碳纤维在桥梁加固中的应用
发布日期：2013-07-28 22:30:22 浏览量：1211
1.工程概况
济青高速公路自1993底建成通车，随着重型车辆日趋增多，在重载车辆的反复作用下，梁板出现结构性裂缝，严重影响结构安全，需要修复补强，以适应交通量增长的需要。2005-2008年，青岛分公司组织对济青高速青岛段67片梁板进行了粘贴碳纤维布加固工艺，从使用和试验检测结果看，效果良好。
2 .工艺原理
碳纤维布是用抗拉强度极高的碳纤维丝单向排列，经特殊工艺编制而成，使用时，碳纤维布是沿受力方向或垂直于裂缝方向用胶结材料将其粘贴在混凝土结构的补强部位，胶结材料作为它们之间的剪力，增大了结构抗拉或抗剪能力，并能有效地提高结构的强度、延性，及抗裂性，控制裂缝和挠度的继续发展；必要时也可交叉粘贴单向碳纤维片材。整个工艺的关键在于碳纤维布粘贴和紧密性与牢固性，以保证与原结构形成整体。其胶结材料是专用的配套环氧树脂。
3.材料
3.1碳纤维布修复补强混凝土结构所用材料，可以分为碳纤维布和与其相配套的专用环氧树脂两大类，配套树脂分为底涂树脂、找平树脂和粘贴树脂。配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成；分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装，在现场作用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以形成所需要的底涂树脂、找平树脂、粘结树脂。
3.2碳纤维布具有如下特点
（1）高弹模，以提供有效的增强作用；
（2）高强度
（3）单根纤维间强度变化小；
（4）在制造与处理过程中强度稳定并保持不变。
碳纤维布的规格及性能
品名 纤维种类 碳纤维面积重量（g/m2） 设计厚度（mm） 抗拉强度（N/mm2） 弹性模量（N/mm2） 延伸率（%）
200型 高强度碳 200 0.111 3.500 2.35×105 1.5
300型 高强度碳 300 0.167 3.500 2.35×105 1.5
高强型 高弹性模量碳 300 0.165 2.900 3.95×105 0.74
3.3粘结材料的特点：
粘结材料的性能是保证碳纤维与混凝土共同合作的关键，也是碳纤维与混凝土传力途径中的薄弱环节，它应有足够的刚度与强度，保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应用足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘接破坏。此外应适应现场施工条件，即能在一般条件下固化，具有适宜的流动性与粘度，固化收缩率小。粘结材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其性能如下：
3.3.1底胶
浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度从而使混凝土与碳纤维布之间的粘结性得到提高。
底涂树脂的规格及性能
内 容 底涂树脂
350W 350S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 20~145 45~205
指触干燥时间（小时） 3.0~9.0 25~10.5
性状 淡黄色透明胶状物
性能指标 与混凝土粘结强度（Mpa） 抗压强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa）
≥2.5 － －
主要用途 涂刷混凝土表面用（可渗入混凝土表面内）
3.3.2整平材料
碳纤维布很有可能因混凝土表面的锐利突起物、错位和转角等部位产生损伤或空鼓，从而引起强度降低。整平材料可补平由于混凝土表面劣化或表面处理造成的空洞或斜面，另一方面用于将90°转角打磨后补成圆弧状。
整平树脂和规格及性能
内 容 找平树脂
550W 550S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 30~160 50~210
指触干燥时间（小时） 3.5~10.0 3.0~10.0
性 状 腻子状
性能指标 与混凝土粘结强度（Mpa） 抗压强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa）
≥2.5 ≥50 －
主要用途 修补混凝土表面缺陷及找平用
3.3.3浸渍树脂
将连续粘贴的碳纤维布结合在一起，使之呈板状硬化，使纤维之间相互结合、均匀抵抗外力，发挥纤维整体强度。同时，将碳纤维布与混凝土粘结在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
浸渍树脂和规格及性能
内 容 黏结树脂
750W 750S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 35~170 70~180
指触干燥时间（小时） 4.0~12.0 6.0~18.0
性 状 乳脂状
