揭阳市揭东区公路局 广东揭阳 522000
摘要：粘贴碳纤维布技术由于其质轻高强、耐腐蚀、施工简便、适应性强等特点，已在桥梁加固中得到了较为广泛的应用。本文阐述了粘贴碳纤维布加固原理、优点，重点就粘贴碳纤维布法加固桥梁后易出现的病害及其防治措施进行分析与探讨，并结合工程实例验证了防治措施的可行性。
关键词：桥梁加固；粘结面；病害；防治措施
引言
桥梁是确保道路畅通的咽喉。然而，随着交通运输量的大幅度增长，行车密度及车辆载重的日益增加，现有桥梁中相当一部分已满足不了承载能力及正常使用的要求。因此，需要通过对原有桥梁进行合理有效的加固，来提高通过能力和荷载标准，确保行车安全。目前采用碳纤维布加固桥梁是一种比较有效的防护措施，在桥梁加固时基本不受条件限制，并且能够起到加固补强、增加承载力的作用。但是，在长时间的运营状态下，采用粘贴碳纤维布法加固后的桥梁不可避免地出现一些病害，鉴于此，本文针对粘贴碳纤维加固后出现的病害进行分析，并给出相应的措施进行防治。
1.碳纤维布加固原理及优点
粘贴碳纤维布法加固桥梁是一种用化学粘贴剂从结构外部粘贴补强材料的施工方法.常用的补强材料有：碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）.根据不同材料加固构件的力学性能，一般情况下选取碳纤维布法加固，从而最大限度的保证构件的抗弯刚度（如表1）.常用的化学粘结剂有：环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂.
纤维布材料具有高效高强、施工便捷操作简单、耐腐蚀、抗疲劳性能好的优点，高效高强：利用高强度或高弹性模量的特点，来提高混凝土构件的承载力，从而达到改善结构受力性能与加固补强的目的；施工便捷：由于FRP材料质量较轻，无需大型机械的安装，使用小型轻便的工具便可以完成FRP材料的加固；耐腐蚀：可以在碱性环境以及潮湿环境下抵抗化学腐蚀；抗疲劳性能：桥梁经常受到上部结构的移动载荷作用，研究表明，采取纤维材料加固混凝土构件后，能够承受一定次数的循坏载荷，强度及延性并没有明显降低，纤维材料具有一定的抗疲劳性能.并且碳纤维布具有良好的抗拉性能，使其加固在梁体的受拉区域，能够与梁体共同承受拉力，从而提高桥梁的承载力；在梁体混凝土裂缝处，粘贴碳纤维布并设置锚固端，能够有效的约束混凝土开裂，防止梁体混凝土裂缝的进一步扩大，从而提高梁体的抗弯刚度，改善梁体的受力性能.一般可用于抗弯、抗剪、受压（大偏心受压，对于小偏心受压构件，由于纵向受拉钢筋达不到屈服强度，采用粘贴纤维布会造成材料的浪费）及抗震等多种形式的加固.该方法适合混凝土梁、板桥的加固，提高抗弯承载力，对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥，加固效果尤显著.
2.碳纤维布加固后病害
经调研发现，当采用碳纤维布加固桥梁梁体时，一般碳纤维布不会发生破坏，只有在少许的情况下，才会发生碳纤维布断裂的情况，如桥梁上部载荷超出其设计值，导致受力破坏；以及环境的因素导致碳纤维布的断裂.更多的时候一般是由于环氧树脂层老化以及施工原因等导致碳纤维布梁体的粘结处开裂.其一般的破坏表现为碳纤维布与混凝土粘结面空洞；碳纤维布与梁体表面开裂，以及碳纤维布的断裂，除此之外，碳纤维布不能与梁体共同受力作用的原因还存在碳纤维布内部气泡，粘贴不平，受潮腐蚀等原因.
2.1碳纤维布与混凝土粘贴面空洞
桥梁在长期承受恒载、汽车的活载荷，导致梁体混凝土开裂，部分区域混凝土块脱落.而在使用碳纤维粘贴法加固桥梁梁体时，施工过程中，未对梁体混凝土表面进行有效的清理、打磨、填充，使碳纤维布与混凝土表面连接处出现空洞现象，导致桥梁无法达到预期加固效果，影响桥梁的正常使用.
图1粘贴面空洞
防治措施：施工过程中，严格按照施工工序进行处理.清除梁底混凝土表面不符合施工要求的劣质混凝土，如剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等，使混凝土结构层暴露，并用修补胶将表面修复平整，并保证混凝土保护层厚度不小于15mm.被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出集料新面.对于出现混凝土脱落导致混凝土空洞，要进行有效的修补，以达到粘贴纤维布加固的技术要求.并满足碳纤维复合材料施工质量检验验收标准（如表2），以确保工程的质量.
