桥梁加固中碳纤维材料的应用

 　　摘要：为了满足交通运输行业的发展，桥梁工程所要求的承载能力也越来越高，许多桥梁无法达到现代交通的载荷需求，在长时间处于高载荷甚至超载荷的情况下，会出现破损、老化、裂缝等问题，因此必须做好对桥梁的加固处理。碳纤维材料力学性能高，施工过程简单易行，在桥梁加固工程中承担着较为重要的角色。该文简单介绍了碳纤维材料的特点和碳纤维材料对桥梁进行加固修补技术，以及在桥梁加固工程中的应用。

　　关键词：桥梁加固;碳纤维;表面处理;施工

　　《世界桥梁》(双月刊)创刊于1973年，主要刊载世界桥梁工程领域的发展动态，包括设计理论、施工技术及管理、建筑材料、试验研究及理论计算等方面的实践经验和理论探讨，并重点突出报道世界各国桥梁工程领域的新理论、新技术、新工艺、新设备、新材料、新方法及最新科研成果。

　　桥梁是地面交通工具得以跨越河流、险地的有力工具，随着车辆工程的发展，运输车辆的载重也越来越高，由于我国的桥梁大多建于建国初期，受到材料和技术等条件的限制，在经过几十年的服役过程当中，出现受损和老化，以至于无法满足现代交通运输对桥梁承载力的需求，更有着潜在的安全危险性 [1]。对出现有一定风险的桥梁进行修补和加固处理，使其适应现代交通的承载重量，安全稳定地服役是十分有意义的。碳纤维材料对桥梁的加固处理技术是近年来开发出的新加固技术之一，因为其优异的加固性能和稳定性受到行业应用。本文简单介绍了碳纤维材料对桥梁进行加固修补技术及应用。

　　1 碳纤维材料特点及碳纤维加固技术基 本特性

　　1.1 碳纤维材料特点

　　碳纤维材料通常特指碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂基材料进行复合制成 [2]。碳纤维材料的密度小、质量轻，可以有效降低自重载荷，同时具有很高的强度和韧性。同时，碳纤维材料还具有很好的稳定性、抗冲击性等优点，利用碳纤维对桥梁加固的过程中，施工过程简单易行，且对桥梁的整体结构几乎没有改变，丝毫不影响正常车辆的通行，故而受到桥梁加固工程领域的喜爱。

　　1.2 碳纤维加固技术基本特性

　　碳纤维加固技术的施工过程简单、总体成本较低，其本质是将碳纤维材料制成碳纤维布等结构，通过黏附树脂等工艺将其贴合在受损桥梁的表面，从而达到降低构件负荷、加固桥梁的作用。由于此加固技术是碳纤维布发挥主要作用，所以其基本特性很大程度受到碳纤维材料本身特点的影响，如耐酸碱、耐热耐寒、高弹性、高强度、高韧性等 [3]。将碳纤维材料制成布状结构，还可以实现在外界高应力强度下分散局部的应力集中的作用，避免了碳纤维布在受到大载荷下的裂纹和失效。除碳纤维外，粘结材料也是值得注意的部分，粘结材料需要有稳定性高、粘结能力强和高强耐热等性质，保障碳纤维布和桥梁构件的稳定贴合，防止两者间的脱落和剥离，使碳纤维布长久稳定地发挥作用。

　　2 常见其他桥梁加固技术

　　2.1 锚喷混凝土加固法

　　锚喷混凝土加固法是将新制的混凝土和嵌入的钢筋一同与桥梁构件粘合，形成完整的新旧混凝土和锚杆结构，一同将其喷射黏附在桥梁加固部位。锚喷混凝土加固法可以使原本受损的结构中的应力重新均匀分布，有效地减少应力集中，且混合的混凝土材料与原本桥梁结构结合状态较好，避免后续的变形断裂等问题。锚喷混凝土加固法的施工一般分为 5 个过程 [4]：①搭设外作业支架;②清理桥梁加固表面;③加设锚杆(或安装其他固定结构如膨胀螺丝等);④嵌入钢筋结构;⑤混凝土的喷射和养护。

　　2.2 桥面补强层加固法

　　桥面补强层加固法的施工步骤较为简单，将原本桥梁的受损构件上重新加装一层新的钢筋混凝土结构，桥面补强层加固法不仅可以加强相关构件的承载能力，还具有稳定原本桥梁结构的优点，需要注意的是，在施工之前需要对原本桥梁构件的表面进行处理，促进新旧两种钢筋混凝土结构的结合 [5]。

　　2.3 改变结构受力体系加固法

　　当桥梁的材料没有明显的劣化和损伤，而是经过长时间的服役，桥梁本身的结构带来的承载力逐步下降，达不到使用要求时，可以通过在外部加设支梁、铺设加固钢筋等方式加强桥梁的受力体系，达到加强桥梁承载力、保护桥梁结构的作用，这种方法叫做改变结构受力体系加固法 [6]。

　　2.4 粘贴钢板加固法

　　粘贴钢板加固 [7] 方式顾名思义，是利用有机树脂等粘结性材料将钢板与需要加固的受损构件的表面粘接在一起，使得钢板参与到加固的构件的整体中，承担构件的部分受力。此方法操作较为简单，且施工工期短，可以有效地加强构件的力学性能，不影响构件的本身结构和外形，是典型的被动加固类型之一，当桥梁的部分构件出现弯曲变形或偏心负荷过大时常常选用此方法。但由于钢板的耐腐蚀能力极差，当钢板腐蚀后，腐蚀产物会严重影响两者的粘合性 [8]，且会降低钢材的力学性能，所以选择此方法时需要注意使用条件。