性能指标 拉伸强度（Mpa） ≥30 弯曲强度（Mpa） ≥40
压缩强度（Mpa） ≥70 抗剪强度（Mpa） ≥10
粘结强度（Mpa） ≥2.5 弹性模量（Mpa） 2500
伸长率（%） ≥1.5
主要用途 渗透粘贴碳纤维片
4.碳纤维片补强施工工序
底板表面处理 底层处理涂刷底涂树脂找平树脂找平修补涂刷粘结树脂 粘贴碳纤维片 养护 防护涂装
4.1施工中
4.1.1混凝土底层处理
①将底板混凝土构件表面残缺、破损部分剔凿、底膜清除干净并达到结构密实部位。
②检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，需进行必要的除锈处理。
③对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，用高于原构件混凝土强度的环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。
④裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂胶泥进行表面涂抹密闭；大于或等于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。
⑤将结构表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修整后的段差要平顺。
⑥棱角的部位，用磨光机磨成圆角。圆角半径最小不得小于20mm。
⑦清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
⑧施工前应按设计图纸在需加固部位放线、定位。
4.1.2涂底涂树脂
①底涂树脂的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次调和量应以在可使用时间内完成为准。超过可使用时间不得再用。
②底涂树脂中严禁添加溶剂。论文参考网。含有溶剂的毛刷或用溶剂湿润的滚筒不得使用。
③用滚筒刷均匀地涂抹底涂树脂。
④底涂树脂干燥时间因气温不同。一般在3小时到1天之间变化。
⑤、底涂树脂固化后，在构件表面有凝结凸起时，要用砂纸磨光。磨光后若露出混凝土其面，应再补涂底涂树脂。
⑥根据施工部位的温度、湿度，选择适当的底涂树脂。在气温5℃以下，相对湿度RH＞85%，混凝土表面含水率在8%以上，有结露现象而无有效保护措施时，不得施工。
4.1.3构件表面的残缺修补
①构件表面凹陷部位（蜂窝、麻面、小孔等）应用找平树脂填平，修复至表面平整。
②内角、段差、起拱等要用找平树脂填补，使之平顺。在残缺修补中使用找平树脂时，要在气温5℃以上，相对湿度RH＜85%的条件下施工。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。
4.1.4粘贴碳纤维片
①确认粘贴表面干燥，气温在5℃以下，相对湿度RH＞85%时，如无有效措施时不得施工。
②防止碳纤维片受损，碳纤维片在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁弯折。论文参考网。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸裁切碳纤维片，每段长度一般以不超过6米为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外。渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止碳纤维片在保管过程中损坏，碳纤维片的裁切数量应以当天的用量为准。
③碳纤维片裁切时应预先在裁切位置粘贴宽胶带，在宽胶带正中位置进行裁切，以使裁切后碳纤维片的断头齐整不脱丝。
④、碳纤维片纵向接头必须搭接10cm以上。该部位应多涂粘结树脂。碳纤维片横向不需要搭接。
⑤粘结树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。
⑥下涂。贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂。涂量根据施工部位及施工面的粗糙程度而变化的。拱起部分、拐角部分、碳纤维片搭接部位以及残缺修补处要多涂一些，但是必须涂抹均匀。
⑦贴片时，在碳纤维片和树脂之间不应残留空气形成气泡，造成空鼓。为此，可用罗拉（专用工具）沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，对角隅处应向着角隅滚压，对拱起的部位要向相反的方向滚压，以去除气泡，使粘结树脂均匀地充分渗浸入碳纤维片的碳纤维束中。
⑧上涂。碳纤维片施工30分钟（根据干燥程度）后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂。
上涂时和步骤⑦样，用脱泡罗拉沿碳纤维方向用力滚压多次，使碳纤维片内部补充，渗浸粘结树脂。
⑨进行空鼓检查，并进行处理。
⑩需粘贴2层以上碳纤维片时，必须在首层修补完空鼓后进行，重复第⑥-⑨步骤，并遵守步骤④的规定。
