碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固橋梁新技術(shù)

由于自然環(huán)境各種因素的影響、TRANBBS施工質(zhì)量和實(shí)際TRANBBS交通組成變化及超載車(chē)輛的作用，已建的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)承載能力不足、混凝土表面裂縫等問(wèn)題。這些混凝土橋梁中絕大部分可以通過(guò)加固改造就能提高或改善結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹(shù)脂或?qū)ｉT(mén)結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面，使之與構(gòu)件形成受力整體。土木工程中的新TRANBBS技術(shù)往往來(lái)自新材料的應(yīng)用。自上世紀(jì)七十年代末初期，歐洲進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用研究以來(lái)，具有極好的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程，形成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固的工程研究，介紹這一新技術(shù)的材料特性、施工方法和技術(shù)措施。
　　材料的基本特性
　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹(shù)脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱(chēng)碳纖維片材。將片材用專(zhuān)門(mén)配制的粘貼樹(shù)脂或浸漬樹(shù)脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹(shù)脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。
　　1、碳纖維片材；
　　片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。
　　片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類(lèi)。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長(zhǎng)率較低。
　　相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說(shuō)明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類(lèi)化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
　　2、配套樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)材料；
　　混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹(shù)脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過(guò)混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹(shù)脂或粘結(jié)樹(shù)脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
　　浸漬樹(shù)脂或粘貼樹(shù)脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹(shù)脂同混凝土的粘貼強(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。
　　就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹(shù)脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因?yàn)檫@涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時(shí)間緊密相關(guān)。采用專(zhuān)配的環(huán)氧樹(shù)脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時(shí)，粘貼環(huán)氧樹(shù)脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上，但粘貼后就可以使用的時(shí)間為45分鐘以上，專(zhuān)配的環(huán)氧樹(shù)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(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固補(bǔ)強(qiáng)，其加固的效果主要是提高構(gòu)件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構(gòu)件的軸向抗壓承載力；提高構(gòu)件的剛度以及延性。除此之外，許多室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，碳纖維片材加固的混凝土構(gòu)件裂縫寬度發(fā)展可以得到控制。
　　由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土橋的有關(guān)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(qiáng)度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時(shí)，其拉伸強(qiáng)度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時(shí)，其強(qiáng)度最低。因此，在采用碳纖維片材進(jìn)行加固TRANBBS設(shè)計(jì)中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據(jù)混凝土構(gòu)件加固計(jì)算，可以采用連續(xù)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(yōu)于整條布的加固效果。
　　粘貼碳纖維片材加固施工技術(shù)
　　1、面層處理；
　　混凝土表面的劣化層（例如風(fēng)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(jī)去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機(jī)與毛刷將待補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的粉塵及松動(dòng)物質(zhì)會(huì)除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
　　2、斷面修復(fù)；
　　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(qiáng)度相等或大于混凝土的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿材料修補(bǔ)。裂縫以環(huán)氧樹(shù)脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時(shí)，應(yīng)先做好止水、導(dǎo)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(jī)或砂輪機(jī)將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環(huán)氧樹(shù)脂或樹(shù)脂砂漿填補(bǔ)。轉(zhuǎn)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(shù)脂砂漿填補(bǔ)。
　　4、底層涂料；
　　氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH＞95％時(shí)，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認(rèn)后，選用適當(dāng)?shù)牡讓油苛?。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿帶保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
　　5、碳纖維片材的粘貼；
　　纖維貼片預(yù)先以剪刀、刀子依所設(shè)計(jì)的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長(zhǎng)度在2米以?xún)?nèi)最適當(dāng)。為防止保管期間的破損，裁剪數(shù)量只裁所需使用的數(shù)量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認(rèn)。底漆施工超過(guò)1星期以上時(shí)，應(yīng)以砂輪機(jī)磨平。
　　將環(huán)氧樹(shù)脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規(guī)定的配比放置于拌合桶中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時(shí)間的施工量，超過(guò)可使用時(shí)間的材料，不可使用。
　　環(huán)氧樹(shù)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(huì)有所變化，轉(zhuǎn)角部分要多涂。強(qiáng)化纖維粘貼于樹(shù)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(shù)脂浸透并去除氣泡，纖維（長(zhǎng)向）方向的搭接長(zhǎng)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(xiàn)情形發(fā)生時(shí)，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
　　兩層以上的強(qiáng)化纖維相疊貼時(shí)，重復(fù)步驟。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時(shí)必須要穿戴保護(hù)裝備（口罩、護(hù)目鏡及橡皮手套）。
　　有關(guān)混凝土橋梁技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題
　　粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術(shù)在歐洲、美國(guó)、加拿大和日本已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且進(jìn)行了深入的研究。我國(guó)在這方面的工程實(shí)踐也是在二十世紀(jì)九十年代中期才開(kāi)始，就我國(guó)公路混凝土橋梁有關(guān)粘貼碳纖維片材加固新技術(shù)應(yīng)用推廣的問(wèn)題做如下討論。
　　1、粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項(xiàng)新技術(shù)，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(yíng)運(yùn)的要求。碳纖維片材輕、現(xiàn)場(chǎng)粘貼無(wú)需重型設(shè)備、施工便利，便于橋下的高空作業(yè)，可在公路橋梁上推廣應(yīng)用。
　　2、對(duì)于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)的外觀(guān)檢查和技術(shù)狀況評(píng)定，加固設(shè)計(jì)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(guó)目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)材料，是以國(guó)外進(jìn)口材料為主，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品較少，且產(chǎn)品的勻質(zhì)性及低樹(shù)脂含量等技術(shù)指標(biāo)上還有差距。這樣，進(jìn)口的材料單價(jià)就顯高，這往往影響技術(shù)的經(jīng)濟(jì)決策。因此，除了應(yīng)盡快采取先進(jìn)技術(shù)及措施使國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品提高質(zhì)量外，在碳纖維片材加固技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)更多從加固效果，耐久方面來(lái)考慮橋梁加固后正常運(yùn)營(yíng)效益與經(jīng)濟(jì)性。
　　4、在國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的科學(xué)研究工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)公路舊橋的加固維修特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)，盡快編制碳纖維片材加固技術(shù)的指南，以指導(dǎo)工程應(yīng)用。碳纖維片材加固補(bǔ)強(qiáng)公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術(shù)，需要結(jié)合我國(guó)的工程特點(diǎn)進(jìn)行深入研究和不斷提高，使我國(guó)公路舊橋加固維修技術(shù)達(dá)到新的水平。