摘要：利用碳纤维材料(CFRP)对混凝土结构进行加固的技术是我国近年来引进的一项高效、便捷的结构加固技术。特别是对受损混凝土结构的加固，效果明显。该技术利用树脂类材料作为粘结剂，将高强度的碳纤维布粘贴在结构表面，使碳纤维布与结构形成一个复合的整体，从而达到改善受力构件的力学性能。本文介绍了碳纤维布的加固原理及其优点，并分析了碳纤维布在桥梁加固工程中的应用。
关键词：碳纤维布；桥梁加固工程；应用
碳纤维是一种高性能材料，以往一直应用在航天、航空和体育用品等特殊场合，近年来由于制造工艺水平的提高和生产成本的降低，以碳纤维编织成的碳纤维布开始大量用于建筑物、桥梁、市政工程等领域的补强和加固。由于碳纤维布具有极好的比强度、比刚度和耐腐蚀性以及施工简单等特性，有效地提高了结构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力，增强了结构件的刚度及抗拉强度，成为加固混凝土桥梁的主要工艺材料之一。
一、碳纤维布的加固原理及优点
碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布，用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固，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，适用于处理建筑物使用荷载增加、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。
1、加固原理
应用于桥梁加固工程中的碳纤维材料具有较好的力学性能。通常碳纤维材料的抗拉强度要比普通的建筑用钢材高出十几倍。但在碳纤维材料制成碳纤维布后，如果没有粘结剂的粘结作用，纤维布中纤维丝的共同作用很难完全实现。在承受的荷载较低时，其中一部分应力水平较高的碳纤维丝会先达到抗拉限度，并失去作用，以此类推，各碳纤维丝会逐渐断裂，直到整体被破坏。当使用粘结剂后，碳纤维布中的纤维丝会形成共同作用的整体，使碳纤维抗拉强度得到大幅提高。因此，采用碳纤维作为桥梁加固材料首先必须使碳纤维布中的纤维丝形成共同工作的整体，而粘结剂的使用无疑是碳纤维布加固的关键环节。粘结剂既可以使碳纤维丝共同工作，同时又可保障纤维布与桥梁结构的紧密粘结，从而达到对桥梁进行加固的目的。
2、优点
1)自重轻、厚度薄，不增加结构恒载和截面尺寸。碳纤维布的自重仅为200～300g/m2，设计厚度为0.111～0.167mm，环氧树脂系列的粘结材料自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响很小。2)施工工期短。碳纤维布可塑性强，可以随结构外形的变化而变化粘贴，施工工艺简单，无需大型设备、模板、夹具及支撑，可有效缩短施工工期。3)对原结构不产生损伤，不影响结构的外观。采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土，因此不会对桥梁结构产生新的破坏，粘贴后碳纤维对结构外观基本上没有影响。4)良好的耐化学腐蚀性。碳纤维布是一种复合材料，耐腐蚀性强，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且应用于经常受盐害侵蚀环境时，其寿命也较长。
二、碳纤维布在桥梁加固中的应用
1、原材料的确定
1）保证材料的匀质性。碳纤维束应分布排列均匀，这样才能保证加工后的碳纤维布整体受力均匀。如果碳纤维束的材质不均匀，则容易导致构件加固后，碳纤维布局部受力不均匀，进而无法发挥碳纤维的补强作用。
2）碳纤维布中预浸树脂的含量。碳纤维布作为结构补强材料，含有一定的预浸树脂。树脂的作用是保证纤维之间能够相互约束、相互粘结成为共同受力的整体。但如果碳纤维布中的树脂含量过高、浸渍过厚，则会减轻碳纤维布的加固和补强作用。由于碳纤维布补强桥梁结构时，主要依靠上涂及下涂环氧树脂以对碳纤维进行反复渗透来发挥加固功能。如果树脂的使用量过多，则容易影响到碳纤维布粘贴时的树脂渗透效果，从而影响施工质量。
