碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用分析

许延杰

(山西交投高速有限公司,山西 太原 030001)

0 前 言

我国目前的桥梁工程项目多建造于20世纪,随着服役时间的延长以及当前日渐繁重的交通荷载量,很多桥梁工程的耐久性和承载能力显著降低,不利于桥梁工程的安全、可靠使用，桥梁加固开始受到广泛关注。在桥梁加固技术中,碳纤维加固技术的优势十分突出,施工便捷,材料耐腐蚀,轻质高强。因此，详细探究碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用十分必要。

1 碳纤维材料加固技术的基本原理和优势

1.1 碳纤维加固的原理

碳纤维加固技术主要运用两种碳纤维材料,一种是碳纤维布,另一种是碳纤维板。这两种材料的离析性能十分优良,尤其是碳纤维布中的碳纤维丝,其配合特殊的树脂材料能够显著发挥加固功效。同时,碳纤维材料具备十分优良的抗拉强度,大概是普通钢材的10倍左右,经过环氧树脂浸泡后,能够生成一种新型的复合材料,也就是单向连续性的纤维,进一步提升了碳纤维材料的抗拉强度。经过浸泡处理后,再综合运用环氧树脂粘结剂,将其沿着受拉方向粘贴在需要被加固的构件表面,使之和被加固构件共同受力,以此来加固桥梁。

1.2 碳纤维加固桥梁的优势

目前碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用范围十分广泛,和其他加固技术相比较来看,其优势也是十分突出的,具体表现如下。

1)施工十分便捷。该技术在实际运用过程中,无需大型的机械设备,且碳纤维材料自身具备较好的柔性特点,可以结合被加固位置的具体情况,进行任意的裁剪处理。整个操作过程简单易行,且施工效率也极高。

2)具备优良的使用性能。碳纤维材料自身具备十分稳定的化学性质,和酸、碱、盐等各种化学物质接触,不会发生化学反应。因此，在钢筋混凝土结构中运用该材料时,能够避免化学反应而带来的腐蚀现象,亦可以降低除锈工作的成本费用。

3)热膨胀系数较小。因该种材料需要经过特殊的浸泡工艺制作,就使得其具备十分微小的热膨胀系数,其符合标准适用范围。这种优良特性十分独特,远远超过普通其他材料,在桥梁加固工程中运用该材料,能够显著提升桥梁工程的稳定性。

4)强度较高。一般来说,碳纤维强度为2 400～3 400 MPa。该抗拉强度基本为普通钢材的10倍以上,然而其弹性模量却接近于钢材。因此,将碳纤维材料运用在桥梁加固工程中,受到高强度和高弹性模量的作用,能够显著提升桥梁结构的承载能力,极大改善桥梁结构的受力性能。

2 碳纤维材料加固的施工工艺

在运用碳纤维材料加固桥梁工程中,主要的施工工艺流程如下：做好需要加固桥梁表面的清理工作→将需要粘贴碳纤维材料的基底清理干净→涂抹涂料在清理干净的底层上→将碳纤维材料粘贴在对应的处理表面上→固化涂装。

2.1 处理粘贴基底

1)对桥梁构件表面的情况进行简单的评估,检查是否存在残缺部位,是否出现锈蚀情况。若存在残缺部位,需要进行简单的处理和修复,且处理的深度需要达到构件的实际位置。对于存在的锈蚀情况,需要将锈蚀问题予以处置。

2)针对桥梁结构中出现的裂缝现象,利用树脂材料进行修补。若裂缝较小,则采取涂刷密封即可,若裂缝较大,则需要进行灌注处理。

3)将需要粘贴碳纤维材料的范围进行测量标记,并处理干净需要粘贴的表面。

4)清理干净需要粘贴碳纤维材料构件表面的灰尘,可以借助高压水或者高压空气,清理干净后需要将其晾干才能进行粘贴操作。

2.2 底层涂刷树脂

首先将一定比例的底胶和固化剂充分混合均匀，然后将底胶均匀地涂抹在构件表面,自然晾干。如果需要进行多次涂刷,则需要等上一层完全风干之后,才能涂刷下一层。当涂抹的底胶完全风干并且固化之后,需要对其表面进行一定的处理,使其保持平整。施工时候的温湿度也需要进行相应的把握,温度应保持在5℃以上,空气湿度应不超过85%,且应尽可能在晴天施工。对于露水,还需要做好一定的防护措施。

2.3 粘贴碳纤维材料

在运用碳纤维片时,需要对其质量进行严格把关,严格把关制作和运输等过程,同时在裁剪时,还需要严格防范折弯现象。在粘贴相邻位置的碳纤维片的时候,受力方向需要重叠至少20 cm，如果需要进行多层粘贴,也就是超过3层,重叠需要超过30 cm。垂直方向上保持在10 cm左右即可。如果存在多条碳纤维板,且需要平行粘贴,在板间缝隙需要保持在5 mm以上。此外，碳纤维片粘贴时,在粘贴完碳纤维片和树脂后,要利用橡皮滚筒来滚压碳纤维,并沿着纤维方向,尽可能的排尽二者间的空气,确保粘贴质量达标。

