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橋梁結構碳纖維加固技術與應用

（一）前言

中國橋梁工程的發展已具有相當規模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國20世紀80年代以前修建的，因其設計荷載標準偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠沒有達到設計壽命時出現耐久性能嚴重退化的現象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當的加固和改造技術措施，恢復和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應現代化交通運輸的需要變得十分迫切。（2）使用前必須觀察好環境、實際溫度和熟悉工藝條件才能進行膠的試驗調制，才能確定佳配置比例。

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區。碳纖維材料具有優異的物理力學性能。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強度標準值應大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想大限度地發揮材料自身的優勢，適宜將CFRP材料作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件，特別適用于純受拉構件，工程實踐也證明了這一點。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補強的施工工藝

1、根據設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理

(1)將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；

(2)裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫；

(3)將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。

3、環氧結構膠對構件表面殘缺的修補

(1)構件表面凹陷部位應用環氧結構膠填平，修復至表面平整；

(2)內角（段差、起拱等）要用環氧結構膠填補使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養護

粘貼碳纖維片后，需自然養護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點

在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。

2、按設計要求對破損面鋼筋處理后用環氧樹脂裂縫膠進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。使用預應力加固技術后的碳纖維布相較于普通碳布，強度方面更為優越。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時進行表面防護及外觀處理。

（五）注意事項

1、碳纖維片材選擇注意事項

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。也就是說如果Vmax與V0差值較小，碳纖維抗剪加固的作用也是有限的。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。

②按設計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續粘貼。如不能連續粘貼，則再開始前應對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時應考慮環境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4％。

⑨樹脂配制時應按產品使用說明規定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內不得有油污及雜質。宜根據現場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。

⑩為了保證粘貼的質量，不同季節、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。

（六）對碳纖維加固補強技術的展望

碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優點：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設計厚度0.111mm～0.167mm，加上環氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；

3、能適應各種結構外形的補強；

4、可以多層粘貼。可根據設計要求，在一個部位重疊粘貼。

（七）結束語

隨著我國高等級公路的迅速發展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。

預應力加固技術與碳纖維復合材料的性能與介紹

預應力加固結構的技術是自20世紀末開始研究的一項新型補強技術，在傳統粘貼加固技術上取得了重大突破，它能充分利用碳纖維復合材料的高抗拉強度，避免碳纖維過早剝離的現象，有效地提高結構的強度與剛度，達到減小結構原有裂縫寬度和限制裂縫的形成與發展的效果，顯著提高結構的工作性能。其原理與粘貼鋼板加固相似，均是在結構的受拉側粘貼抗拉材料，以起到與結構共同受力，增強配筋的作用。3、加固用碳纖維板系統的制作在碳纖維板系統制作之前，量測兩錨固端之間的距離，確定碳纖維板的下料長度。

預應力加固法是采用外加預應力鋼拉桿或型鋼撐桿對結構構件或整體進行加固的方法，特點是通過預應力手段強迫后加部分一拉桿或撐桿受力，改變原結構內力分布并降低原結構應力水平，致使一般加固結構中所特有的應力應變滯后現象得以完全消除，因此后加部分與原結構能較好地共同工作，結構的總體承載能力可顯著提高。有一部分公路橋梁是中國20世紀80年代以前修建的，因其設計荷載標準偏低，普遍存在承載力不足的問題。

1、預應力加固碳纖維復合材料

預應力碳纖維板彈性模量低而拉伸強度高，充分發揮需要1.5%以上的拉伸變形，而通常構件的變形限制所允許的表面應變遠遠小于這一變形，當加固鋼筋混凝土結構時這一缺陷更加明顯，鋼筋的屈服變形僅為0.18%，即使在不考慮鋼筋初始變形的條件下鋼筋屈服時碳纖維所發揮的強度也不到12%，因此采用傳統粘貼方式進行碳纖維加固時，碳纖維的高強度性能僅能被利用到很少的一部分，大部分的材料強度在結構的正常使用極限狀態內都無法正常發揮，預應力加固技術可使碳纖維板在承擔結構傳遞的荷載應力之前就已經處于較高的應力水平，預先發揮了一定的強度，從而實現了其高強性能的充分利用。碳纖維加固預應力碳纖維板即碳纖維加固補強單向板材，采用碳纖維原料與良好基本樹脂，碳纖維板材具有拉伸強度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能，預應力碳纖維板在前者已有特性上提高了結構構件的開裂荷載、屈服荷載。改善使用荷載下的性能。（6）固化養護與拆卸夾具：應碳纖維布在施工環境溫度和材料特性合理控制固化時間，當施工環境溫度低于25℃時，固化時間相對延長。

