论文部分内容阅读
【摘 要】目前碳纤维在土木工程中的应用，已成为国际土木工程界的热点。碳纤维质轻高强、耐腐蚀、抗老化，有着优异的力学性能。用其加固补强混凝土结构施工简单便捷，必定在今后的桥梁维修加固中得到广泛的应用。本文结合某大桥采用碳纤维加固补强的实践，介绍其所用材料、施工工艺及其应用性分析。
【关键词】碳纤维；桥梁；加固；应用
Shallow talk the glue of structure of concrete bridge to stick carbon fiber to reinforce technique
Xu Lei
(Suqian city highway engineering construction place Suqian Jiangsu 223800)
【Abstract】Currently the carbon fiber is in the civil engineering of application, have become international civil engineering boundary of a little bit hot.Carbon cellulose light, bear to decay, the anti- be aging and have excellent mechanics function.Reinforce compensation concrete structure a construction with it simple convenience, necessarily in aftertime of the bridge maintain reinforce get extensive of application.This text combine a some big bridge adoption carbon fiber to reinforce a practice of compensation, introduction the material that it use, construction craft and it application analysis.
【Key words】Carbon fiber;Bridge;Reinforce;Application
1. 材料及其性能
碳纤维用于混凝土结构加固修复是一项新技术，它是利用浸渍树脂将碳纤维布沿受力方向或垂直于受力方向粘贴在受损的混凝土构件上，使之与构件原有钢筋共同工作，从而达到对混凝土构件的加固补强。抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维复合材料包括碳纤维布和粘接材料，简单介绍如下：
1.1 碳纤维布具有如下特点：
(1)高弹膜，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。
1.2 粘接材料具有如下特点：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。粘接材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其性能如下:
(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接性得到提高；
(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，另一方面用于将矩形90o转角打磨后补成圆弧状。
(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接在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
2. 碳纤维补强技术的特点及优越性
2.1 优异的力学性能，可有效用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗拉、抗疲劳、抗震、抗风，控制裂缝及挠度的扩展。
2.2 优异的化学稳定性。碳纤维布具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化能力。外加防火层后可以有效地防火。因此，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。
2.3 材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外型。增加的结构重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。
2.4 施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短了施工断交时间，具有较大的经济效益和社会效益。
3. 碳纤维加固补强的施工工艺
3.1 根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理。
(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；
(2)裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；
(3)将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；
(4)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
3.2 底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）。
(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；
(2)用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；
(3)底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；
(4)注意在气温小于5℃，相对湿度大于85，砼表面含水率在8以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。3.3 环氧腻子对构件表面残缺的修补。
(1)构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整；
(2)内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补使之平顺。
3.4 贴碳纤维片。
(1)为了防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折。贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断纤维片，每段长度一般不超过6rn；
(2)碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；
(3)按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；
(4)贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维片上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。
3.5 养护。粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
3.6 涂装。为了保证桥梁外观整体美观，在其上全部涂刷一层水泥漆。
裂缝修复的部分施工过程参见图1。
4. 碳纤维（片材）加固处理要点
4.1 混凝土基面处理：混凝土基面必须仔细打磨平整，对于松散的混凝土及其夹杂的水泥硬块、木棍、草屑、泥块等杂物必须彻底凿除。转角处打磨成R≥30mm的圆角，同时基面不可存有尖锐棱角，以防止碳纤维在折角处产生集中或局部刻断破坏。折磨的R角外缘线必须平行或垂直于梁肋，以免粘贴碳纤维片时发生空鼓或偏斜现象。
4.2 涂底胶：底胶的主剂和固化剂按规定的比例准确称量，均匀慢速搅拌，并在可使用的时间内用完；涂底胶前必须将基面清理干净，并保持干燥；涂刷必须均匀，底胶指处干燥后再进行下一道工序。
4.3 粘贴面修整：整平材料必须按规定比例进行调配。修整时应进行多次找补。确保坑凹处填实填满，不得有气泡，表面有毛刺或糙纹时，用砂纸打磨一顺；指处干燥后进行下一道工序。
4.4 贴碳纤维片；粘接胶必须配比准确，均匀搅拌，不得超时使用，其用量符合设计且涂抹均匀；在搭接、拐角部位适量多涂抹一些；纤维布裁剪尺寸准确，严禁出现扭曲、弯折、跳丝、横向脱离、错位等现象，用带肋滚子沿纤维方向多次滚压，确保纤维布充分浸润胶料并及时赶出气泡。
4.5 检查验收：施工结束后验收时，以评定碳纤维布与混凝土之间的粘接质量为主，用小锤等工具轻敲击碳纤维布表面，以回声来判断粘接效果，若出现空鼓等粘帖不实现象，用针管注胶进行补救。
图1 裂缝修复的部分施工过程图
4.6 防护涂层：该工序一方面起到防火和表面涂装作用，另一方面也对碳纤维布加固层的外表面进行了密闭防护处理，从而避免碳纤维布的老化和遭受其它损伤，保证构件加固后的正常使用。
5. 注意事项
5.1 碳纤维片材选择注意事项。碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。
5.2 碳纤维（片材）粘贴注意事项。
(1)在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。
(2)按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm。
(3)将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。
(4)擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm。
(5)将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm。
(6)需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。
(7)施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
(8)施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。
(9)树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。
(10)为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。
6. 对碳纤维加固补强技术的展望
碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在施工简洁、不增加结构自重、适应性强等较多优点。随着我国高等级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，碳纤维布补强技术将到广泛应用。
【关键词】碳纤维；桥梁；加固；应用
Shallow talk the glue of structure of concrete bridge to stick carbon fiber to reinforce technique
Xu Lei
(Suqian city highway engineering construction place Suqian Jiangsu 223800)
【Abstract】Currently the carbon fiber is in the civil engineering of application, have become international civil engineering boundary of a little bit hot.Carbon cellulose light, bear to decay, the anti- be aging and have excellent mechanics function.Reinforce compensation concrete structure a construction with it simple convenience, necessarily in aftertime of the bridge maintain reinforce get extensive of application.This text combine a some big bridge adoption carbon fiber to reinforce a practice of compensation, introduction the material that it use, construction craft and it application analysis.
