粘贴碳纤维布技术在桥梁工程加固中的应用探析

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【摘 要】 粘贴碳纤维布技术，由于其质轻高强、耐腐蚀、施工简便、适应性强等特点被广泛用于隧道、桥梁、建筑物等混凝土结构的加固。碳纤维布技术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，因此应用较广。本文详细阐述了粘贴碳纤维布技术在桥梁加固工程中的应用，并从施工工艺、工序等方面进行了认真分析与探讨。

【关键词】 桥梁 碳纤维布 加固

碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的加固技术，主要用于对钢筋混凝土及素混凝土结构进行加固修补混凝土结构的加固与修补工程。

1 碳纤维布的特点

（1）材料质轻高强：抗拉强度3200～3800MPa，为同截面钢材的10倍以上，比重2.0～3.0g/cm3，单层厚度0.15～0.2mm，用粘结剂将它与结构物粘贴后形成一体，厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，而结构物自重的增加几乎可以忽略，能可靠地保证与原钢筋混凝土构件共同工作，获得优异的补强效果；适用面广，广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。

（2）施工便捷：占用场地少，不需大型机具，没有湿作业，无需动火，无需现场固定设施，施工工效高。

（3）高耐久性：不会生锈，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用，还具有抗疲劳强度高，耐磨损、抗老化等优点。

2 加固原理

加固原理：将碳纤维布，采用高性能的碳纤维配套树脂浸渍胶粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。下面对碳纤维复合材料和粘结材料进行重点介绍：

2.1 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料通常有纤维合基体组成。加固砼结构用的纤维材料目前主要有三种：玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。碳纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及现场施工便捷，所以是旧桥加固补强的理想材料。

加固砼构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经变制而成制成的柔软片材。目前可用于旧桥结构加固的碳纤维有单向碳纤维布、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单项压层材料等，可根据不同的结构部位和受力特性与方向等，选择相应的碳纤维布进行加固。

2.2 粘结材料

粘结材料是性能保证碳纤维布与砼共同工作的关键，也是两者之间传力途径的薄弱环节。因此，粘结材料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，同时应有足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。此外，由于旧桥加固均在野外，所以粘结材料还应能在一般气候条件下固化，且固化时间合适（一般保证有3h左右），具有适宜的流动性和粘度，固化收缩率小。

粘结材料是既能将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又能与混凝土表面粘合的系列粘结材料。它主要包括三类材料：底层涂料、整平材料和浸渍树脂。

底层涂料（底涂胶）在处理好的混凝土表面上，涂一层很薄的底层胶，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶结性能，从而使混凝土与碳纤维布之间的粘结性得以提高。因此要求底涂料胶必须具有很低的粘度，以及与混凝土间良好的粘结性能，以便于涂刷在混凝土表面后，胶粘剂能渗入混凝土结构中。为保证性能，应尽量避免使用溶剂型胶。

整平材料（找平胶）碳纤维布只有与所加固补强的混凝土表面紧密接触，才能产生良好的补强效果。但混凝土表面的锐利突起物、错位和转角部位等都可能使碳纤维布产生损伤，并引强度降低。混凝土的底层涂料至触干燥后，必须用找平胶进行找平，同时将矩形断面直角打磨后补成圆弧状。

找平胶应具有优良的力学性能，以及良好的施工性能与触变性能。在施工过程中，找平胶应易于操作，且不随时间的延长出现明显的变形，同时应防止胶的滴挂。一般的普通环氧树脂的粘结强度和强韧性都达不到找平胶的要求，不应调配使用。

浸渍树脂（粘结主胶）浸渍树脂在粘结材料中起着至关重要的作用，它连接底胶与碳纤维布。它的粘度应控制在一定的范围，有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维布粘附于混凝土表面，经过碾压，使浸渍树脂很容易浸透碳纤维布，形成一个复合性整体，共同抵抗外力作用。

浸渍树脂不仅应具有良好的渗透性以利于浸透碳纤维布，同时还应具有一定的初粘力，防止粘结的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙。并且本身应具有良好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象。另外，胶粘剂与碳纤维的相如性和粘结力必须极好，才能满足纤维布和混凝土形成预定的复合材料。

