桥梁粘贴碳纤维布加固技术简介

摘要：随着中国经济建设和交通事业的飞速发展，以及不断上涨的交通压力趋势，现有桥梁中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些桥梁由于使用功能的改变，难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。桥梁板底粘贴碳纤维布加固技术作为一种近期才发展起来的新型加固技术，由于其独特的材料性能和施工工艺，该材料与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，适用于处理桥梁使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值、结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护的加固工程。

关键词：碳纤维布 浸渍胶 找平胶 质量控制 施工工艺

一、引言

钢筋混凝土桥梁在使用过程中由于自然环境、使用功能改变、疲劳损伤累积等因素的影响，将直接导致结构材料劣化及承载潜力下降。同时，随着时间的推移，大量的钢筋混凝土桥梁将步入老化期，这些因素对结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影响。面对日益艰巨的公路钢筋混凝土危旧桥梁改造任务，急需找到一种快速、有效、可靠的加固维修方法。粘贴碳纤维布增强复合材料加固混凝土结构技术是一项新型、简捷、快速的混凝土结构加固技术，深受国内外学者的重视并已得到了较为广泛的应用和发展。

粘贴碳纤维布结构加固技术是指采用高性能粘贴剂将碳纤维布粘贴在结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯，抗剪）承载能力，由此而达到对结构或构件进行加固、补强的目的。

表1 碳纤维布和补强用钢板的物理性能对比

碳纤维布加固技术是近年来发展比较快的一项新型加固技术。由于使用碳纤维布加固具有a、强度高（强度约为普通钢材的10倍），效果好；b、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性和耐久性；c、自重轻，基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广；d、施工简便（不需要大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；e、施工工期短；f、补强效果显著，能够有效提高结构物的静荷载、动荷载、构件刚度、构件的抗蠕变和构件的耐久性，为原钢筋混凝土构件提供优良的补强效果。并且非常适合在高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用，不会生锈，抗老化和抗疲劳强度高。因此，碳纤维布加固技术在混凝土结构方面已产生较大的效应，目前已经广泛应用于既有钢筋混凝土桥梁结构的改造、加固以及施工过程中遇到的已建结构设计变更等工程实际中。

但由于粘贴碳纤维布加固工程的特殊性，涉及材料种类多，技术要求较高，既要有正确的设计计算、规范的施工工艺流程，又要有配套的施工设备及高素质的施工队伍，因此对碳纤维布加固工程全过程的质量控制尤为重要。

二、粘贴碳纤维布试验研究及数据分析

通过9根碳纤维布加固补强钢筋混凝土梁的试验,主要研究碳纤维布用量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响和作用。

试验梁为矩形截面简支梁，分为两组。截面尺寸均为b*h=100mm*200mm,跨度l=2200mm,净跨l0=2000mm。Ⅰ组梁：纵筋为2@8，箍筋为Ф6@100，架立筋为2@4；Ⅱ组梁：纵筋,2@10，设计配筋率为0.92%，剪跨区及纯弯段内箍筋分别为Ф6@100和Ф6@200，架立筋为2@4。

表2 试验梁的加固情况与主要试验结果

试验结论：

1、碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁时,截面的平均应变仍然符合平截面假定。

2、使用碳纤维布来提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是有效的。粘贴碳纤维布后,试验梁的受弯承载力明显提高,其中极限受弯承载力的提高更为显著。

3、碳纤维布的应用中存在使用效率的问题。试验研究发现,同样的碳纤维布用量,分条粘贴的加固效果略好于整条粘贴。

4、构件受弯承载力随碳纤维布用量的增加而提高,当碳纤维布使用层数较少时提高幅度相对较大,受使用效率的影响,提高幅度随着碳纤维布层数的增加而减小。

5、碳纤维布用量的增多将使受弯构件的破坏形态由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被压碎的破坏。同时,由于碳纤维为完全弹性材料,它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性变形对提高构件延性的作用,碳纤维布用量过多时,构件延性有所降低。

