碳纤维布在G315线若羌桥梁加固技术的应用.doc

碳纤维布在国道315线桥梁加固中的应用

摘 要：通过G315线桥梁维修加固的实例，简要介绍碳纤维布加固梁板在桥梁加固维修中的应用，重点说明施工工艺及施工过程中的质量控制要点，为推广应用创造条件。
关键词：碳纤维布 维修加固

一、前言
碳纤维布加固修复混凝土结构技术最近几年在新疆桥梁维修加固中得到初步推广和应用，该项技术比传统的结构加固方法具有明显的高强、高效、施工便捷、适用面广等优越性。本文所叙述的加固工程是2008年G315线若羌至且末路段桥梁采用碳纤维布加固技术达到桥梁加固的事例，以推动该技术在新疆交通行业迅速应用与发展。
二、工程简介
G315线K1545+953处小桥是一座2孔8m的钢筋混凝土空心板简支梁桥，桥梁全长24.88m，上部采用装配式钢筋混凝土矩形板，下部采用扩大基础。该桥与2005年8月建成通车，该桥运营三年后，2008年7月由库尔勒公路管理局桥涵调查组对该桥进行了全面检查，检查发现该桥矩形板的板底表面横向有较多的裂缝，间距在20-50cm，缝宽多在0.1mm、0.20mm，最宽处0.30mm。
为了解K1545+953小桥使用过程中的安全性能，确保在车辆通行过程中安全、稳定，特委托具有相应检测资质的新疆交通科研院路检实验中心全面检测评估了此桥的强度、安全性能以及在试验荷载作用下的工作状态。
通过新疆交通科研院路检实验中心的现场静力荷载试验，测定桥梁主跨结构在标准设计荷载作用下控制截面的和挠度的数据分析，虽然所有挠度值没有超过理论计算值，但该桥的2号、3号、4号、5号、6号梁的结构应变校验系数超标，尤其是5号梁的结构应变校验系数达到1.87，已远远超出规定的容许值0.7，实测值和理论值的关系曲线呈下弯趋势，8号、9号梁的相对残余应变超出规定的20%。试验结论为：虽然该小桥在试验荷载的作用下，挠度值没有超过理论计算值，但该桥第一孔的2、3、4、5、6号梁的结构应变校验系数超标，必须对原桥进行补强加固处理才能使承载能力达到原设计标准。
三、加固维修方案
根据新疆交通科研院路检实验中心检测结果及建议，为尽可能短的时间内完成加固维修任务，又不增加原桥荷载，且能对裂缝进行封闭处理，该桥采用了碳纤维布加固处理方案。该桥的2号、3号、4号、5号、6号梁板的表面横向有较多的裂缝，间距在20cm-50cm，决定对这五块板进行碳纤维布加固处理。（梁板底面裂缝宽度小于0.25mm的采用碳纤维布进行加固处理，裂缝宽度超过0.25mm的采取换板处理。）
1 碳纤维布加固机理
碳纤维布优异的物理性能、力学性能使其可用于结构构件的抗弯、抗剪加固，碳纤维布抗拉强度可达3500Mpa以上，为普通钢材强度的十几倍，而比重仅为180kg/m3，仅为钢材比重的1/4。
其加固机理：利用浸渍树脂将高强度、高弹模的碳纤维布粘贴与混凝土构件受拉区表面或薄弱部位，用以代替需增设的补强钢筋，使之与结构形成整体，共同工作，从而使其高品质得到充分发挥，达到提高构件承载能力的目的。
简单地说就是在梁底面粘贴碳纤维布，梁底的碳纤维布相当于增设的抗拉钢筋。通过碳纤维布和原构件的共同作用，提高梁的抗弯承载力。
混凝土压力Nb
构件抗弯加固形式见下图：
钢筋拉力Ng
矩形板
碳纤维布拉力Nc
·····
粘贴一层碳纤维布
支座

