碳纤维布在旧桥加固中的应用技术
摘  要：本文分析了碳纤维布在加固混凝土桥梁结构受弯性能中的受力特点，并根据近几年来在上海地区的工程实践，总结了粘贴碳纤维布加固的施工工艺要求和质量控制。
关键词：碳纤维布；桥梁加固；施工工艺
引言
粘贴碳纤维布加固混凝土结构技术是一项新型、简便、有效的混凝土桥梁加固技术。该技术充分应用了碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，简称cfrp）所特有的高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗疲劳及施工简便等许多优点，为混凝土桥梁加固技术注入了新的活力。碳纤维布加固修补结构技术是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构加固补强的目的。
1 碳纤维布加固的优点
与传统的粘钢法等其他加固工艺相比，采用碳纤维布加固旧桥具有以下几个方面的优点：
①不增加结构恒载及断面尺寸：碳纤维布的自重一般仅为150~450g/m2，设计厚度为0.111~0.167mm，对整个结构重量及桥下净空的影响微乎其微，可忽略不计。
②可适应不同结构的外表尺寸，成型方便：特别对于斜、弯、坡及异型结构的加固，若采用传统的粘钢法等加固措施，施工难度大，而采用碳纤维布加固法，因碳纤维布的随型性极强，可以随结构外形变化任意施工。
③对原结构不会产生新的损伤：碳纤维加固补强系采用配套树脂等粘结材料，不需要设置锚固螺栓和开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏。
④碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性：由于加固只使用碳纤维布和配套树脂，因而具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能。
2 碳纤维布加固的材料要求
加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。加固混凝土构件时，按构件的不同受力特点用粘结材料将碳纤维布有序地缠绕粘贴于构件表面，实现对构件变形的约束并因此提高构件的极限强度和承载能力。
在旧桥加固的应用过程中，碳纤维布的抗拉强度一般不宜小于3000mpa，弹性模量不小于2.1x105 mpa。根据碳纤维布的品质不同，其厚度一般在0.11~0.43mm之间，幅宽在20~100cm，卷材长度为50~100m。对于桥梁加固工程而言，单层碳纤维布单位面积碳纤维质量不宜低于150g/m2，一般不超过450 g/m2，若施工质量有可靠保证的前提下，单层碳纤维布单位面积碳纤维质量可提高到600 g/m2。
粘结材料是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键，粘结材料需要有足够的刚度和强度，同时也要有足够的韧性。
粘结材料一般是由主剂和固化剂配制而成，通常分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型两种类型。主剂和固化剂按照工艺要求与规定的比例混合均匀，以形成所需要的底层树脂、找平树脂、粘结树脂。底层树脂、找平树脂的正拉粘结强度一般不得小于2.5mpa和被加固混凝土的抗拉强度标准值。粘结树脂在粘结材料中起着至关重要的作用，因此其性能指标要求一般按照表1内的数据来进行控制。
表1    粘结树脂性能指标要求

3 碳纤维布加固的受力特点
碳纤维布加固钢筋混凝土抗弯构件，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维布后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维布的应变很小，基本不发挥作用；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同受力，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。
碳纤维布加固混凝土构件，在提高其抗弯承载力时，还可能对抗弯构件的破坏形态产生影响。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被突然压碎破坏。同时，由于碳纤维为完全弹性材料，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，一旦发生拉断或剥离等脆性破坏，具有突发性，故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。
4 碳纤维布加固的施工技术与质量控制
（1）施工技术
碳纤维布加固技术是依赖于碳纤维布与混凝土表面的粘贴效率，所以一般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、裂缝及严重碳化等表面缺损，必须先进行修复，并应将粘贴基面打磨平整、整理干净，而且不应有尖锐楞角和浮灰粉尘，以防止碳纤维布的局部破坏和粘贴失效。
