碳纤维材料在混凝土桥梁加固中的应用研究

碳纤维材料在混凝土桥梁加固中的应用研究

闫绍坤 吴仕涛 杨杨 乾增珍

中国地质大学（北京） 北京市 100083

摘要 由于碳纤维材料展现出的优越的工程性能，碳纤维加固技术应用于混凝土桥梁施工顺理成章。经过对该技术的优点和不足之处的分析，确认为当前混凝土桥梁加固的优选加固方法，并对其在国内使用的状况进行分析和前景展望，以期助于施工建设的发展。

关键词 碳纤维加固技术；桥梁；混凝土；应用

0．引言

随着我国公共交通事业的不断发展，混凝土桥梁的应用日益广泛，发挥着交通事业中举足轻重的作用。然而随时间推移，一些桥梁由于种种原因而不能满足如今交通运输的承载要求，因此需要对旧桥梁进行加固，对新桥梁进行预防。碳纤维材料的优良性能对混凝土桥梁的加固和提升具有极大的现实意义。

1. 碳纤维材料性能概况

由碳纤维复合的结构材料的比强度、比模量等指标在现有结构材料中地位很高，并能够优秀地应用于对密度、刚度、重量、疲劳特性有严格要求的领域和高温、化学稳定性要求高的场合。应用于混凝土桥梁建筑施工时，其拉伸强度较高，常用碳纤维片材，与普通的钢板材料相比优势很大；弹性模量极强，易根据需求选择模量上限的片材；重量很轻，应用于桥梁后期加固时，自重增加少，负担小；抗腐蚀性能好，碳纤维与复合材料中的化学成分能形成稳定的化学结构，能够良好地抗酸碱盐性物质的腐蚀，并能在恶劣天气下保持良好的性能发挥。

2. 碳纤维加固技术应用

目前碳纤维材料进行混凝土桥梁加固方式分为两种。一种是使用预应力碳纤维板进行加固补强，另一种是使用碳纤维布粘贴加固。

预应力碳纤维板进行加固的原理在于使用夹具锚将板材的预应力经过锚栓和锚具底座传递到梁体，在梁体上产生反弯矩用于抵消梁上荷载产生的弯矩，从而达到抑制裂缝的发展和挠曲变形作用，进而对桥梁承载能力和桥梁结构的刚度产生提升效果，一定程度上可以收缩已经产生的微小裂缝。这种材料适用于弯拉部位具有平直基面的钢筋混凝土梁式桥。在桥梁产生裂缝之前先行加固处理效果较好。

使用碳纤维布进行粘贴加固一般用于已经产生裂缝的桥梁，先对破损部位的混凝土进行清理，使用相应标准的高标号环氧树脂砂浆进行损伤修复和抹平，之后根据施工环境和混凝土表面干燥情况预涂底胶提高混凝土表面粘结强度、提高环氧树脂和混凝土主体的粘贴性，进行找平处理和局部打磨之后用碳纤维布粘贴胶进行涂刷，再进行碳纤维布粘贴，最后再在表面涂刷面胶。这种加固方法利用碳纤维布的强拉伸强度对混凝土桥梁破损后的承载力进行补强，提高了桥梁破损后的整体性和承载能力。

3. 碳纤维加固技术的优势

使用碳纤维板进行加固的优点在于对预应力的利用率高，预应力的发挥完全依靠锚具的夹锚能力，不依赖胶黏剂的粘结作用，不用考虑辅材的老化问题，寿命久；经济成本合适，初次加固成本不高，后期维护也不怎么需要，能适用于多种环境；能够使梁的抗弯拉性能显著增强，荷载能力大幅提高；加固材料新增的荷载同承载能力的增加量相比微乎其微；碳纤维板布置比较简单，质量有保证，施工方便，对交通影响小。

使用碳纤维布加固与碳纤维板相比，也有可靠的施工质量保证、极佳的耐腐蚀性和耐久性能、自重小、施工便捷、高强高效的优点，此外，使用碳纤维布进行加固时不需要螺栓、铆钉固定，对现有结构的扰动小，不会影响现有结构的整体性，并且适用面更广，能够有效的封闭混凝土裂缝从而延长结构使用寿命；并且粘贴固化后还能再在表面涂刷一层涂料，保持外观的一致。

4. 碳纤维加固技术的不足之处

碳纤维板进行加固时，施工作业的环境温度不应高于其制造时固化形成时的温度，且由于碳纤维板抗剪性能差，在锚固过程中，紧固螺栓的时候需要严格遵守螺栓的紧固顺序和设计扭力；此外，由于板材的结构特点，使用碳纤维板加固要平直基面，对适用范围进行了限制。

碳纤维布加固方法由于使用到了胶黏剂，存在老化的问题，耐久性相对较差；且碳纤维片材价格过高，具体操作时对施工人员技术要求高。

5. 碳纤维加固技术注意事项

考虑到碳纤维材料的特性和施工工序，进行加固时应当考虑一下几个方面：①施工时尽量选用小型的机械设备完成桥梁路段的混凝土清理以防止工字梁等发生问题；②加固施工前应当精确测量需要进行加固的具体的桥梁部位和长度；③在加固时，保证碳纤维加固材料与桥梁结构进行了紧密的贴合，必要时进行双层碳纤维片材的粘贴，保证最佳的加固效果；④加固后，做好后期的保养，正在碳纤维材料表面涂抹一定的防护材料以延缓老化；⑤运输和储存碳纤维材料时避免碳纤维受损，并防止皱褶；⑥由于碳纤维的导电性，施工时需要远离电气设备和电源，施工人员采取相应的防护措施；⑦各种施工材料不能污染生活水源，废弃物严格按照环保要求进行集中处理。

6. 碳纤维加固技术国内使用现状和前景

碳纤维加固技术适用于桥梁加固且在施工过程中并不影响桥梁的正常使用，由于碳纤维片材本身较轻，更易于高空作业。因此在我国的桥梁结构施工过程中，综合效益相比起来，碳纤维加固为主要加固方法，根据桥梁结构现场环境、技术状况、设计要求和其本身的外观辅以其他方法进行加固。

尽管碳纤维材料性能如此优秀，在国内桥梁施工过程中普遍应用依然进展缓慢。目前采用的碳纤维片材和树脂凝胶等加固材料大多从国外进口，国内产品的综合性能与国外相比还有一段距离。而进口材料价位高，这就导致使用碳纤维材料进行加固的经济效益降低。

但随着经济的发展，相信桥梁施工的成本预算随之充裕；同时随着材料科学的发展，未来碳纤维材料的成本必将降低，碳纤维加固技术会得到普遍的应用。

7. 结语

碳纤维加固技术具有极好的性能收益，在成本允许的情况下值得桥梁加固维护时优选。

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