玄武巖纖維板在橋梁加固中的應用

1、環氧樹脂玄武巖纖維板加固原理

玄武巖纖維預浸熱固性環氧樹脂后，在模具內固化并通過連續拉擠成型成為環氧樹脂玄武巖纖維板，玄武巖纖維提供了板材所需要的高強度，樹脂提供了較好的耐腐蝕性能。加固過程中，使用粘鋼膠沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，包括梁、柱、懸挑梁、板等需要加固和變更的工程，使玄武巖纖維板與加固基體形成一個新的復合體，即使環氧樹脂玄武巖纖維板與原有鋼筋混凝土結構共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高橋梁結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。碳纖維布與混凝土之間的粘結量可以用錘擊法或者其他方法進行檢查，確認有效粘結面積不應小于總粘結面積的95%。

2、環氧樹脂玄武巖纖維板在橋梁加固應用概況

   環氧樹脂玄武巖纖維板的低密度、高強度、耐久性好、耐酸堿化學腐蝕性能強、抗壓抗剪強度大這些優異性能都決定了環氧樹脂玄武巖纖維板將在橋梁結構的加固補強中得到廣泛應用。玄武巖纖維板坐補強橋梁混凝土結構時，不需要增加螺栓和柳釘固定，對原混凝土結構擾動較小，相較于置換混凝土加固法、化學灌漿施工等加固方法，環氧樹脂玄武巖纖維板工藝簡單方便。相較于其他的加固方式，利用環氧樹脂玄武巖纖維板加固有顯而易見的優勢，并作為一種新興技術，得到愈來愈多的青睞與肯定。三、淺析碳纖維布加固破壞原理及施工工藝據了解碳纖維布加固技術在90年代在我國建筑工程和橋梁隧道工程領域中開始被應用，在早期其加固費用昂貴，碳纖維布加固技術的發展被限制，隨著我國科技實力的不斷發展，碳纖維布加固的造價不斷降低，使的碳纖維布加固技術日益成熟，其應用領域不斷增大，讓碳纖維材料在工程應用領域中得到了推廣。碳纖維加固工程驗收細節和方法（一）一般規定現場施工溫度不低于15度進行控制，低于15度應使用冬季配方膠，低于零下5度應停止施工，現場無粉塵，且不受日曬、雨淋和化學介質污染。

碳纖維布加固混凝土柱：

采用碳纖維布對混凝土進行加固，其原理是利用了碳纖維的高抗拉強度和對混凝土的約束作用，使得混凝土處于三向受壓狀態，從而提高混凝土柱的極限承載力和壓縮能力。

碳纖維布加固混凝土梁：

根據實驗研究成果，碳纖維布加固梁的破壞形式有以下幾種：

1、界限破壞，當碳纖維和鋼筋的配置率適當，在受壓混凝土達到極限應變的時候，受拉區纖維剛好達到極限強度，此時材料的強度得到充分發揮，截面的延性也達大值；

2、適筋破壞，鋼筋受拉屈服，受壓區混凝土被壓壞，碳纖維未達到極限應變；

3、少筋破壞，受拉鋼筋先達到屈服，然后碳纖維片材超過極限拉應變，并達到極限狀態而被拉壞，而此時受壓區混凝土尚未破壞；

4、超筋破壞，加固量過大，受拉鋼筋屈服前，受壓區混凝土被壓壞；

5、粘接破壞，在達到正截面極限承載力前，碳纖維片材與混凝土產生剝離破壞。

與此同時，碳纖維布加固在工程中已經有了很多的應用，卡本碳纖維布在上海證券所加固工程以及清華附屬中學等加固改造工程中得到了大范圍使用。在這些工程中它們所有的一個共同病害就是混凝土結構出現裂縫，為了防止裂縫處鋼筋與空氣接觸產生氧化，從而導致銹蝕，應對裂縫進行修補。也就是說如果Mb與M0差值較小，碳纖維抗彎加固的作用是有限的，粘貼更多的碳纖維也不能提高抗彎能力，而只能導致規范不允許的超筋截面。對裂縫進行修補過后，在采用碳纖維布進行加固，大致過程如下：