桥台

桥台

2 碳纤维布加固主要材料及力学性能指标
①碳纤维布
本工程邀请了武汉长江加固技术有限公司专业人员进行加固。加固采用长江加固CJ200型高强度I级碳纤维布（单向纤维）进行加固，主要力学性能指标如下：
表1 长江加固CJ型高强度I级碳纤维布（单向纤维）主要力学性能
性能
抗拉强度(Mpa)
受拉弹性模量(Mpa)
伸长率(%)
弯曲强度(Mpa)
层间剪切强度(Mpa)
仰贴条件下纤维复合材料
与混凝土正拉粘结强度
(Mpa)
单位面积质量（g/m2）
指标
≧3400
≧2.4×105
≧1.7
≧700
≧45
≧2.5,且为混凝土内聚破坏
≤300
②粘结材料
粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键，也是两者之间传力途径中的薄弱环节。因此，粘结材料应有足够的刚度与强度保证碳纤维布与混凝土间剪力的传力。同时应有足够的韧性，不会因为混凝土开裂导致脆性粘性破坏。此外，桥梁加固均在野外，粘结材料还应能在一般气候条件下固化，且固化时间合适（一般保证有3小时左右），对组分含量不敏感，具有适宜的流动性和粘度，固化收缩率小。
粘结材料主要包括三类材料：底层涂料、整平材料和浸渍材料。本工程采用武汉长江加固技术有限公司“YZJ-C纤维复合材料专用配套结构胶”， YZJ-C纤维复合材料专用配套结构胶，包括：YZJ-CQ浸渍胶（简称CQ胶）、YZJ-CD基底胶（简称CD胶）和YZJ-CZ修补胶（简称CZ胶），它们配套使用于纤维加固混凝土工程。其主要技术指标见表2、表3、表4、表5。
表2 YZJ-C纤维复合材料专用配套结构胶
名 称
组 份
形 态
用 途
YZJ-CQ浸渍胶
A
绿色液体
粘贴碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维布、芳纶纤维布等
B
灰黑色液体
YZJ-CD基底胶
A
桔红色液体
在混凝土构件上使用的底胶
B
棕色液体
YZJ-CZ修补胶
A
土黄色膏状
用于构件的找平，和CQ胶、CD胶配套使用
B
黑色膏状

表3 YZJ-CD基底胶（简称CD胶）技术指标
性能项目
性能要求
检验标准
A级
B级
钢-钢粘接拉剪强度(MPa)
≥14
≥10
GB/T7124
与混凝土的正拉粘结强度(Mpa)
≥2.5且为混凝土内聚破坏
GB/50367附录F
混合后初始粘度(23℃时)(Mpa)
≤6000
GB/T12007.4
湿热老化后抗剪强度降低率(%)
90天,强度降底<10%
90天强度降底<15%
GB/50367附录L
冻融循环50次后抗剪强度降低率(%)
≤5
SD-105-82

表4 YZJ-CZ修补胶（简称CZ胶）技术指标
性能项目
性能要求
检验标准
胶体拉伸强度(MPa)
≥30
GB/T2568
胶体抗弯强度(MPa)
≥40且不呈脆性(碎裂状)破坏
GB/T257O
与混凝土正拉粘结强度(MPa)
≥2.5且为混凝土内聚破坏
GB/50367附录 F