6、粘贴碳纤维布的试验梁的挠度小于未加固的梁,说明碳纤维布的使用使构件的抗弯刚度增加。

三、粘贴碳纤维布施工工艺及质量控制

1、施工工艺

（1）、认真阅读设计图纸进行放线定位及各种施工准备工作。

（2）、混凝土基面的处理：

a、用角磨机清理混凝土表面的劣化层（剥离、蜂窝、浮浆等），并用高压清洗机清洗，露出干净、结构坚实的表面。

b、对于混凝土胀裂、钢筋锈蚀的现象，先凿除松散部分，对锈蚀钢筋进行人工除锈，然后采用环氧树脂作防腐处理，并用环氧砂浆作为整平材料填补整平。在填补环氧砂浆前，先在混凝土表面涂刷一层环氧纯浆液作为粘合剂，以确保新旧混凝土粘合良好。

c、对宽度≤0.15mm的裂缝，使用裂缝封缝胶对其进行封闭处理；

对宽度≧0.15mm的裂缝，使用裂缝灌注胶对其进行注胶处理；

d、对基面经过剔凿、处理锈蚀露筋可能出现的急剧凹陷、构件缺损部位以及表面凸出部分、用环氧砂浆修复打磨平整或圆滑顺畅过渡，以确保结构件表面平整美观。

e、对基面尖锐凸起的部位（混凝土构件交接部位、模板段差等）用角磨机磨平凸起的转角或存在的混凝土模板接头处的阶梯状错位，用角磨机进行打磨至圆滑（R≧20mm）。

f、清理打磨后基面上的粉尘、松散浮渣后，用清水清洗基面，确保黏贴基面上干净、无油污并充分干燥。

基面处理完毕后经行自检工作，自检合格后请监理进场进行工序验收，验收合格后，进行下一道工序。

（3）、涂刷底胶

a、根据标准用量，算出所涂布面积的底胶用量。按规定的比例把底胶主剂和固化剂置于配胶容器中，用电动搅拌器搅拌均匀。视现场气温等实际情况，配制适量底胶，确保在适用期内一次用完。

应注意：

①、配好的底胶如超过适用期后绝不能使用；

②、在底胶中严禁添加任何溶剂，含有溶剂的毛刷或被溶剂润湿了的容器、滚筒等工具在未干燥之前不得使用；

b、用滚筒刷或毛刷均匀、无遗漏地将底胶涂在需要补强的混凝土表面，底胶涂布边界应不小于所黏贴的碳纤维布面积。

应注意：施工部位的温度应不低于5℃或不高于35℃，相对湿度应小于85%，遇雨天混凝土表面结雾或有水分，应用电吹风将湿润部位表面处理至干燥后方可施工。

c、等底胶胶凝至接触干燥（视施工现场气温情况，一般需3个小时）后，如发现表面有突起毛刺，应用纱布打磨光顺，注意不能将底胶层打磨穿，如有打磨穿的局部应重复操作步骤。

涂刷底胶工作完毕后进行自检工作，自检合格后请监理进场经行工序验收，验收合格后，进行下一道工序。

（4）、修整找平层

a、底胶接触干燥后，若发现粘贴表面上有缺损、凹陷拐角、模板接头处出现高度差等情况，应用找平胶经行刮填修补，保证模板接头处无明显高度差，缺损、坑洼平缓顺畅，凹陷拐角处填补成R≧30mm的圆角过渡。

整平材料的调剂和使用注意事项与底胶相同。

b、等整平材料固化至接触干燥（视施工现场气温情况，一般需3个小时）后，如发现表面有突起毛刺，应用纱布打磨光顺。

修整找平工作完毕后进行自检工作，自检合格后请监理进场经行工序验收，验收合格后，进行下一道工序。

（5）粘贴碳纤维布

A、按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。应注意：

a、碳纤维布的裁剪数量应保证能在当天用完；

b、碳纤维布一定要做好防潮处理，避免影响质量；

c、碳纤维布在运输、储存、裁剪和粘贴过程中应避免受到弯折，每天施工所用的剪裁好的碳纤维布应妥善保存。

d、碳纤维布为导电材料，使用碳纤维布时应尽量远离电气设备及电源。

B、将配制好的粘结剂（浸渍胶）均匀涂抹于需要粘贴部位的混凝土面上。根据浸渍胶的标准用量，计算出所涂布的面积的需要量，视现场气温等实际情况，确保在适用期内一次用完，按浸渍胶使用说明规定的比例把浸渍胶主剂和固化剂置于配胶容器中，用电动搅拌器搅拌均匀。