涂刷底层树脂时，一般按比例准确配制好胶水后搅拌均匀，且一次调和量应在可使用时间内用完，以确保粘结质量。在涂刷过程中，要用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上，实际施工时要注意直横均匀涂抹，自然风干。若在冬季施工时，则胶的粘度较高，不能涂得太厚，底胶硬化后，在表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光；待底胶手指接触干燥后，才可以涂刷找平树脂与粘结树脂。
用碳纤布加固混凝土构件，一般都采用薄布多层的粘贴方法，使其与粘结材料充分浸润，并用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使碳纤维布与浸渍树脂充分结合，以确保粘结效率。由于在实际施工过程中，经常需要对碳纤维布进行搭接和截断处理，对于加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和?芡涔辜芾募庸獭８莨谕舛蕴枷宋加牖炷良涞恼辰崦痰氖匝榻峁辰嵊αχ饕杏诙瞬?/span>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区段，搭接长度不应小于100mm，且搭接端部应平整无翘曲。若碳纤维布需多层搭接，则各层接口位置，不应在同一面，其接口位置的相互净距一般应大于200mm。
在碳纤维布加固施工时，对于周围环境的温度和湿度都有一定的要求，一般施工时都应在5℃以上的温度条件下进行，且湿度过大对于树脂固化有着不利的影响，因此在雨天和可能结露的天气，应当停止施工。
（2）施工时质量控制
⑴ 施工温度
由于环氧树脂在低温下固化过程比较缓慢，涂层不易均匀，因此一般施工温度都选择在15℃~28℃的温度下进行施工。如果施工时气温较低，必须采取相应得加温养护措施，如用紫外线灯烘烤等措施来进行施工。
⑵ 应保持成型所需要的压力
桥梁粘结加固补强工程，大多数都是在梁（板）的底面进行，由上而下进行粘贴。无论采用哪一种补强材料，如果成型时施加的压力不足，势必会造成加固补强层下坠，与混凝土之间的粘合不紧密，以致使补强层材料发生脱落，影响加固补强的效果，特别对于较长的梁体加固而言，可以在粘贴范围内设置碳纤维布u型箍锚固（图2）。u型箍应在粘贴范围内均匀布置，、而且一般在端部需设置一道，u型箍的粘贴高度宜伸至板底面，每道u型箍的宽度与厚度均不宜小于受弯加固碳纤维布宽度的一半。
⑶ 空鼓处理
粘贴时树脂涂刷要均匀，并用力刮平，将气泡挤出来，以免形成空鼓和脱胶，影响加固补强的效果。若检查发现粘贴出现了空鼓现象，可采取注入环氧树脂法、割刀切入填充树脂修补法、补丁修补法等措施予以弥补。
5 工程效果
（1）金山区兴塔南徐渡桥
该桥是八十年代由上海市金山区水利部门建造的单孔56m钢筋混凝土桁架拱桥，横断面为3片桁架拱加微弯桥面板组成。桥面全长65m，桥面总宽6.1m。原桥梁设计荷载等级为汽车-10级，履带-50。根据建设单位的要求，将桥梁结构荷载等级提高为汽车-15级，经验算，跨中约l/3范围内的正弯矩不足，距桥台约l/3位置处的负弯矩不足，为避免对原结构产生新的损伤，因而采用碳纤维布加固的措施。桥梁各肋上下缘，粘贴碳纤维布加固，碳纤维布采用厚度0.167mm，重度300g/m，纤维抗张强度不小于3500mp,拱肋上缘负弯矩区10m范围内采用粘贴两层碳纤维布进行加固，下缘跨中正弯矩区段采用粘贴三层碳纤维布进行加固。粘贴完成后表面涂刷一层水泥砂浆，使结构外观颜色一致。经过荷载试验表明，桥梁在经过碳纤维布加固补强后，桥梁的荷载等级由汽车-10级，履带-50提高到了汽车-15级，满足了车辆通行能力的要求。
（2）沪宁高速公?妨⒔还こ?/span>2#a独立机孔桥
该桥为单跨简支板梁桥，主梁为普通钢筋混凝土板梁，桥长8m，拓宽桥梁分为左右两幅桥,桥宽总计21.5m，桥台为重力式素混凝土桥台。由于桥台台身没有布设钢筋，上部结构板梁产生的温度应力通过支座传递至桥台，致使台身受弯，出现横向裂缝。经现场观测，桥台台身距台帽40~60cm处有横桥向裂缝，裂缝细长。
为保证结构安全和避免裂缝进一步增大提高桥梁台身的抗弯能力，针对台身裂缝，进行了加固维修。首先原有台身裂缝均采用持续低压注射修补工法进行修补，再用环氧砂浆封闭裂缝。然后采用对碳纤维布对桥台台身进行加固，碳纤维布间距为1m一道，每道粘贴三层碳纤维布，碳纤维布采用宽度250mm，厚度0.11mm，纤维抗张强度不小于3400mpa,拉伸弹性率2.45x105mpa,两幅桥碳纤维布面积共48.2m2。桥台台身在使用碳纤维布加固后，经过了三年左右的运营，台身裂缝的生长得到了有效的遏制与封闭，桥梁病害得到了很大程度的缓解，从而提高了桥梁结构的整体安全性能。
6 小结
粘贴碳纤维布结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用。该项技术是结构性加固技术，对于桥梁的安全运行致关重要。加固施工时，务必严格控制原材料质量和施工质量，以充实发挥该项技术的优势。