2.2碳纤维布与梁体接缝处开裂
碳纤维布与梁体之间粘结处开裂形式分为以下3种：
（1）化学粘结剂与碳纤维布之间的开裂；化学粘结剂与混凝土表面之间的粘结处开裂.以上开裂形式在工程加固中出现的较少.其原因是施工过程中，未能够有效的处理好粘结面的问题，即混凝土、碳纤维布表面有污染物，施工时未能有效的清除，导致粘结不紧密，梁体受到上部载荷的作用时，粘结面开裂.除此之外，在施工过程中，化学粘结剂未能有效均匀的涂抹到梁体表面及碳纤维布表面，达不到施工要求，从而导致粘结面的开裂.如图2.
图2粘结面开裂
防治措施：在施工工程中，按照施工流程进行有效合理的施工：混凝土表面处理—裂缝修补—涂刷底胶—配制浸渍胶—粘贴碳纤维布—表面防护.避免粘贴时有其他污染物在混凝土、碳纤维布的表面；另外涂抹树脂胶的过程中，避免涂抹不均匀这一现象的发生，严格按照施工要求进行.
（2）粘结剂的老化开裂，导致碳纤维布与梁体表面的开裂.施工工程中，对于不同粘结剂的选取问题，由于原材料质量、工艺操作不同，不同厂家生产出来的结构胶的质量也不相同，若质量较差，粘贴碳纤维布加固受力时，易导致碳纤维布撕脱破坏.故现场使用的结构胶应及时检验，其强度指标应不低于混凝土强度.若不满足粘结剂的基本性能选取要求（表3），则会导致碳纤维布与梁体之间的开裂.此种开裂形式在一定程度上可以有效的避免.
防治措施：根据规范及设计要求，合理选择粘结剂，以保证碳纤维布受力时，不发生粘结剂的损坏.另外，要考虑加固对象所处的环境因素，一般选用碳纤维法加固桥梁，其所处的环境是干燥，适温的条件下，避免漏水、冻融环境对纤维布树脂层的腐蚀，以及外部高温对粘结剂的软化作用.
（3）混凝土表层到钢筋保护层之间，混凝土发生剥离破坏.产生这种现象的原因是碳纤维布与粘结剂的粘结强度以及粘结剂与混凝土粘结强度高于混凝土的抗拉强度，剥离破坏是碳纤维布粘结处的混凝土局部应力达到混凝土的抗拉强度，混凝土被拉裂后被碳纤维布粘结下来.影响剥离破坏的因素有：①混凝土强度；对于强度较低的混凝土，其发生剥离破坏现象越容易；而对于长期受到上部载荷导致混凝土表面开裂、内部钢筋锈蚀等现象的梁体，混凝土表层出现横向和纵向裂缝，也容易发生剥离破坏.②锚固长度以及锚固方式：锚固长度越短，混凝土构件的局部粘结应力越大越容易产生剥离破坏，但当锚固超过一定长度时，粘结应力将不再增加；另外，横向用Ｕ形箍锚固防止纵向碳纤维布剥离的效果较为明显.③加固材料的性质以及加固量：树脂粘结剂的刚性较大，碳纤维布的柔性好，可以有效地降低剥离应力从而降低了剥离破坏的可能性；加固量越大，碳纤维布的厚度、刚度较大，将导致剥离应力增大，易于剥离.
防治措施：在一定的范围增加锚固长度，使混凝土局部粘结应力分散，避免集中应力对混凝土的破坏.严格选取材料和控制施工质量，避免使用质量较差的材料对加固的影响，并控制好粘贴碳纤维布的层数，防止碳纤维布层数过多导致的剥离应力过大.
2.3碳纤维布断裂
据调研发现，桥梁经过碳纤维布法加固后，一般纤维布断裂分为自然因素、外部载荷因素导致的断裂.自然因素：在雨季来临的时候，桥梁净空较低，河水上涨，从而导致梁底浸泡在水中，水上的杂物（如树枝）对碳纤维布的碰撞作用，从而导致纤维布断裂（图3所示）.
图3碳纤维布受水浸泡后断裂
载荷因素：碳纤维布粘贴在梁底混凝土表面，受到外部重载荷的作用，混凝土表面会产生裂缝，碳纤维布缓慢参与受力，长时间的载荷，裂缝趋势增大，混凝土内部钢筋屈服；随着载荷的不断增加，碳纤维布拉断，混凝土压碎，碳纤维布加固失效.