【Key words】Carbon fiber;Bridge;Reinforce;Application
1. 材料及其性能
碳纤维用于混凝土结构加固修复是一项新技术，它是利用浸渍树脂将碳纤维布沿受力方向或垂直于受力方向粘贴在受损的混凝土构件上，使之与构件原有钢筋共同工作，从而达到对混凝土构件的加固补强。抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维复合材料包括碳纤维布和粘接材料，简单介绍如下：
1.1 碳纤维布具有如下特点：
(1)高弹膜，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。
1.2 粘接材料具有如下特点：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。粘接材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其性能如下:
(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接性得到提高；
(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，另一方面用于将矩形90o转角打磨后补成圆弧状。
(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接在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
2. 碳纤维补强技术的特点及优越性
2.1 优异的力学性能，可有效用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗拉、抗疲劳、抗震、抗风，控制裂缝及挠度的扩展。
2.2 优异的化学稳定性。碳纤维布具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化能力。外加防火层后可以有效地防火。因此，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。
2.3 材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外型。增加的结构重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。
2.4 施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短了施工断交时间，具有较大的经济效益和社会效益。
3. 碳纤维加固补强的施工工艺
3.1 根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理。
(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；
(2)裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；
(3)将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；
(4)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
3.2 底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）。
(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；
(2)用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；
(3)底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；
(4)注意在气温小于5℃，相对湿度大于85，砼表面含水率在8以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。3.3 环氧腻子对构件表面残缺的修补。
(1)构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整；
(2)内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补使之平顺。
3.4 贴碳纤维片。
(1)为了防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折。贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断纤维片，每段长度一般不超过6rn；
(2)碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；
(3)按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；
(4)贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维片上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。
3.5 养护。粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
3.6 涂装。为了保证桥梁外观整体美观，在其上全部涂刷一层水泥漆。
裂缝修复的部分施工过程参见图1。
4. 碳纤维（片材）加固处理要点
4.1 混凝土基面处理：混凝土基面必须仔细打磨平整，对于松散的混凝土及其夹杂的水泥硬块、木棍、草屑、泥块等杂物必须彻底凿除。转角处打磨成R≥30mm的圆角，同时基面不可存有尖锐棱角，以防止碳纤维在折角处产生集中或局部刻断破坏。折磨的R角外缘线必须平行或垂直于梁肋，以免粘贴碳纤维片时发生空鼓或偏斜现象。
4.2 涂底胶：底胶的主剂和固化剂按规定的比例准确称量，均匀慢速搅拌，并在可使用的时间内用完；涂底胶前必须将基面清理干净，并保持干燥；涂刷必须均匀，底胶指处干燥后再进行下一道工序。
4.3 粘贴面修整：整平材料必须按规定比例进行调配。修整时应进行多次找补。确保坑凹处填实填满，不得有气泡，表面有毛刺或糙纹时，用砂纸打磨一顺；指处干燥后进行下一道工序。
4.4 贴碳纤维片；粘接胶必须配比准确，均匀搅拌，不得超时使用，其用量符合设计且涂抹均匀；在搭接、拐角部位适量多涂抹一些；纤维布裁剪尺寸准确，严禁出现扭曲、弯折、跳丝、横向脱离、错位等现象，用带肋滚子沿纤维方向多次滚压，确保纤维布充分浸润胶料并及时赶出气泡。
4.5 检查验收：施工结束后验收时，以评定碳纤维布与混凝土之间的粘接质量为主，用小锤等工具轻敲击碳纤维布表面，以回声来判断粘接效果，若出现空鼓等粘帖不实现象，用针管注胶进行补救。
图1 裂缝修复的部分施工过程图
4.6 防护涂层：该工序一方面起到防火和表面涂装作用，另一方面也对碳纤维布加固层的外表面进行了密闭防护处理，从而避免碳纤维布的老化和遭受其它损伤，保证构件加固后的正常使用。
5. 注意事项
5.1 碳纤维片材选择注意事项。碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。
5.2 碳纤维（片材）粘贴注意事项。
(1)在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。
(2)按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm。
(3)将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。
(4)擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm。
(5)将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm。
(6)需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。
(7)施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
(8)施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。
(9)树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。
(10)为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。
6. 对碳纤维加固补强技术的展望
碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在施工简洁、不增加结构自重、适应性强等较多优点。随着我国高等级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，碳纤维布补强技术将到广泛应用。