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桥梁结构碳纤维加固技术与应用

一前言

中国桥梁工程的发展已具有-，公路交通量不断增加，行车密度及车辆载重越来越大，公路桥梁负荷日趋加重。有一部分公路桥梁是中国20世纪80年代以前修建的，因其设计荷载标准偏低，普遍存在承载力不足的问题。而20世纪80年代以后修建的，其中已有不少桥梁暴露出缺陷，更有一些在远没有达到设计寿命时出现耐久性能-退化的现象，影响其承载能力和使用寿命。2、按设计要求对破损面钢筋处理后用环氧树脂裂缝胶进行灌缝或封闭处理，并-钢筋保护层厚度不小于15mm。因此，采用适当的加固和改造技术措施，恢复和提高桥梁的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以适应现代化交通运输的需要变得十分迫切。

二碳纤维材料特性

碳纤维增强塑料是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的，其力学特点是应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能。加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。采用化学胶管或植筋胶植入螺栓时，应-孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度标准值应大于3000mpa，弹性模量大于2.0×l05mpa.综合材料的物理、力学特性分析，要想大限度地发挥材料自身的优势，适宜将cfrp材料作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，-适用于纯受拉构件，工程实践也证明了这一点。目前，用于桥梁加固的碳纤维材料主要是承受拉应力，约束裂缝的开展。

三碳纤维加固补强的施工工艺

1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理

(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行-的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；

(2)裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；

(3)将构件表面凸出部分模板的段差等打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；

(4)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

2、底层涂刷底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内

(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；

(2)用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；

(3)底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；

(4)注意在气温小于5℃，相对湿度大于85，砼表面含水率在8%以上，有结露可能而无--措施时，均不得施工。

3、环氧结构胶对构件表面残缺的修补

(1)构件表面凹陷部位应用环氧结构胶填平，修复至表面平整；

(2)内角段差、起拱等要用环氧结构胶填补使之平顺。

4、贴碳纤维

(1)为了防止碳纤维受损，在碳纤维运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折；

(2)碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；

(3)按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；

(4)贴碳纤维时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。

5、养护

粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并-固化期间不受干扰。

6、涂装

根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。

四碳纤维加固处理要点

在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按以下施工工序进行加固施工。

1、破损面混凝土表面处理：清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。

2、按设计要求对破损面钢筋处理后用环氧树脂裂缝胶进行灌缝或封闭处理，并-钢筋保护层厚度不小于15mm.利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.

3、涂刷底层树脂：用-滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。

4、找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。

5、粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。碳纤维材料具有优异的物理力学性能，如柔和性好，能灵活地用于抗弯、封闭箍和抗剪等加固。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。

6、在后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

7、-时进行表面防护及外观处理。

五注意事项

1、碳纤维片材选择注意事项

碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固的关键。

2、碳纤维片材粘贴注意事项

在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。

按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm.

将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。

擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm.

将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，-密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm.

需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。

施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。

施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。

树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。

⑩为了-粘贴的，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。

六对碳纤维加固补强技术的展望

碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在较多优点：

1、施工简便迅速，无需模板、夹具、支撑等；

2、不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m2～300g/m2，设计厚度0.111mm～0.167mm，加上环氧树脂的重量也很轻，对结构自重影响可忽略不计；

3、能适应各种结构外形的补强；

4、可以多层粘贴。可根据设计要求，在一个部位重叠粘贴。

七结束语

随着我国-级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，都可以应用碳纤维布补强技术。

预应力碳纤维布加固原理

1、预应力碳纤维布加固方法

预应力纤维布加固系统由三部分组成：锚具、碳纤维布、碳纤维胶。其工作原理是将纤维布张拉至设计值，用粘结材料将其粘贴到混凝土板梁的受拉面，使其与混凝土结构共同受力利用碳纤维材料-的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。

2、预应力碳纤维布施工工艺

1施工准备：在加固表面按照设计施工放样，准确确定预应力碳纤维布和两端锚具位置。放样采取钢尺定位，根据支座位子确定实际钻孔以及混凝土清理位置。

2混凝土粘贴表面处理：桥梁钢筋混凝土结构长期直接暴露在头一定湿度的空气中，在粘贴碳纤维布加固施工中，需打凿掉脆化疏松层，提高粘结力。对混凝土粘贴面的脆化疏松层，应采用硬质金刚石磨轮打磨掉且完全露出新面，并用钢丝刷清楚输送浮层。混凝土与碳纤维之间的环氧树脂粘结层容易发生粘结破坏，粘贴cfrp片材的碳纤维加固有其限度，过量粘贴会导致界面无法传递足够的剪应力而使得cfrp的强度无法得到充分利用，并且在构件承受较大荷载时容易出现粘结破坏。为了-预应力碳纤维布与混凝土之间的设计间隙，实现碳纤维布受力张拉时平直均衡无阻碍，对混凝土高凸面应采用金刚石打磨片打磨，对混凝土低凹面应采用环氧修补胶修补。假如粘贴时混凝土湿度较大，对混凝土粘贴面尚须进行人工干燥处理。