防治措施：对于自然因素所产生的碳纤维布断裂，尽量避免河水淹没桥梁梁底加固部分，保证水面杂物不影响到碳纤维布的正常使用，以及避免河水对粘结剂的影响.对于上部载荷因素导致碳纤维布断裂，可以采取对桥梁进行有效的限重，避免超载、重载汽车对桥梁的破坏，允许在承受载荷设计值内的车辆通行.
2.4工程实例
现对某工程桥梁进行施工加固，该桥建成于1993年.全桥共8孔，单孔跨径20m，桥梁全长163.5m.桥面净宽为18.8m，两侧各设1.5m人行道.上部结构：17片装配式带翼缘钢筋混凝土空心板，无中横隔梁，有两个端横隔梁.沥青混凝土桥面.支座采用橡胶支座.下部结构：五柱式墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础.设计载荷为汽－20，挂－100.据当地交通部门调查资料显示，2006年上半年年平均日交通量为14000台.
（1）本桥维修设计为先简支，后结构连续的体系，即施工时，一期恒载和部分二期恒载时结构为简支体系，部分二期恒载与活载作用时为连续体系；全桥共8孔，4孔1联，共2联.
（2）全桥空心板采用粘贴纤维布的方法进行斜截面抗剪维修.
（3）为了提高结构的横向刚度，减小空心板的横向分配系数，使空心板受力更加均匀，横向连接变铰接为刚性连接.
（4）对墩盖梁、墩柱、台盖梁表面混凝土蜂窝、剥皮、麻面部位，采用水泥砂浆进行修补.
（5）新建防撞墙：为保证防撞墙具有一定的抗冲击作用，防撞墙部分钢筋植入空心板中，同时部分钢筋应与桥面铺装钢筋进行绑扎连接.
根据规范要求，以及施工过程的严格把关，对桥梁进行有效的加固.
（1）碳纤维布及其配套树脂类粘结材料性能要求：
①碳纤维布主要力学性能指标：抗拉强度标准值不小于3000MPa；弹性模量不小于2.1×105MPa；伸长率不小于1.5％；且单层碳纤维布单位面积碳纤维布质量为300G／m2.
②底层树脂的性能指标：正拉粘结强度不小于2.5MPa.
③找平层材料的性能指标：正拉粘结强度不小于2.5MPa.
（2）粘贴碳纤维布施工工艺及注意事项：
①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.
②在表面处理和粘贴碳纤维布前，应按维修设计部位放线定位.
③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.
④粘贴前板底首先要打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构新面，混凝土表面应清理干净并保持干燥；钢筋露出部位须做防锈处理，如损坏程度严重，须采取其他措施，以确保安全；若腹板底为直角，则在转角粘贴处要进行倒角处理打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.
⑤按比例准确配制好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量在可使用时间内用完，超过时间的绝对不能使用，以确保粘接质量；底胶硬化后，在表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光.
⑥粘贴碳纤维布时要从中间向两侧进行粘贴，可避免施工时产生气泡影响粘贴效果.
⑦碳纤维布配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射.
⑧树脂的配置和使用场所，应保持通风良好，现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施.
⑨粘贴完纤维布后要涂一层水泥浆，并依原砼颜色适当调整胶的配合比.通过以上的规范严格要求施工，能够最大限度地保证施工质量，提高加固效果，提高桥梁的承载能力.
3.结语
综上所述，碳纤维布桥梁加固技术作为一种新型桥梁加固技术，可以有效地防止桥梁初期病害，延长桥梁使用寿命，有效降低后期桥梁养护费用，是桥梁预防性不可或缺的一种好方法，值得广泛推广应用。在桥梁粘贴碳纤维布法加固中，应处理好粘结面，保证碳纤维布可以充分发挥其高强度的作用；同时在施工时应采取有效的措施，保证质量与安全，并依照相关规范进行施工与验收，只有这样才能充分确保碳纤维布加固技术的施工质量，从而提高加固效果，延长桥梁使用寿命。
参考文献
[1]赵春亮. 浅谈粘贴碳纤维布加固法在桥梁结构上的应用[J]. 城市建设理论研究：电子版，2013（36）.
[2]曾国华，曾庆华. 粘贴碳纤维布技术在桥梁加固工程中的应用分析[J]. 黑龙江交通科技，2013（10）：131-132.
[3]徐栋会. 浅谈粘贴碳纤维布桥梁加固法[J]. 建筑工程技术与设计，2015（22）.
论文作者:陈锭锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/29
标签：碳纤维论文; 混凝土论文; 桥梁论文; 载荷论文; 表面论文; 树脂论文; 材料论文; 《建筑学研究前沿》2018年第9期论文;