1、首先按照圖紙要求進行定位放線；

2、采用硬毛刷對混凝土表面進行清理并將轉角處打磨成圓弧狀；

3、按設計要求裁剪碳纖維布；

4、涂抹底膠，粘貼碳纖維布，并沿著單向多次刮壓，涂刷面膠，并對碳纖維布進行防護；

5、待膠固化后，對粘貼碳纖維布進行驗收。

總而言之，碳纖維布加固技術與傳統的增大截面加固法、粘鋼加固法等相比，碳纖維布加固法具有抗拉強度高，耐腐蝕性好、自重輕、施工便捷等優點，為結構安全保駕護航。與此同時，碳纖維布加固除了對開裂的梁板進行加固處理之外，還可在戶型改造工程、房屋加層工程、地下室改造工程以及古建筑的修復工程中應用。安裝時應輕拿輕放，盡量不要使碳纖維板受到碰撞，以免損壞碳纖維板。

碳纖維布加固的優勢體現在哪里

當發現房屋的質量存在問題的時候，首先要了解清楚房屋所存在的質量問題，這是一個很重要的環節，是不能忽略的。房屋加固之前是需要做一個質量檢測的，這樣可以清楚知道房屋存在的問題，因為房屋出現了質量問題，單憑我們肉眼只能看到房屋表面的問題，而房屋內部的結構問題是看不出來的，只能通過檢測鑒定，才知道是哪些結構出現了質量問題。只有了解清楚房屋的質量問題所在，才能更好地做加固修復處理。5%以上的拉伸變形，而通常構件的變形限制所允許的表面應變遠遠小于這一變形，當加固鋼筋混凝土結構時這一缺陷更加明顯，鋼筋的屈服變形僅為0。

在了解清楚房屋所在的問題，然后就是制定出加固施工方案，方案是根據房屋的問題來制定的，這樣制定出來的方案針對性胡更強。在制定加固方案時，很多施工單位都會選擇碳纖維布加固這種方法，因為碳纖維布加固具備其它加固方法不具備的優點，碳纖維布加固施工難度小，又能節約加固施工的成本，擁有自身獨特的優點。環氧樹脂是一種改性的熱固性樹脂，可以提供板材較好的耐腐蝕性能。

碳纖維布作為一種現在的新型材料，它優勢體現在能夠有很好的抗拉伸性能，是材料的韌性也非常大。而且碳纖維布的施工能夠適應于不同的環境，對于現場施工環境的要求也有普遍的降低，但是對于加固的質量卻能夠有很好的提升。因為碳纖維布的材料以及它的施工，能夠讓成本節省一大半，而且能夠大大的縮短施工工期，這樣能夠進行一個快速的施工之后，并且能夠短時間內居住。上海倍牢得碳纖維布品質好，達到國家一級標準，具有高強度、高彈性模量、耐腐蝕、耐老化的優點。

后及時碳纖維布加固過程重點額一些施工環節，也有很多是需要注意的，碳纖維布加固雖然施工難度小，但是也是要有注意的地方，該做的工作還是要做好的，在施工的環節中，施工單位要嚴格安裝施工的規范來施工，這樣可以提高施工的效率，也能保證加固施工的質量。1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。

碳纖維加固在建筑加固領域中的作用越來越明顯，這跟碳纖維材料的優越性是有很大的關系的，碳纖維布加固的優勢體現在施工方便快捷、省力節時、施工質量易于保證，而且適用范圍廣，混凝土構件、鋼結構。木結構均可進行加固。碳纖維加固還能大幅度提高構件的承載能力、抗震性能和耐久性能。對于配有底膠應按說明進行涂刷和養護，不得擅自免去涂刷底膠工序。