3）控制碳纤维断丝率。由于碳纤维布中的纤维丝非常细，容易出现断丝现象，因此在施工时，应尽量控制纤维丝的断裂率，保证纤维片的连续性与整体性，这也是保证桥梁结构加固效果的重点。
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2、基底处理
根据设计要求对需要进行补强的结构范围进行基底处理，包括以下步骤：
1）对残缺部位进行修补。首先需要将混凝土残缺部分、破损部分及碳化层去除，做到结构内部完好。对外露钢筋的锈蚀情况进行检查和处理，将外露的残缺部分修补完整并恢复到原来的完整度。
2）裂缝修补。如果结构存在裂缝，则需要先将裂缝修补完整，如果裂缝宽度低于0.2mm，可采用环氧树脂进行涂层密封；当裂缝的宽度大于0.2mm时，则需要采用环氧树脂进行灌缝处理。
3）打磨。对结构表面凸出的部分，需要采用磨光机进行打磨处理。保证修复后的结构表面尽量平顺。另外，还需要采用磨光机将棱角部位磨成半径不低于30mm的圆角。
4）清洗。清洗打磨过的构件表面，并充分干燥。
3、涂刷底层
在进行底层涂刷时，先要将底层涂料的主剂和固化剂按照一定的比例进行充分搅拌，每种剂的用量必须准确，搅拌要均匀，每次的调和量应以在使用时间限度内用完为准。采用滚筒刷对底层涂料进行均匀涂刷，当底层涂料固化以后，如果表面还存在凸出部分，应用砂纸打磨平整；当气温在5℃以下、相对湿度高于85％、混凝土表面的含水率大于8％时，若存在结露可能，需要采用必要的保护措施，否则不能继续施工。
4、结构表面裂缝修补
对表面凹陷部位，可采用环氧腻子将其填平，使其恢复到表面平整状态；对内角、段差或起拱等要采用环氧腻子填补平整。
5、粘贴碳纤维布
1）严格掌握施工现场的温度和湿度条件。当气温低于5℃、雨天或相对湿度大于95％时，不可强行施工。2）按设计尺寸裁剪碳纤维布。实际粘贴尺寸不应小于设计数值，位置偏差不得大于20mm。3）因碳纤维排列方向不同，使碳纤维布的各方向拉伸强度相差很大。所以必须根据结构物受力状态，正确布置碳纤维布的粘贴方向。4）碳纤维布与混凝土之间的总有效粘贴面积不得低于95％。当碳纤维布的空鼓面积小于1Ocm2时，可采用针管注胶的方式进行补救。空鼓面积大于100m2时，应将空鼓处的碳纤维布切除，重新搭接贴上同规格的碳纤维布。5）粘贴碳纤维要从跨中向两侧进行，为防施工过程中产生气泡影响加固效果。应用特制的滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，并使浸润胶充分浸透碳纤维布。
6、养护
1)粘贴完毕后，需自然养护24小时达到初期固化，应保证固化期间不受干扰或尽量减少受干扰的程度。2)若在固化期遇气温下降到5℃以下时，应采用低温固化树脂或采用有效的加温措施，保证施工温度不低于5℃。3)碳纤维片材粘贴到达设计强度所需自然养护时间为：平均气温在10℃以下时，需要2周；平均气温在10℃～20℃之间时，需要l-2周；平均气温高于20℃时，需要1周。同时，在养护期间应防止粘贴碳纤维片材部位受到硬性冲击。
7、其他工艺要求
1）安全要求：施工过程应使碳纤维布远离电气设备及电源，施工现场空气应流通，严禁烟火。2）施工进程管理：粘贴碳纤维布的施工完成后，需养生72h方可进行其他桥梁改造及加固工程。
三、结语
碳纤维布在桥梁加固施工中具有加固效果明显、施工工艺简单快捷，施工期间不影响桥梁正常营运等诸多优点。其应用可以降低工程维修养护费用，延长公路使用寿命，从而为交通、运输等行业带来显著的经济效益和社会效益，可以在公路桥梁上大范围推广应用。
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[2]赵莹.浅谈碳纤维布在混凝土桥梁加固技术中的应用[J].黑龙江科技信息，2015(29)：251.
[3]周立龙.碳纤维布加固桥梁施工技术[J].科学之友，2014(04)：4-5.
论文作者:聂菲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：碳纤维论文; 桥梁论文; 结构论文; 材料论文; 纤维论文; 裂缝论文; 构件论文; 《基层建设》2018年第26期论文;