⑾如碳纤维片施工不符合质量标准，则需进行相应处理。
4.1.5养护
①粘贴碳纤维片后，需自然养护24小时达到初期固化，并应保证固化期间不受干扰。
②在每道工序以后树脂固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。
③当树脂固化期间存在气温降低到5℃以下的可能时，可采用冬用低温固化树脂，或采取有效的加温措施。
④碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间；
平均气温在10℃以下时，需要2周；
平均气温在10℃以上20℃以下时，需要1~2周；
平均气温高于20℃时，需要1周。
在此期间应防止贴片部分受到硬性冲击。论文参考网。
4.1.6涂装
按设计要求或采用与梁板砼颜色相同的涂料对碳纤维布进行外涂装，以示美观。
5.建议
粘贴碳纤维加固法方法施工技术简单、加固效果理想，但是必须选择合适的时机和与其他加固方法相配合进行。对于板体底部出现的裂缝，应在判明裂缝出现的原因后，选择合适的加固方法，应尽量在病害出现的初期，且病害比较单一，没有其他的（例如板底泛碱、碱蚀、铰缝渗水等）病害；对于板底出现多种病害，并且以裂缝为主的情况下，建议采用在解决桥面铺装防水，保证良好的防水、排水效果的情况下，再采取粘贴加固的工艺，避免碱蚀影响粘贴加固的效果。同时粘贴加固后，应根据加固桥梁的具体情况，设置限高标志，确保加固材料不受外界因素损坏。
6.效益分析
加固前后单板测试结果及加固后整桥动、静载试验结果显示，加固效果良好，实践显示：碳纤维加固带来的直接效益就是工期短、见效快、不影响正常交通，人力资源需要少。与传统的更换梁板相比较，碳纤维布费用相对较高，但两者适用范围有所不同：在工期紧、不宜中断交通、裂缝破坏不严重的桥板加固中适合采用碳纤维布加固法，而板体破坏严重的建议更换梁板，此方法相对来讲工期长，施工期间必须中断交通，给过往车辆和行人带来不便，且需要较多的人力和物力。
7.结束语
我国公路建设已逐渐进入养护改建阶段，大量桥梁构造物需要加固补强，以适应交通量增长的需要。碳纤维有着优异的力学品质，是理想的桥梁加固材料，可喜的是，国产碳纤维品质已接近日本、美国等发达国家的品质，价格也在迅速下降。可以断言，在今后的桥梁加固中碳纤维必将发挥巨大的作用。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130728223014.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
济青高速公路自1993底建成通车，随着重型车辆日趋增多，在重载车辆的反复作用下，梁板出现结构性裂缝，严重影响结构安全，需要修复补强，以适应交通量增长的需要。2005-2008年，青岛分公司组织对济青高速青岛段67片梁板进行了粘贴碳纤维布加固工艺，从使用和试验检测结果看，效果良好。
2 .工艺原理
碳纤维布是用抗拉强度极高的碳纤维丝单向排列，经特殊工艺编制而成，使用时，碳纤维布是沿受力方向或垂直于裂缝方向用胶结材料将其粘贴在混凝土结构的补强部位，胶结材料作为它们之间的剪力，增大了结构抗拉或抗剪能力，并能有效地提高结构的强度、延性，及抗裂性，控制裂缝和挠度的继续发展；必要时也可交叉粘贴单向碳纤维片材。整个工艺的关键在于碳纤维布粘贴和紧密性与牢固性，以保证与原结构形成整体。其胶结材料是专用的配套环氧树脂。
3.材料
3.1碳纤维布修复补强混凝土结构所用材料，可以分为碳纤维布和与其相配套的专用环氧树脂两大类，配套树脂分为底涂树脂、找平树脂和粘贴树脂。配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成；分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装，在现场作用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以形成所需要的底涂树脂、找平树脂、粘结树脂。
3.2碳纤维布具有如下特点
（1）高弹模，以提供有效的增强作用；
（2）高强度
（3）单根纤维间强度变化小；
（4）在制造与处理过程中强度稳定并保持不变。
碳纤维布的规格及性能
品名 纤维种类 碳纤维面积重量（g/m2） 设计厚度（mm） 抗拉强度（N/mm2） 弹性模量（N/mm2） 延伸率（%）
200型 高强度碳 200 0.111 3.500 2.35×105 1.5
300型 高强度碳 300 0.167 3.500 2.35×105 1.5
高强型 高弹性模量碳 300 0.165 2.900 3.95×105 0.74
3.3粘结材料的特点：
粘结材料的性能是保证碳纤维与混凝土共同合作的关键，也是碳纤维与混凝土传力途径中的薄弱环节，它应有足够的刚度与强度，保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应用足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘接破坏。此外应适应现场施工条件，即能在一般条件下固化，具有适宜的流动性与粘度，固化收缩率小。粘结材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其性能如下：
