁剪碳纤维片。当碳纤维片粘贴完成后，还要在表面涂刷一层环氧树脂，各项工作要严格按照操作规程和质量控制标准开展，最大限度上保证桥梁结构裂缝加固处理的质量。

第四，碳纤维片养护和涂装。一般情况下，碳纤维片粘贴要养护10～15天，才能达到预期标准。养护完成后，还要在表面涂刷各种性能和不同颜色的涂装，进一步提高桥梁结构裂缝加固效果。

（二）保证碳纤维材料的可靠性

碳纤维普遍具有较高的力学性能，和碳纤维片本身的材料属性、加工工艺具有极为密切的关系。碳纤维规格和性格指标如附表1所示。

比如：碳纤维片只有分布均匀后，才能充分发挥整体受力的作用。如果碳纤维片的材质均匀性不足，则会很大程度上降低桥梁结构裂缝加固的效果，所以在选择碳纤维材料时，要尽量选择材质均质的碳纤维片。

综上所述，本文结合工程实例，深入研究了桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术。研究结果表明，桥梁结构裂缝是桥梁工程中最常见的病害，如果不进行科学合理的加固处理，则会对桥梁整体结构的稳定性和质量造成严重影响。通过应用碳纤维加固技术，既能有效抑制裂缝继续发展，而且还能大幅度提升桥梁整体结构的稳定性，同时还具有施工便捷、施工速度快、施工效果比较好等优点，值得大范围推广应用。

附表1 碳纤维规格和性格指标

参考文献：

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