3钻植胶锚螺栓：施工放线次啊要钢筋探测仪标定螺栓钻孔位置，假如遇到钢筋需移位，应通知-记录编号，并安排现场修整支座板安装孔。采用电锤钻孔时应-钻孔中心线与混凝土梁面垂直，钻孔中心位置偏差不超过3mm。2、碳纤维布现场拉拔和粘钢现场拉拔不同点钢板的试件在粘贴前需要提前裁剪好，碳布的试件可以将整块碳布粘贴在试验位置，在拉拔试验开始时再进行裁剪。采用化学胶管或植筋胶植入螺栓时，应-孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。

4安装锚具支座与预应力碳纤维布：将锚固板安装至张拉板上，调整张拉钢板，使碳纤维布的纵向轴线通过锚具中线，以-碳纤维布截面内力分布均匀。待调整好平整度后，将碳纤维布的两端固定在锚固板上，取下另一段的锚固板，放置在干净的塑料布上，以便于在梁上涂刷浸渍胶。3、碳纤维布加固的施工简便、已操作，不需大型施工机构及周转材料等，在一定程度上缩短了加固施工工期。将配置好的浸渍胶均匀涂刷在构件的粘贴面，应-涂刷厚度均匀。

5张拉预应力碳纤维布与压紧条安装：将锚固板安装在构件的另一端的张拉板上，轴承压在锚固板上，安装千斤顶并调整处于水平位置，加压张拉至设计张拉应力值的15%，刻录锚具张拉移动起始线。加压张拉至设计张拉应力值的30%，检测锚行程位移是否对应预张拉时的刻录线。分段加压张拉至设计张拉应力值的50%、70%、90%、100%，检测锚具行程位移是否满足理论伸长量的要求，按规范要求张拉端锚具行程位移与理论伸长量误差应不大于±6%。这两种加固工艺在施工完毕以后都需要进行现场拉拔，来确定粘接是否合格，也经常有小伙伴咨询我们碳布和粘钢现场拉拔该如何进行。加压或减压时，千斤顶行程速度应控制在20mm/分钟以内，严禁快速冲、放千斤顶行程。所有张拉都应在碳布胶适用期内完成。当张拉应力值和张拉端锚具行程位移满足要求后，将拉杆上面的锁固螺栓扭紧-，使锚固端的碳纤维布与混凝土梁表面紧密结合，停顿5分钟没有其他异常情况后在碳纤维布表面再刷一层浸渍胶，使碳纤维布完全被树脂浸润，并用刷子沿纤维方向挤压，除去碳纤维下面的水泡。随后在锚固区域粘贴附加锚固u型箍或压条，压紧条安装时需与混凝土面保持1cm左右的缝隙以防止剥离破坏，之后拆除千斤顶和锚具张拉支架。

6固化养护与拆卸夹具：应碳纤维布在施工环境温度和材料特性合理控制固化时间，当施工环境温度低于25℃时，固化时间相对延长。短切玄武岩纤维性能定义：短切玄武岩纤维是由相应的玄武岩纤维基材为原料短切而成的长度小于50mm，能均匀分散在混凝土中的无机康武-。在浸渍胶凝固后，检查碳纤维布的粘贴，在构件上覆盖一层塑料薄膜，养护后松开张拉机具，裁除多余的碳纤维布，将张拉机具卸除。

玄武岩纤维板在桥梁加固中的应用

1、环氧树脂玄武岩纤维板加固原理

玄武岩纤维预浸热固性环氧树脂后，在模具内固化并通过连续拉挤成型成为环氧树脂玄武岩纤维板，玄武岩纤维提供了板材所需要的高强度，树脂提供了较好的耐腐蚀性能。预应力碳纤维布加固混凝土可以充分发挥碳纤维布的高强性能，预应力碳纤维布加固的混凝土要比普通碳纤维布加固混凝土的承载力，刚度等性能指标都有明显提高，而且施加预应力越大，提高的效果越明显。加固过程中，使用粘钢胶沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，包括梁、柱、悬挑梁、板等需要加固和变更的工程，使玄武岩纤维板与加固基体形成一个新的复合体，即使环氧树脂玄武岩纤维板与原有钢筋混凝土结构共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高桥梁结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。

