桥梁加固工程中碳纤维材料的运用研究

慕长君

（重庆兆祥建筑工程有限公司，重庆 400000）

0 引言

随着交通事业的迅猛发展，桥梁作为陆路交通中跨越河流、险地的重要结构形式，很多年久失修的桥梁工程面临着承载力不足、结构强度下降等问题。为有效解决上述问题，应积极做好桥梁加固与整修工作，确保车辆通行安全。碳纤维材料其具有强度高、耐腐蚀性强、施工便利等诸多优势，因而在桥梁的加固处理工作中有着越来越广泛的应用。

1 碳纤维材料的特性和应用优势研究

1.1 特性分析

碳纤维材料主要是由高强碳纤维材料与树脂材料经过复杂的制作工艺生产而成，该类材料的力学特性优异。就目前市场上在售的碳纤维布材料而言，抗拉强度标准值基本都在3000 MPa以上。同时，碳纤维布的弹性模量能够达到2.1×105MPa，甚至更高。相比于其他加固材料来说，碳纤维材料具有高强度、高模量的突出特点。具体施工期间，需要将碳纤维材料处理之后粘贴在桥梁结构的相应位置，加固后的桥梁结构其承载力有显著的改善。但是，碳纤维材料在桥梁加固工作中也有着一定的局限性，如该类材料的延性较差等[1]。同时，由于碳纤维材料中添加了树脂材料，因而对于剪力的传递受到限制。除此之外，环氧树脂的剪切强度较低，在受到环境因素的影响下，容易发生软化问题，进而影响桥梁结构的安全性。在适用性方面，由于桥梁结构的不同，因而在应用方面也存在一定的限制。碳纤维加固技术的适用范围如表1所示。

表1 碳纤维加固技术的适用范围

1.2 应用优势

总体而言，应用碳纤维材料对桥梁工程进行加固主要具有以下5点优势：①碳纤维材料有着高强、高效的优势。尤其对于旧桥的加固、修补，通过碳纤维材料的使用，能够对混凝土桥梁结构起到很好的加固作用。这一过程中，可使碳纤维材料的高强度、高弹性模量方面优势得到充分发挥，以此提高混凝土桥梁结构与构件的延展性和承载能力，并显著改善桥梁结构的受力特性，使结构的受力状况得到优化。②碳纤维材料加固施工过程相对便捷、简单。在使用碳纤维材料进行加固施工时，因为材料的密度小、材质轻，因而施工过程不需要大型的机械设备。同时，加固期间不需要在现场搭设相关的固定、支撑设施，因而施工期间所占的场地面积与范围较少。具体施工期间，只需要根据加固范围，使用剪刀、刀片对材料进行尺寸方面的裁剪，由此看来施工较为简单、便捷。③碳纤维材料的耐腐蚀性与耐久性较好。大量试验数据与实践证明，在利用碳纤维材料对桥梁结构进行加固、修补时，能够显著提升结构的耐腐蚀性与耐久性。在粘贴碳纤维材料之后，能够省去防锈、维护、保养等烦琐的工作，同时还能有效节省桥梁的维修费用。④碳纤维材料的适用范围相对广泛。应用碳纤维材料时，不受桥梁结构形状的影响，无论是矩形、圆形还是曲面结构，都可使用碳纤维材料进行加固处理[2]。除此之外，无论是桥梁的哪个结构部位，都可应用碳纤维材料对其进行加固处理，如板（图1）、梁（图2）、柱（图3）、节点等部位，都可使用碳纤维材料进行修补加固。⑤施工质量可控。当前使用的加固材料主要以碳纤维布、碳纤维板为主，也有用到碳纤维束等材料。上述材料虽然在加工工艺方面存在较大的不同，但施工质量可控。需要注意的是，为提高碳纤维材料的应用质量，在材料粘贴固化后，要对表面局部区域的气泡进行修补，并尽可能提高有效粘贴面的比例。相比于钢板等其他类型的加固方式，采用碳纤维布进行桥梁工程加固有着突出的优势。

图1 板的加固

图2 梁的加固

图3 柱的加固

2 碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用要点

通过对碳纤维加固材料进行合理的排列，能够有效提高碳纤维的强度、刚度。随着碳纤维拉伸方向的改变，材料的拉伸强度存在较大的差异：当碳纤维的方向和受力方向保持一致的情况下，材料的拉伸强度会变强；若纤维方向和结构的受力方向相反，那么材料的拉伸强度会降低。因此，在应用碳纤维材料进行桥梁加固工作时，要控制好材料的排列方式与方向。现阶段，加固处理方法主要有3种：外贴纤维材料加固技术、预应力碳纤维材料加固技术以及内部纤维材料加筋技术。其中，前两种加固方法最为常见，下面就对碳纤维加固技术进行详细的分析。

2.1 混凝土构件的表面处理

首先，在开展梁体加固工作之前，要卸去混凝土构件上的全部或主要荷载，卸载之后的梁体应保持静置稳定状态，之后才能开展相应的加固工作。其次，加固之前要对混凝土构件的表面进行清洁，尤其要去除构件表面的残缺部分，并及时对表面的残渣进行清扫，以免影响结构的密实效果。另外，对于外露的钢筋要进行除锈，以免影响桥梁的加固效果。同时，对于没有生锈的构件，也应做好防锈处理。除此之外，加固之前剔凿的部分要使用混凝土细石材料进行修复，以确保结构表面的平整效果。如果结构表面的缝宽不超过0.2 mm，可以使用环氧树脂材料进行表面的涂抹、封闭处理[3]；但是，如果表面裂缝的宽度超过0.2 mm，要利用环氧树脂等材料对其进行灌缝，以免影响到结构的整体强度。