3.3.1底胶
浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度从而使混凝土与碳纤维布之间的粘结性得到提高。
底涂树脂的规格及性能
内 容 底涂树脂
350W 350S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 20~145 45~205
指触干燥时间（小时） 3.0~9.0 25~10.5
性状 淡黄色透明胶状物
性能指标 与混凝土粘结强度（Mpa） 抗压强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa）
≥2.5 － －
主要用途 涂刷混凝土表面用（可渗入混凝土表面内）
3.3.2整平材料
碳纤维布很有可能因混凝土表面的锐利突起物、错位和转角等部位产生损伤或空鼓，从而引起强度降低。整平材料可补平由于混凝土表面劣化或表面处理造成的空洞或斜面，另一方面用于将90°转角打磨后补成圆弧状。
整平树脂和规格及性能
内 容 找平树脂
550W 550S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 30~160 50~210
指触干燥时间（小时） 3.5~10.0 3.0~10.0
性 状 腻子状
性能指标 与混凝土粘结强度（Mpa） 抗压强度（Mpa） 抗拉强度（Mpa）
≥2.5 ≥50 －
主要用途 修补混凝土表面缺陷及找平用
3.3.3浸渍树脂
将连续粘贴的碳纤维布结合在一起，使之呈板状硬化，使纤维之间相互结合、均匀抵抗外力，发挥纤维整体强度。同时，将碳纤维布与混凝土粘结在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
浸渍树脂和规格及性能
内 容 黏结树脂
750W 750S
适用温度℃ 5~15 15~35
可使用时间（分） 35~170 70~180
指触干燥时间（小时） 4.0~12.0 6.0~18.0
性 状 乳脂状
性能指标 拉伸强度（Mpa） ≥30 弯曲强度（Mpa） ≥40
压缩强度（Mpa） ≥70 抗剪强度（Mpa） ≥10
粘结强度（Mpa） ≥2.5 弹性模量（Mpa） 2500
伸长率（%） ≥1.5
主要用途 渗透粘贴碳纤维片
4.碳纤维片补强施工工序
底板表面处理 底层处理涂刷底涂树脂找平树脂找平修补涂刷粘结树脂 粘贴碳纤维片 养护 防护涂装
4.1施工中
4.1.1混凝土底层处理
①将底板混凝土构件表面残缺、破损部分剔凿、底膜清除干净并达到结构密实部位。
②检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，需进行必要的除锈处理。
③对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，用高于原构件混凝土强度的环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。
④裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂胶泥进行表面涂抹密闭；大于或等于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。
⑤将结构表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修整后的段差要平顺。
⑥棱角的部位，用磨光机磨成圆角。圆角半径最小不得小于20mm。
⑦清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
⑧施工前应按设计图纸在需加固部位放线、定位。
4.1.2涂底涂树脂
①底涂树脂的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次调和量应以在可使用时间内完成为准。超过可使用时间不得再用。
②底涂树脂中严禁添加溶剂。论文参考网。含有溶剂的毛刷或用溶剂湿润的滚筒不得使用。
③用滚筒刷均匀地涂抹底涂树脂。
④底涂树脂干燥时间因气温不同。一般在3小时到1天之间变化。
⑤、底涂树脂固化后，在构件表面有凝结凸起时，要用砂纸磨光。磨光后若露出混凝土其面，应再补涂底涂树脂。
⑥根据施工部位的温度、湿度，选择适当的底涂树脂。在气温5℃以下，相对湿度RH＞85%，混凝土表面含水率在8%以上，有结露现象而无有效保护措施时，不得施工。
4.1.3构件表面的残缺修补
①构件表面凹陷部位（蜂窝、麻面、小孔等）应用找平树脂填平，修复至表面平整。
②内角、段差、起拱等要用找平树脂填补，使之平顺。在残缺修补中使用找平树脂时，要在气温5℃以上，相对湿度RH＜85%的条件下施工。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。