3 实 例

碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用范围十分广泛,极大地修补了桥梁工程中的病害,确保了桥梁工程的安全稳固性。本文结合实例,就碳纤维加固技术在桥梁加固中的应用进行分析。

3.1 工程概况

某桥梁工程项目建造于1971年,桥梁整体长度约为239.15 m,宽度为12.1 m,总共16孔,孔径大约为13.9 m。该桥梁工程的上部结构为T型梁,下部结构为桩柱式墩台。由于该桥梁建造时间过于久远,加之常年的车辆荷载作用,桥梁出现了不同程度的病害。同时该桥梁的宽度也无法满足日渐增长的车辆出行需求,需要对该桥梁进行加宽加固处理。经过综合分析,最终决定利用碳纤维加固T型梁,经过试验检测,加固效果较好。

3.2 碳纤维加固补强施工方案

3.2.1 大桥T型梁主梁抗弯补强方案

分别利用18×1 800(cm)和18×400(cm)碳纤维片在主梁跨中梁底下弯矩压上,在每一层两端位置分别设置一道12 cm宽的U型箍,以此来对碳纤维片材进行固定。

3.2.2 大桥T型梁主梁抗剪补强方案

加固位置确定在靠近支点横隔板的位置,并添加宽度大约为20 cm的U型外包箍、一片主梁设置12道。每一片主梁端部腹板位置,利用宽度约为20 cm的U型横向的外包箍。

3.3 碳纤维加固补强施工工序

在该桥梁工程加宽加固处理中,严格遵循碳纤维加固补强流程：处理干净大梁构件的表面→对基底进行进一步的清理→将混合好的涂料涂刷在底层→将基底刮平→将一层浸渍树脂进行仔细的涂刷→将纤维片粘贴在需要加固的位置→再进行一层浸渍树脂的涂刷→做好后续的养护保养工作→进行防护材料的涂刷。

在加固施工过程中,需要注意以下事项：①处理干净混凝土的基础面,仔细打磨混凝土基础面,对于其中残留的泥沙等清理干净，将各个棱角位置出现的倒角磨圆,确保表面平整干燥清洁,防止不平整或者湿润导致碳纤维片材无法粘贴牢固,进而出现偏斜和空鼓气泡；②当基础面清洁干净之后,才能进行底胶的涂刷，底胶材料主要由胶材和固化剂混合而成,需要均匀的进行涂刷，当底胶完全干燥之后,才能进行找平处理；③具体找平作业时,应按照一定的比例进行找平材料的调配，且需要进行多次修补,方能找平，表面的各种的凹坑需要进行填平处理,且打磨平整各种毛刺，等完全风干之后,进行树脂涂刷；④碳纤维片粘贴的时候,需要依据加固位置的实际情况,裁剪大小适宜的碳纤维片。万不可出现跳丝、扭曲和弯折现象，并裁剪充沛的碳纤维片，依据相关要求,科学合理配比粘结树脂。充分搅拌均匀后,并在第一时间内及时进行使用,均匀进行涂抹，选用滚子多次滚压,确保碳纤维片和树脂材料得到完全的结合,且将其中的气泡碾走，粘贴完毕的碳纤维片,待其强度达标前,仅需要做好自然养护即可,避免硬物冲击；⑤涂刷防护涂层，为确保碳纤维加固材料发挥加固功效,防止碳纤维层出现老化和损伤,确保加固年限延长。

3.4 碳纤维加固对比分析

该桥梁加固完成后,经过测试后发现,桥梁的动静载荷数据得到显著提升,发挥了极为有效的加固作用。通过该案例可知,碳纤维加固技术操作简单,无需大型设备机械,仅需要利用小型电动工具,操作人员数量要求少,施工效率较高,成本较低,且无需中断交通,受到施工环境的影响相对较小,能够显著缩短施工工期,社会效益和经济效益都十分显著。同时,该施工技术能够显著提升建筑物的使用寿命,加固费用低廉。和钢筋混凝土加固比较,碳纤维加固成本可能略高,然其整体工期较短,总成本依然较低。因此,在桥梁的机体出现轻微损坏,工期要求较高,交通流量较大且不宜进行交通中断的桥梁工程中,碳纤维加固十分适用。同时对于桥梁裂缝的修补也十分友好。若桥梁工程结构出现严重破坏,出现了大面积的混凝土碎裂,则需要运用混凝土钢筋加大截面加固法,该方法工期长,需要中断交通。

4 结 语

我国桥梁大部分建造于20世纪,随着服役年限的增加,大部分桥梁开始出现不同程度的病害现象,亟待进行处置。其中碳纤维加固技术在桥梁加固工程中的应用范围十分广泛,其施工操作便捷,工期较短,加固效果优良。因此，在桥梁工程加固处理中,合理选用碳纤维加固技术十分必要。在实际施工中,需要选择好碳纤维加固材料,并严格依据施工工艺流程进行施工操作,做好养护处理,确保工程项目达到预期的加固效果。

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