　　3 碳纤维加固施工技术

　　碳纤维加固桥梁的方式主要划为两种：对桥梁中混凝土梁及桥墩、桥面等构件的加固和维修处理 [9]。在以往的传统桥梁加固技术中，对梁构件的加固方式往往是外加钢筋等方式，但外露的钢筋极易被腐蚀，造成强度的大幅度下降，同时在钢筋自身的高重量下，会从构件处脱落，起不到稳定的加固作用。而新型的桥梁加固技术以加装混凝土为主，虽然可以保持一定时间的稳定性，但不可避免的增加了桥梁的自重，且涉及到后续混凝土的养护，施工周期长 [10]。而碳纤维加固施工技术很好地解决了相关问题，碳纤维材料稳定性好、耐酸碱、抗热寒，拥有优良的抗压、抗拉强度和高弹性，增强桥梁构件的抗压能力和稳定性，密度小、质量轻的特点又减轻了因加固带来自重的增大 [11]。

　　碳纤维加固技术适用于多种情况，如加固混凝土梁，或是对桥梁的板桥等构件进行抗弯加固处理等，都可以达到较为良好的预期效果，明显提高各个部件的稳定和 耐久性能，一般而言，碳纤维材料对桥梁各部件的加固适应性见表 1[12]。

　　碳纤维加固施工技术一般分为以下步骤 [13]：①表层预处理：桥梁经过长时间的服役，在其混凝土的表面会有劣化层的出现，通常由灰尘、赃污和风化的混凝土构成，严重影响了混凝土与由碳纤维材料的粘合性，因此在对桥梁进行加固处理前，需要对原本老旧的表面进行处理，打磨掉劣化层，并冲刷掉表面杂质颗粒。②断层修复：去除混凝土表面的劣化层后，需要防止施工过程中对混凝土结构中钢筋的腐蚀，一般采用强度较高的有机树脂材料对混凝土中的断层和孔隙中进行填补和注入工作，需要注意的是，裸露在空气中的钢筋也需要涂覆环氧树脂以避免腐蚀的发生，以及注意混凝土的抗渗性，不得在混凝土结构中混入水 [14]。③表面修复：碳纤维材料的粘合需要相对光滑平整的表面，对于凸起部分需要用工具将其打磨，而凹陷部位可以使用树脂或砂浆等材料进行修复。④底层涂料：底层涂料的涂覆需要适宜的温度(>5℃)和湿度(湿度不宜过大，因而雷雨天气并不适宜)下进行，选择合适的涂料均匀涂抹在修复完毕的受损表面上，确保没有遗漏的部分，施工完毕后需要对表面进行维护，不能使其出现表面损伤，保障通风。⑤碳纤维材料的粘贴：等待底层涂料涂覆完毕并干燥后，将碳纤维材料按照受损构件表面尺寸制成碳纤维布，使用树脂基粘结材料将碳纤维布粘贴在受损表面上，粘贴完成后用力按压碳纤维布和受损表面，将两者间的孔隙排出。在粘贴多层碳纤维材料时重复上述步骤。粘贴过程需要注意两点：粘贴表面需要保持干燥和光滑状态;粘贴表面的钢筋不能出现锈蚀状态，需要提前打磨掉钢筋表面的氧化皮。⑥后期保养维护：在碳纤维材料粘合过程未成型前，需要注意环境的温度不能过高，防止粘结剂的失效，而成型后也需要避免高温环境导致的粘结剂功能下降的问题，可在其表面涂覆功能性涂料防止机械损伤和环境的影响。

　　4 碳纤维加固技术的优点

　　①化学及物理性能稳定：碳纤维作为优良的新型纤维材料，在各种极端环境如酸、碱或高紫外线辐射等环境下都能稳定服役，适合绝大多数的场所和气候。碳纤维材料的特性使得碳纤维加固技术使用于许多恶劣环境下服役的桥梁，有效增加桥梁的服役时间 [15]。②力学性能优越：碳纤维材料在运用于桥梁的混凝土梁加固或是节点加固过程中，可以分散局部应力集中，达到提高构件的抗弯、抗压等力学性能的目的。并且，由于碳纤维材料的韧性高，所以还具有一定的抗冲击和抗疲劳的作用 [16]。③施工过程简单：碳纤维材料的粘合过程简单易行，不需要大型施工设备或大量人力资源的支撑，后期维护也较为简捷。④自重较低：碳纤维材料的密度小，相对同等体积下的混凝土或金属材料，碳纤维布与粘结剂的总重量都在两者的 1/3 以下，而碳纤维材料的抗拉强度也高出两者 5 倍以上，相比而言，碳纤维材料的使用不仅加强了构件的力学性能，同时也能避免因为加固带来的自重的增加 [17]。

　　5 结语

　　我国对桥梁等交通道路的承载力需求越来越高，但桥梁的重建成本太大，桥梁的加固技术成为了补强桥梁的首要选择。碳纤维加固技术作为近年来出现的新型加固技术，拥有其他加固技术所无法比拟的高力学性能和稳定性等优点，成为桥梁加固施工中的最佳选择之一。在实际对碳纤维加固技术的应用中，需要对各个环节进行模拟分析，严格按照相关工艺进行施工和维护，并做好后期的质量检查和核查工作，以期达到预期的长久稳定的桥梁加固效果，为我国的交通工程建设出力。

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