防护材料（罩面胶）罩面胶是为了施工表面美观和保护碳纤维布。只要求材料能涂覆在碳纤维布表面，并不脱层，不掉落，能长期在冷热干燥的空气中稳定，防止复合材料被紫外线直接照射。

胶与胶的相容性 用碳纤维布加固补强的施工过程中，胶是一层一层叠加上去复合而成的，与砼直接接触的只有底涂胶、找平胶，而粘结主胶、找平胶、碳纤维布和罩面胶相连；因此不同胶之间的相容性粘结性应予以充分的考虑。

3 加固受力特点分析

与传统的其它加固方法相比，采用碳纤维布加固旧桥能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。

将抗拉性能优良的碳纤维布粘贴到梁体地面或箱梁内壁上，使其与原结构一起受力，及碳纤维布可以与原结构内部的钢筋一道共同承受拉力，以提高旧桥的承载力。

沿桥梁的主拉应力方向（或与裂缝正交方向）粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端，据此可约束混凝土裂缝、防止裂缝再扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的。

碳纤维布加固混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土突然被压碎的破坏。与此同时，由于碳纤维为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多，构件延性将有所降低，因此，碳纤维布用于钢筋混凝土梁式桥的加固补强时，应根据实际情况合理使用。

试验研究证实，碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力，其作用机理与箍筋类似，同时还能明显改善构件的变形性能，增强构件的变形能力。

碳纤维布与混凝土基层界面，可分为两个界面区，即混凝土基层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区。粘结性能的本质是接触面间的相互作用，宏观上表现为液态聚合物浸润表面后形成的机械锁结，微观上表现为分子扩散后相互缠结作用，或化学键作用，或静电吸引作用，或其符合作用。

4 碳纤维布加固旧桥特点

（1）不增加永久作用及断面尺寸；（2）可适应不同构件形状，成型很方便；（3）施工简便；（4）采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤；（5）能有效地封闭混凝土的裂缝；（6）碳纤维布（片）具有优良的耐化学腐蚀性；（7）不影响结构的外观。

5 碳纤维布加固设计计算要点

由于碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性（拉断或剥离等脆性破坏），其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2/3进行抗弯承载力计算。

采用碳纤维布加固旧桥，目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准（例如强度或允许应力）近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法，但理论分析结果与实验数据吻合得很好，因此在一般情况下是适用的。

6 施工工艺

（1）施工准备。拟定施工方案和施工计划，应对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等作好施工前的准备工作。

（2）基面处理。1）混凝土表面的劣化层（如浮浆、风化层等）要用砂轮机进行清除和打磨，露出混凝土结构层；2）基面错位与突出部分要磨平，转角部位要进行倒角处理；3）裂缝部分按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。

（3）基面的清洗。1）先用钢丝刷将表面松散浮渣刷去，然后用压缩空气除去粉尘；2）用丙酮或无水酒精擦试表面，也可以用清水冲洗，但必须保证其充分干燥后才能进行下道工序的施工。

（4）涂刷底胶。1）按比例准确配置好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量应在可使用时间内完成，超过时间的绝对不能使用，以确保粘结质量；2）用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上，注意直接均匀涂抹，自然风干。如在冬季施工时胶的粘结都较高，不能涂的太厚；3）底胶硬化后，使表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光；4）待底胶指触干燥后，进入下道工序。

（5）粘贴面的修补。1）若发现粘贴面上有凹入部位，应用找平胶进行修补，保证粘贴面的平整，以确保加固效果；2）待找平胶指触干燥后进入下一道工序。

（6）粘贴碳纤维布。1）在待粘贴面上划出各层位置；2）依设计尺寸裁剪碳纤维布，应根据现场施工经验和作业空间确定下料长度，若需要进行接长时，接头的长度应根据实际情况而定，一般不得小于15cm；3）下料数量应以当天能用完为准；4）粘贴碳纤维布时，应依设计位置由上而下，由左至右有秩序地粘贴，并以滚筒压挤贴片，是碳纤维布与浸渍树脂充分结合，同时以压板去除气体；5）即时观察贴片是否密实，若发现有间隙或气泡时，应及时处理。