2、环氧树脂玄武岩纤维板在桥梁加固应用概况

   环氧树脂玄武岩纤维板的低密度、高强度、耐久性好、耐酸碱化学腐蚀性能强、抗压抗剪强度大这些优-能都决定了环氧树脂玄武岩纤维板将在桥梁结构的加固补强中得到广泛应用。玄武岩纤维板坐补强桥梁混凝土结构时，不需要增加螺栓和柳钉固定，对原混凝土结构扰动较小，相较于置换混凝土加固法、化学灌浆施工等加固方法，环氧树脂玄武岩纤维板工艺简单方便。目前的加固手段是将cfrp非常紧密地粘贴到试件的表面，当试件的表面有一-定的曲率时，cfrp在受拉的同时还将受到一个由曲率引起的剥离应力。相较于其他的加固方式，利用环氧树脂玄武岩纤维板加固有显而易见的优势，并作为一种新兴技术，得到愈来愈多的-与肯定。三、浅析碳纤维布加固破坏原理及施工工艺据了解碳纤维布加固技术在90年代在我国建筑工程和桥梁隧道工程领域中开始被应用，在早期其加固费用昂贵，碳纤维布加固技术的发展被-，随着我国科技实力的不断发展，碳纤维布加固的造价不断降低，使的碳纤维布加固技术日益成熟，其应用领域不断增大，让碳纤维材料在工程应用领域中得到了推广。

碳纤维布加固混凝土柱：

采用碳纤维布对混凝土进行加固，其原理是利用了碳纤维的高抗拉强度和对混凝土的约束作用，使得混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土柱的-承载力和压缩能力。

碳纤维布加固混凝土梁：

根据实验研究成果，碳纤维布加固梁的破坏形式有以下几种：

1、界限破坏，当碳纤维和钢筋的配置率适当，在受压混凝土达到-应变的时候，受拉区纤维刚好达到-强度，此时材料的强度得到充分发挥，截面的延性也达大值；

2、适筋破坏，钢筋受拉屈服，受压区混凝土被压坏，碳纤维未达到-应变；

3、少筋破坏，受拉钢筋先达到屈服，然后碳纤维片材超过-拉应变，并达到-状态而被拉坏，而此时受压区混凝土尚未破坏；

4、超筋破坏，加固量过大，受拉钢筋屈服前，受压区混凝土被压坏；

5、粘接破坏，在达到正截面-承载力前，碳纤维片材与混凝土产生剥离破坏。

与此同时，碳纤维布加固在工程中已经有了很多的应用，卡本碳纤维布在上海-所加固工程以及清华附属中学等加固改造工程中得到了大范围使用。3、尺寸尺寸：劣质的碳纤维布尺寸偏差较大，-的碳纤维布长度偏差不超过1。在这些工程中它们所有的一个共同病害就是混凝土结构出现裂缝，为了防止裂缝处钢筋与空气接触产生氧化，从而导致锈蚀，应对裂缝进行修补。对裂缝进行修补过后，在采用碳纤维布进行加固，大致过程如下：

1、首先按照图纸要求进行定位放线；

2、采用硬毛刷对混凝土表面进行清理并将转角处打磨成圆弧状；

3、按设计要求裁剪碳纤维布；

4、涂抹底胶，粘贴碳纤维布，并沿着单向多次刮压，涂刷面胶，并对碳纤维布进行防护；

5、待胶固化后，对粘贴碳纤维布进行验收。

总而言之，碳纤维布加固技术与传统的增大截面加固法、粘钢加固法等相比，碳纤维布加固法具有抗拉强度高，耐腐蚀性好、自重轻、施工便捷等优点，为结构安全保驾-。目前，用于桥梁加固的碳纤维材料主要是承受拉应力，约束裂缝的开展。与此同时，碳纤维布加固除了对开裂的梁板进行加固处理之外，还可在户型改造工程、房屋加层工程、地下室改造工程以及古建筑的修复工程中应用。

碳纤维加固技术标准和施工要点介绍

施工要点

1、基面处理

界面处理的好坏直接影响大碳纤维的加固效果，因此对于粘贴部位的混凝土表面必须反复打磨平整，去除混凝土表面的劣化部分并与涂刷底层树脂前用吹风机清理干净。

2、温度影响

要注意环境温度变化对树脂固化的影响，如气温低于要求则停止施工或采取-的保温措施。

3、粘贴滚压

粘贴过程中要用滚筒沿纤维单一方向反复滚压，挤出气泡使树脂充分浸渍碳纤维。

4、碳纤维裁剪

碳纤维布采用现场裁剪，分段粘贴的方式，在碳纤维布的搭接部位做好标志，-碳纤维布之间的搭接长度应不少于100mm。

碳纤维加固施工检查及验收

1,、材料要求

在施工之前，应确认碳纤维片材和配套树脂类粘结材料的产品合格证、产品出厂报告。

2、位置偏差

碳纤维片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于20mm。

3、严格检查验收

采用碳纤维片材和配套树脂类粘结材料对混凝土结构进行加固时，应严格进行各工序隐蔽工程的检验及验收。

4、粘贴检验

碳纤维片材与混凝土之间的粘贴，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于95%。当碳纤维布的空鼓面积大于1000mm时，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭贴量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。

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