表5 YZJ-CQ浸渍（简称CQ胶）技术指标
性能项目
性能要求
检验标准
A级
B级
胶体性能
抗拉强度(MPa)
≥40
≥30
GB/T2568
受拉弹性模量(MPa)
≥2.5×103
≥1.5×103
伸长率(%)
≥1.5
抗弯强度(MPa)
≥50
≥40
GB/T2570
且不得呈脆性(碎裂状)破坏
抗压强度(MPa)
≥70
GB/T2569
粘接性能
钢-钢拉伸抗剪强度(MPa)
≥14
≥10
GB/T7124
钢-钢不均匀扯离强度(KN/m)
≥20
≥15
GJB94
与混凝土正拉粘结强度(MPa)
≥2.5,且为混凝土内聚破坏
GB/50367
附录 F
其它性能
湿热老化后抗剪强度降低率(%)
90天强度降底<10%
90天强度降底<15%
GB/50367
附录L
冻融循环50次后抗剪强度降低率(%)
≤5
SD105-82
四、碳纤维布加固桥梁施工工艺与步骤
碳纤维布加固桥梁梁板施工工艺流程：
被粘结混凝土表面处理→涂刷CD基底→CZ修补胶混凝土修补、平整→指触为干时涂刷CQ浸渍胶→碳纤维材料加工→粘贴碳纤维材料→养护固化
1、准备工作
加固前应对桥梁尽可能卸载，同时停止交通，若封闭交通困难，可采取半幅加固施工，半幅减速慢行通车，以减少汽车通行造成的震动对粘贴效果的影响。
主要材料准备：底胶、粘着胶、浸渍胶、碳纤维布。
辅助材料：发电机（3千瓦）一台、专用滚筒、角向磨光机、剪刀、凿子、刮板、吹风机、榔头、量具、台秤、钢卷尺、扫帚、口罩、专用剪刀、橡胶手套、注射器、钢丝刷、钢铲、丙酮、塑料盆、桶、液化气瓶燃具一套等。
搭设脚手架：按安全规程要求搭设好脚手架，高度以满足施工要求和施工方便。
2、基底处理
粘贴碳纤维布之前检查作业施工区桥板底面有无残渣，桥板之间封缝处有无木模碎片及其它残物，如有应先清除。对应加固的桥底板基面进行磨光处理；用打磨机凿毛，打磨时应按磨光机正确使用方法接好电源，先调试磨光机顺时针旋转方向进行打磨操作，打磨时磨光片应与桥板底面水平方向一致，做到打磨平整，除去1-2mm表面风化层，磨除混凝土表面浮层，露出细石面。凿毛完后应清除基面粉层、油污，对于油污渗透较深的地方，用丙酮清洗干净。对夹角部位整成弧状（圆弧半径大于3CM），对于凸陷部位用CZ修补胶找平处理。
3、涂底胶和找平
涂刷CD基底胶：在粘贴碳纤布之前，在需粘布的基面上按包装桶上要求比例配制底胶。YZJ-CD胶A桶装与YZJ-CD胶B桶装3：1。该胶优势是渗入混凝土层效果良好。搅拌开始先检查桶装原料各组份胶是否出现分层现象若有分层，则应将其混均后再行配胶，按3：1组份放入溶器后，应用搅拌工具将胶搅拌均匀时间大约2-3分钟为宜，搅拌应顺时针一个方向搅拌，直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入。拌制数量应根据施工人员而定。一次拌胶不应超过4-8公斤。用毛刷滚筒将配制好的胶在基面上涂刷一层，每平方米0.2-0.3公斤为宜。涂涮时应注意涂满，不得留有针孔。
找平（或修补）：加固的混凝土构件表面不平整或有缺陷，当底胶指触干燥后用CZ胶修补或找平；如构件平整完好可不用CZ胶，CZ胶的配制按包装桶上的要求配制。
4、涂刷CQ胶
底胶涂刷完成后检查有否漏涂地方如有漏涂，应补上CD胶，根据当时气侯CD胶涂在基面层后约40分钟，指触干燥后涂刷CQ胶。YZJ-CQ胶A桶装与YZJ-CQ胶B桶装胶按3：1放入溶器。先检查桶装原材料各组份是否出现分层现象；若有分层将其混均后再进行配胶。放入溶器胶应用搅拌工具（用木棍、钢铲）搅拌均匀，搅拌应顺时针一个方向搅拌，直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入，时间2-3分钟，每次搅拌的料根据施工人员组合情况在半小时以内能用完为宜。搅拌好的料用毛刷、滚筒均匀涂抹在CD胶的基面上，每平方米0.6～0.8kg为宜。
5、粘贴碳纤维布
（1）碳纤维布下料
裁剪碳纤维布尽量采用专用裁剪纤维布剪刀，专用裁剪纤维布剪刀用于裁剪各种纤维布，裁剪迅速而整齐，而且可以避免在裁剪过程中出现的毛边现象，从而提高工效，节约材料，降低工程成本。碳纤维布受力是顺布纤维伸长方面受力，椐桥板底需加固长度进行下料，用专用裁剪纤维布剪刀按编织线进行长度裁剪，不得剪切成斜型，剪好的碳布卷成筒状（不准拆叠）放入纸箱内待用。
此次采用的长江加固CJ200型高强度I级碳纤维布（单向纤维）宽度为0.5米，长度100米为一卷。本工程8m小桥碳纤维布下料长度以小桥内径为准，宽度为板宽（中板宽度为99cm）全幅粘贴，即裁剪长度相同的两幅碳纤维布粘贴一块梁板，纤维纬向搭接宽度50mm。
（2）碳纤维布粘贴
将按桥板封缝长度碳纤维布在涂抹好的CQ胶基面上展开粘贴，连铺边用软刮在碳布上将布刮平，让CQ胶体由里向外挤出，并采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤压气泡，使浸渍树脂充分渗透纤维布，滚压时不得损坏碳纤维布。出现空鼓等粘贴不密实现象，应采取针管注胶的方法进行补救。
碳纤维布粘贴时，要稳、准、匀，核心要求做到放卷用力适度，使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅。浸透碳纤维粘贴完毕后，再在碳纤维布表面涂料一次CQ胶，起到保护碳纤维表面的作用。粘贴碳纤布时应细心，横平竖直，不得有折皱现象。施工人员必须在专业技术人员的指导下进行，以确保加固质量。
碳纤维布在受力方向尽量不要搭接，如需搭接，则沿碳纤维方向的搭接长度不得小于200mm，而纬向搭接长度不小于50mm。粘贴完碳纤维布后，对板间勾缝脱落的重新进行勾缝处理。
五、碳纤维布加固桥梁施工质量控制要点及检验与验收
1、原材料必须有碳纤维布及其配套胶生产厂家所提供的材料检验证明。必要时可对碳纤维片材和配套树脂类粘结材料进行现场取样检验。
2、采用碳纤维片材及配套树脂类粘结材料对混凝土结构进行加固修复时，严格按照《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS146:2003（2007版）进行各项隐蔽工程检验与验收。如施工质量不能满足上述条款时，应立即采取补救措施或返工。
3、决定施工质量的关键是加固部位混凝土表面处理质量及碳纤维布滚压密实度。施工时需特别注意，以免发生界面剥离，影响加固效果。
4、碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量可用小锤敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查，总有效粘结面积不应低于95%，当碳纤维布的空鼓面积小于10000mm2时，可采用针管注胶的方式补救，空鼓面积大于10000mm2时，宜将空鼓处的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。
5、施工质量检验及验收标准，见表6。
表6 施工质量检验及验收标准
序号
检验项目
合格标准
检验方法
频数
1
粘贴位置
与设计位置比较，中心偏差≤10mm。
钢尺测量
全部
2
粘贴量
≥设计数量
实测计算
全部
3
粘贴质量
（1）单个空鼓面积<100mm2割除修补。
（2）空鼓面积站总粘贴面积<5％。
锤击法或其它方法
全部或抽样