（7）罩面防护处理。1）粘贴完碳纤维布后，即时在其表面再制衡均匀涂抹一层浸脂树脂，自然风干；2）确保贴片表面已充分风干结合后，在其表面涂抹罩面胶或采取其他措施处理，以保证各层胶的耐久性。

7 粘贴施工要求

（1）对被加固构件的基面要求。因为用碳纤维布加固混凝土构件是依赖于碳纤维布与构件表面的粘贴效率，所以要求基面的混凝土强度等级不低于C15。同时要求被加固构件应具有良好的保护层，即基面平整且具有一定强度。对于构件有剥落、起皮、腐蚀、裂缝及严重碳化表面缺损，必须先进行修复，并应将粘贴基面打磨平整、清理干净，且不应存在尖锐棱角和浮灰粉尘，防止碳纤维布的局部剥断破坏和粘贴失效。

（2）碳纤维布的粘贴。用碳纤维布加固混凝土构件宜采用薄布多层的粘贴方法，使其与粘贴材料充分浸润，确保粘贴效率。对于受弯构件宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤维布进行加固补强，并在主纤维方向的断面部进行附加锚固处理。

（3）碳纤维布的搭接与截断。加固的碳纤维布一般不应采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。根据国内外对碳纤维布与混凝土间粘结锚固的试验结果，粘结应力主要集中于端部100mm范围内，粘结破坏是脆性的，且粘结应力一般不会产生扩展。因此，若碳纤维布确需搭接时，其搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100mm，且搭接接端部应平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置不应的同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。

（4）粘贴碳纤维布施工安全措施及注意事项。1）裁剪及使用碳纤维布时应尽量远离电源，尤其是高压电线及输电线路。由于碳纤维布为导电材料，因此配套用胶要密封储存，远离火源，避免阳光直接照射，施工时应远离电器设备及电源，或采取可靠的防护措施。2）由于碳纤维布脆性大，抗折能力差，同时为了保证其整体完整性及施工质量，施工过程中务必要避免碳纤维布的弯折；配置及使用胶的场所必须保持良好的通风；碳纤维布实际粘贴面积应不少于设计量，位置偏差应不大于10mm，碳纤维布粘贴好以后，在其表面抹20厚M15水泥砂浆做表面防护，施工过程中应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响。3）现场施工人员工作服应穿戴整齐，佩戴口罩和手套，在施工过程中及施工结束后，现场人员严禁吸烟，严格按照相关岗位安全责任制，落实各项安全生产条款要求。4）施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击或手压碳纤维布表面来检查，以回声来判断粘结效果，总有效粘贴面积不应低于95%，如出现空鼓等粘贴不密实现象，应采取针管注胶的方法进行补救，若粘结面积小于90%，则判定为粘结无效，需重新施工。5）对于碳纤维布粘贴面积在1000m2以上的工程，为检验其加固效果应与建设单位协商进行荷载试验，其结构变形等各项指标均应满足国家相关规范规定的设计及使用要求。6）碳纤维布的施工应根据胶质的要求选择合适的天气进行施工，施工宜在5℃以上环境温度下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度，环境温度低于5℃时，应使用适用低温环境的配套树脂或采用升温处理措施。7）工程验收时必须有碳纤维及其配套胶料厂家所提供的材料检验证明，每一道工序结束后均应按工艺要求进行各工序隐蔽过程检验与验收，作好相关的验收记录，如施工质量不能满足规程要求，应立即采取补救措施或返工。

（5）加固所用的碳纤维布及其配套粘结材料均应有厂家所提供的材料检验证明和合格证。

参考文献：

[1]《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》.

[2]《碳纤维施工验收规范》.

[3]《混凝土结构加固设计规范》.

[4]《碳纤维布加固修补结构施工及验收规范》，同济大学出版社.