应注意：已配好的浸渍胶如超过适用期后不能使用。

C、用滚刷或毛刷均匀、无遗漏地将浸渍胶涂在选定的混凝土表面，浸渍胶涂布面应不小于所粘贴的碳纤维布大小。

应注意：在模板接头处出现的高度差位置和拐角以及碳纤维布搭接部位处应多涂一些。

D、在已涂好浸渍胶的混凝土表面铺覆碳纤维布，碳纤维布的铺覆方向符合设计要求。

E、用专用胶辊或刮板在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并向一个方向或从中间向两个方向滚动碾压，但不允许来回反复滚动，使树脂胶液充分浸渍碳纤维布，形成复合材料，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接。严禁交叉垂直于碳纤维丝方向滚动碾压施工，以免出现折丝弯丝现象。

F、二层粘贴，应重复上述步骤，在纤维表面粘接胶凝胶固化至指触干燥后方可进行下一层碳纤维布的铺覆。

G、应遵循下述自然养护制度：

a、每处施工完成后，自然养护24小时内应确保不受外力硬性冲击等干扰；

b、每道工序过程中及完工后，宜用塑料薄膜遮挡以防止风沙或雨水侵袭；

c、该工程施工过程平均气温一般都高于15℃，自然养护至达到设计强度要求需要3天左右。

H、对粘贴施工完工后的复合材料层，经自然养护至浸渍胶完全固化后，对碳纤维布粘贴面仔细检查，如果碳纤维布贴层有空鼓或气泡，在纤维片上打开2个以上的孔，然后采用注射器针管将调制好的浸渍胶注入空鼓或气泡内填充至密实。应保证密实粘贴面积达到100%。

粘贴碳纤维布工作完毕后进行自检工作，自检合格后请监理进场进行工序验收，验收合格后，进行下一道工序。

（6）涂刷表层防护胶

在粘贴碳纤维布并形成复合材料凝胶固化后，在复合层表面采用滚筒和刮板均匀涂刷表面防护胶，形成防护层。

涂刷表面胶工作完毕后进行自检工作，自检合格后请监理进场进行工序验收，验收合格后，进行下一道工序。

（7）表面涂装

采用超薄型无机聚合物砂浆涂刷于碳纤维表面，使其颜色达到装饰性效果或与混凝土颜色基本一致。

（8）粘贴碳纤维布过程中的注意事项：

a、浸渍胶浸润碳纤维布良好。

b、碳纤维布粘贴密实与混凝土结合达到100%。

c、碳纤维布顺纤维方向不发生弯曲。

d、顺纤维方向搭接长度不小于10㎝，各层之间搭接部位不得位于同一条线上，必须错开至少50cm。

                                                        图1  粘贴碳纤维布现场施工照片

图1为甘肃省某高速公路上的一座桥梁粘贴碳纤维布加固的施工现场照片，该项目采用的是C-30型的碳纤维布，每块板粘贴两条通长碳纤维布，每隔5m设置一个压条，每块板的两条纤维布之间空余20cm，以便于观察板底裂缝的发展情况。加固后，呈整板受力，重车通过时，板体下挠度明显减小，板体振动明显减小，该桥加固效果良好。

2、质量控制

（1）材料质量控制

碳纤维布及配套树脂类粘结材料应具有产品合格证，应提供产品规格及主要物理、力学性能指标，具有材料质检部门出具的检验报告，而且物理力学性能指标应符合《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》

表3 碳纤维布主要性能指标

表4 找平胶主要性能指标

表5 浸渍胶主要性能指标

（2） 施工过程和工程验收的质量控制

a、粘贴碳纤维布加固施工主要在于过程控制，其每一项工序都至关重要，应由具有相应资质及施工能力强的专业施工队伍施工，且必须严格按照施工工艺和材料性能要求经行施工。

b、工程验收时必须具有碳纤维布及配套树脂类粘结材料的产品合格证、产品质量出厂检验报告。每一道工序结束后均应按施工工艺要求进行检验和验收，合格后方可经行下一道工序的施工，并做好相关的检验和验收记录。施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面的方法来判断，总有效粘结面积不应低于95%。

四、结束语

综上所述，粘贴碳纤维布加固技术，是桥梁加固行之有效的新方法，随着我国经济的快速发展，交通量日益增大，可以断言，粘贴碳纤维布加固技术，广泛应用于桥梁加固已是必然趋势。

参考文献：

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