六、施工安全及注意事项
1、碳纤维布为导电材料，施工碳纤维布时应远离电气设备及电源，或采取可靠的防护措施。施工过程中应避免碳纤维布的弯折。
2、碳纤维布配套结构胶的原材应密封储存，远离火源，避免阳光直射。结构胶的配制和使用场所应保持通风良好。结构胶材料不得污染生活水源，废弃物不得倒入下水道，应按环保要求进行集中处理。
3、结构胶材料保质期限：常温密封保存，储存期12个月。若超过12个月，则应按GB50367-2006中碳纤维复合材料浸渍/粘接用胶粘剂安全性能A级胶标准指标检测，如各项物理力学性能达到标准要求，则仍可继续使用。
4、现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。操作人员按操作工序和工作对象必须戴绝缘手套，戴目镜和口罩。
5、粘贴碳纤维布施工时及粘结胶固化期内，应避免重型车辆通行，小型车辆应控制车速，避免引起桥面竖向震动。还应限制通行，以最大限度降低荷载影响。
6、桥梁加固后，仍需限载、限速通行。限载60T，限速20km/h，桥上辆车间距不应小于60m，严禁重车在桥上紧急制动，若当地交通主管部门有其它方面的考虑，可酌情降低荷载标准。
7、冬季气温低于0℃时，可采用液化气燃烧水煮胶体的加热方法，进行施工。

七、 碳纤维布的优点及应用
自重轻：施工方便快捷、几乎不增加结构荷载；
强度高：能灵活地用于抗弯、封闭箍和抗剪能力；
柔韧性好：不受结构（梁、柱、管道、墙体等）外形限制；
耐久性好：抗化学腐蚀和恶劣环境气候变化的能力强，抗高温、抗腐蚀、抗震性能好，永久不生锈、无老化；
适用范围广：混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固；一般建筑物的梁、板、柱，桥梁的墩、面及隧道烟囱等皆可使用碳纤维布进行结构补强。

八、加固后的效果：
2008年G315线若羌至且末路段采用碳纤维布加固桥梁11座，其中大桥一座（24-20m），小桥10座（其中1-8m小桥5座、2-8m小桥4座、3-8m小桥1座），碳纤维布加固桥梁梁板板底面积1050m2，主要是对梁板板底出现裂缝（大桥预应力空心板纵向裂缝、小桥矩形板横向裂缝），裂缝宽度不大于0.25mm的均采用碳纤维布满幅粘贴与梁板底部一层，使之与结构形成整体，达到提高构件承载能力的目的。
2011年年底检查碳纤维布加固效果，一切使用良好，没有出现碳纤维布脱落、开裂、损坏现象，依然比较稳固地粘贴在梁板底部，不仅永久性封闭了梁板裂缝，而且其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成和扩展。用碳纤维布加固的桥梁，其桥面铺装营运至今从未出现病害，由此可见，碳纤维材料加固结构技术的优点很明显，应用前景很光明。

参考文献：
1.《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS146:2003（2007版）
2.《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006