碳纖維增強復合材料加固橋梁新技術

由于自然環境各種因素的影響、TRANBBS施工質量和實際TRANBBS交通組成變化及超載車輛的作用，已建的混凝土橋梁結構可能會出現承載能力不足、混凝土表面裂縫等問題。這些混凝土橋梁中絕大部分可以通過加固改造就能提高或改善結構受力性能，重新投入使用。
　　粘貼鋼板法是公路混凝土橋梁常用的加固方法，一般是采用環氧樹脂或專門結構膠將鋼板直接粘貼在混凝土構件表面，使之與構件形成受力整體。土木工程中的新TRANBBS技術往往來自新材料的應用。自上世紀七十年代末初期，歐洲進行纖維增強復合材料（FRP）在土木工程應用研究以來，具有極好的比強度和比剛度、優秀耐腐蝕性的纖維增強復合材料已廣泛用于混凝土結構的粘貼加固工程，形成了纖維增強復合材料補強加固已有混凝土橋梁的新技術，其中碳纖維增強復合材料（CFRP）應用更多。本文根據國內外關于碳纖維增強復合材料補強加固的工程研究，介紹這一新技術的材料特性、施工方法和技術措施。
　　材料的基本特性
　　碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
　　1、碳纖維片材；
　　片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
　　片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
　　相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
　　2、配套樹脂類粘結材料；
　　混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
　　浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構件表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作的關鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
　　就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術而言，環氧樹脂在不同施工環境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關。采用專配的環氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
　　碳纖維片材加固橋梁的形式
　　碳纖維片材主要用于混凝土橋梁的基本構件和節點的加固補強，其加固的效果主要是提高構件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構件的軸向抗壓承載力；提高構件的剛度以及延性。除此之外，許多室內及現場試驗證明，碳纖維片材加固的混凝土構件裂縫寬度發展可以得到控制。
　　由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土橋的有關部位加固較靈活。碳纖維片材因碳纖維排列方向不同而使各方向拉伸強度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時，其拉伸強度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時，其強度最低。因此，在采用碳纖維片材進行加固TRANBBS設計中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據混凝土構件加固計算，可以采用連續式粘貼或條帶間隔粘貼碳纖維片材的方式。研究表明，分條加固的效果要優于整條布的加固效果。
　　粘貼碳纖維片材加固施工技術
　　1、面層處理；
　　混凝土表面的劣化層（例如風化、游離石灰、脫模劑、剝離的砂漿、粉刷層、污物等）必須用砂輪機去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機與毛刷將待補強區的粉塵及松動物質會除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
　　2、斷面修復；
　　將混凝土面層的不良部分（例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等）清除。若有鋼筋外露情形，必須先做好防蝕處理，再以強度相等或大于混凝土的環氧樹脂砂漿材料修補。裂縫以環氧樹脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時，應先做好止水、導水處理。
　　3、表面修正；
　　表面平整度凸出部分（小突起等）以切割機或砂輪機將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環氧樹脂或樹脂砂漿填補。轉角處需研磨至凸角R＝20毫米（R一曲率半徑）以上，凹角則以樹脂砂漿填補。
　　4、底層涂料；
　　氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH＞95％時，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認后，選用適當的底層涂料。施工現場空氣應十分流通，嚴禁煙火。施工時必須要穿帶保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
　　5、碳纖維片材的粘貼；
　　纖維貼片預先以剪刀、刀子依所設計的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長度在2米以內最適當。為防止保管期間的破損，裁剪數量只裁所需使用的數量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認。底漆施工超過1星期以上時，應以砂輪機磨平。
　　將環氧樹脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規定的配比放置于拌合桶中，使用電動攪拌機，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時間的施工量，超過可使用時間的材料，不可使用。
　　環氧樹脂用毛刷滾輪平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度會有所變化，轉角部分要多涂。強化纖維粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平，使樹脂浸透并去除氣泡，纖維（長向）方向的搭接長度至少要留10厘米，短向則不用留。粘貼后放置30分鐘，若纖維有浮出或脫線情形發生時，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
　　兩層以上的強化纖維相疊貼時，重復步驟。施工現場空氣應十分流通，嚴禁煙火。施工時必須要穿戴保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
　　有關混凝土橋梁技術應用問題
　　粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術在歐洲、美國、加拿大和日本已經廣泛應用，并且進行了深入的研究。我國在這方面的工程實踐也是在二十世紀九十年代中期才開始，就我國公路混凝土橋梁有關粘貼碳纖維片材加固新技術應用推廣的問題做如下討論。
　　1、粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項新技術，使得粘貼加固法成為公路橋梁快速加固方法，適合公路橋梁加固期間盡量不影響橋梁正常營運的要求。碳纖維片材輕、現場粘貼無需重型設備、施工便利，便于橋下的高空作業，可在公路橋梁上推廣應用。
　　2、對于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應用效果較好的是綜合法，即以某種加固方法為主，輔以其它方法，這必須依照橋梁現場的外觀檢查和技術狀況評定，加固設計要求而定。目前，粘貼碳纖維片材加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
　　3、我國目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹脂類粘結材料，是以國外進口材料為主，國產產品較少，且產品的勻質性及低樹脂含量等技術指標上還有差距。這樣，進口的材料單價就顯高，這往往影響技術的經濟決策。因此，除了應盡快采取先進技術及措施使國產產品提高質量外，在碳纖維片材加固技術應用中，應當更多從加固效果，耐久方面來考慮橋梁加固后正常運營效益與經濟性。
　　4、在國外先進國家的科學研究工程實踐基礎上，結合我國公路舊橋的加固維修特點與經驗，盡快編制碳纖維片材加固技術的指南，以指導工程應用。碳纖維片材加固補強公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術，需要結合我國的工程特點進行深入研究和不斷提高，使我國公路舊橋加固維修技術達到新的水平。