4.1.4粘贴碳纤维片
①确认粘贴表面干燥，气温在5℃以下，相对湿度RH＞85%时，如无有效措施时不得施工。
②防止碳纤维片受损，碳纤维片在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁弯折。论文参考网。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸裁切碳纤维片，每段长度一般以不超过6米为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外。渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止碳纤维片在保管过程中损坏，碳纤维片的裁切数量应以当天的用量为准。
③碳纤维片裁切时应预先在裁切位置粘贴宽胶带，在宽胶带正中位置进行裁切，以使裁切后碳纤维片的断头齐整不脱丝。
④、碳纤维片纵向接头必须搭接10cm以上。该部位应多涂粘结树脂。碳纤维片横向不需要搭接。
⑤粘结树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。
⑥下涂。贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂。涂量根据施工部位及施工面的粗糙程度而变化的。拱起部分、拐角部分、碳纤维片搭接部位以及残缺修补处要多涂一些，但是必须涂抹均匀。
⑦贴片时，在碳纤维片和树脂之间不应残留空气形成气泡，造成空鼓。为此，可用罗拉（专用工具）沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，对角隅处应向着角隅滚压，对拱起的部位要向相反的方向滚压，以去除气泡，使粘结树脂均匀地充分渗浸入碳纤维片的碳纤维束中。
⑧上涂。碳纤维片施工30分钟（根据干燥程度）后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂。
上涂时和步骤⑦样，用脱泡罗拉沿碳纤维方向用力滚压多次，使碳纤维片内部补充，渗浸粘结树脂。
⑨进行空鼓检查，并进行处理。
⑩需粘贴2层以上碳纤维片时，必须在首层修补完空鼓后进行，重复第⑥-⑨步骤，并遵守步骤④的规定。
⑾如碳纤维片施工不符合质量标准，则需进行相应处理。
4.1.5养护
①粘贴碳纤维片后，需自然养护24小时达到初期固化，并应保证固化期间不受干扰。
②在每道工序以后树脂固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。
③当树脂固化期间存在气温降低到5℃以下的可能时，可采用冬用低温固化树脂，或采取有效的加温措施。
④碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间；
平均气温在10℃以下时，需要2周；
平均气温在10℃以上20℃以下时，需要1~2周；
平均气温高于20℃时，需要1周。
在此期间应防止贴片部分受到硬性冲击。论文参考网。
4.1.6涂装
按设计要求或采用与梁板砼颜色相同的涂料对碳纤维布进行外涂装，以示美观。
5.建议
粘贴碳纤维加固法方法施工技术简单、加固效果理想，但是必须选择合适的时机和与其他加固方法相配合进行。对于板体底部出现的裂缝，应在判明裂缝出现的原因后，选择合适的加固方法，应尽量在病害出现的初期，且病害比较单一，没有其他的（例如板底泛碱、碱蚀、铰缝渗水等）病害；对于板底出现多种病害，并且以裂缝为主的情况下，建议采用在解决桥面铺装防水，保证良好的防水、排水效果的情况下，再采取粘贴加固的工艺，避免碱蚀影响粘贴加固的效果。同时粘贴加固后，应根据加固桥梁的具体情况，设置限高标志，确保加固材料不受外界因素损坏。
6.效益分析
加固前后单板测试结果及加固后整桥动、静载试验结果显示，加固效果良好，实践显示：碳纤维加固带来的直接效益就是工期短、见效快、不影响正常交通，人力资源需要少。与传统的更换梁板相比较，碳纤维布费用相对较高，但两者适用范围有所不同：在工期紧、不宜中断交通、裂缝破坏不严重的桥板加固中适合采用碳纤维布加固法，而板体破坏严重的建议更换梁板，此方法相对来讲工期长，施工期间必须中断交通，给过往车辆和行人带来不便，且需要较多的人力和物力。
7.结束语
我国公路建设已逐渐进入养护改建阶段，大量桥梁构造物需要加固补强，以适应交通量增长的需要。碳纤维有着优异的力学品质，是理想的桥梁加固材料，可喜的是，国产碳纤维品质已接近日本、美国等发达国家的品质，价格也在迅速下降。可以断言，在今后的桥梁加固中碳纤维必将发挥巨大的作用。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130728223014.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
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