2.2 底层处理

若加固工作采用碳纤维片或碳纤维布，那么在粘贴片的周边要做好定位、画线工作，具体施工期间要按相关的修复、补强设计要求，对底层做出合理的处理。施工时可使用砂轮等设备对桥梁底层混凝土的表面进行打磨，除去游离石灰、原浆、粉刷层，确保结构表面的平整性。另外，对于混凝土构件的外露部分，要使用磨光机等设备对其进行磨平，之后再进行铺平。有棱角的结构部分要利用砂轮机进行导角，导角圆弧半径要控制在20 mm左右，同时还要取最大导角。打磨结束后，要利用空压机将结构表面的磨粉吹干净，最后用棉纱蘸着丙酮进行擦洗，确保表面清洁、干燥。

2.3 涂抹底层涂料

一方面，对于加固工作中的底层涂料，首先要将主剂、固化剂等倒入到容器内，之后再使用专业的搅拌仪器进行均匀的搅拌。需要注意的是，每次涂层材料的配备量，要在规定的时间内全部使用，超过使用时间的涂料不能用于加固工作，以免影响桥梁加固效果。在进行底层涂料的制备期间，不能添加各类型的溶剂，也不能使用含有溶剂的毛刷滚筒。另一方面，涂料制备完成之后，要用滚刷均匀地在加固结构的表面涂抹，同时还要控制好涂抹的厚度，避免出现粒子。当底层涂料固化之后，观察表面是否存在起鼓，如果有起鼓现象要利用砂纸进行磨平、打光。涂料涂抹对外界气温有一定的要求，当外界温度未达到5℃时，或在雨天环境下，不能开展下一步的施工工作。

2.4 粘贴碳纤维材料

桥梁加固过程中粘贴碳纤维材料应注意以下要点：①对于碳纤维材料的运输、储存以及粘贴过程，不能发生弯折现象，以防碳纤维材料发生破损问题，影响到加固质量。当碳纤维材料运输到现场之后，要使用正规的工具进行截切。同时，还要确保每段的长度应维持在6 cm左右。②碳纤维材料截切之后的衔接处，要使用树脂材料进行涂刷，在接头位置的搭接长度要控制在10 cm以上。③在粘贴碳纤维材料之前，要确认施工面的底层涂料以及修补材料处于清洁、干燥的状态。如果发现底层涂料以及残缺修补的地方存在问题，要在修补完成7 d后，经过表面打磨才能进行碳纤维材料的粘贴。④要控制好树脂的主剂、固化剂的使用量，尤其要严格控制称量过程，将称重好的材料按照标准比例装入到容器中，搅拌时间要控制在2 min以上。⑤贴片之前要使用滚筒进行均匀涂抹，涂量要结合实际施工面方向以及面层的粗糙程度，做好适当的调整。需要注意的是，对于结构中拱起、拐角等部位，要适当增加涂刷量。残缺修补的位置也应多涂刷树脂[4]。⑥粘贴碳纤维材料时，应保证碳纤维面与树脂间的紧密效果，粘贴时应确保内部空气被完全排出。在完成碳纤维片的粘贴工作之后，应当沿纤维方向刮至少4次，确保树脂能够充分渗入碳纤维中。当碳纤维材料粘贴完成1.5 h之后，要使用滚筒刷涂抹贴片树脂为上涂，这一过程中要确保碳纤维在移动时，不得把已经贴好的碳纤维片卷起。如果碳纤维材料需要铺贴两层以上，那么要在补完之后3 d内完成内铺贴。施工过程的质量控制对于桥梁工程加固效果有着至关重要的影响，因而具体施工期间要严格控制施工技术与材料，确保桥梁加固之后的承载力与安全性。

2.5 后期养护

一方面，当碳纤维粘贴完成之后，需要满足24 h的固化时间，在这24 h内不能开展其他工种作业，避免固化过程受到干扰，同时为了提高材料的固化效果。另一方面，在养护期间还要控制好外界环境的温度。一般来说，当外界温度控制在20℃左右时，其固化效果最佳，如果条件允许的情况下，应当在粘贴完成的14 d内，将材料表面的温度控制在20℃左右。此外，碳纤维材料粘贴完成之后，应加强后期的保养工作，保养过程中要避免触碰，不能施加压力。对于施工完成的项目，要在碳纤维片板周边设置相应的围栏以加强保护。

3 结语

以往在进行桥梁工程施工期间，由于受到材料性能、施工工艺以及管理工作等各类因素的影响，导致桥梁工程存在质量问题。同时，随着车辆运载能力的增强，通行车辆数量的增多，危桥、旧桥的数量在不断攀升，因而桥梁加固工作逐渐受到人们的广泛关注。在使用碳纤维材料加固桥梁工程时，要结合现场的实际情况，选用合理的碳纤维材料与施工工艺，加强对施工质量的把控，以此增强桥梁的运输能力与承载能力。