碳纤维布加固桥梁的工艺和技术要点

引言 “十二五”期间，交通运输部全面启动农村公路危 桥改造加固工程，安徽省委、省政府更是将该项工程 列入３３项民生工程。但由于农村公路桥梁的建设资 金都十分有限，不可能对技术状况差的桥梁均进行拆 除重建。实践证明，采用适当的维修加固技术措施， 对恢复和提高公路旧桥的使用功能和承载能力，延长 桥梁的使用寿命，以满足现代交通运输的需要是可行 的。国内旧桥维修加固或改造的经验表明，一般情况 下，桥梁的加固维修费用约为新建桥梁费用的５％～ ３０％。本文结合潜山县鲁坦河桥加固实例，对碳纤维 布加固工艺和技术要点进行全面介绍和分析。

１　老桥概况及加固方案 鲁坦河桥设计荷载等级为公路－Ⅱ级，上部结构 为３×２０ｍ的钢筋混凝土Ｔ形梁桥，下部结构为双 柱式桥墩（台）、灌注桩基础，全长６６．０４ｍ。桥梁建 成通车数年，由于长期受过往运输砂石材料的超载车 辆作用，致使梁肋较多范围均出现粗细不一细裂纹， 主梁端约５．０ｍ 范围内产生多条宽度大于０．２ｍｍ 以上斜裂缝。 加固方案：① 对宽度小于０．２ｍｍ 的裂缝采用 环氧树脂封闭。② 对宽度大于０．２ｍｍ的裂缝采用 环氧树脂灌缝处理。③ 裂缝胀裂脱落，钢筋锈蚀的 则凿除混凝土进行修补。④ 清理包括病害在内的粘 贴部位，粘贴碳纤维布加固。 ２　材料性能及施工技术 ２．１　选购原材料 ２．１．１　碳纤维布加固 （１）性能指标：必须选用安全性、耐久性好，厚度 不小于０．１６７ｍｍ，单位面积在２００～３００ｇ／ｍ２ 之间 的小丝束聚丙烯腈基（ＰＡＮ 基）纤维，不得使用大丝 束纤维、沥青基（ＰＩＴＣＨ）碳纤维或粘胶基（ＲＡＹＯＮ） 碳纤维［１］。 （２）纤维排列方向：优选单向、慎选双向、禁选多 向纤维布。纤维复合材料技术要求，见表１所列。 表１　纤维复合材料技术要求 纤维类别 抗拉强度标准值 ／ＭＰａ 弹性模量 ／ＭＰａ 伸长率 ／（％） 弯曲强度 ／ＭＰａ 纤维复合材料－混凝土 正拉粘结强度／ＭＰａ 层间剪切 强度／ＭＰａ ＣＦＲＰ－１－３００－６００Ⅰ级≥３　５００ ≥２．４×１０５ ≥１．７ ≥７００ ≥２．５且为混凝土内聚破坏≥４５ ２．１．２　粘贴ＣＦＲＰ用胶粘剂 （１）粘结胶应有足够的刚度和强度保证碳纤维 与混凝土间剪力的传递，同时应有足够的韧性，不会 因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。 （２）由于旧桥加固均在野外，粘结胶能在一般气 候条件下固化，且固化时间合适（一般保证有３ｈ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。 建造技术 Ｊ　Ｉ程东文：碳纤维布加固桥梁的工艺和技术要点 　Ａ　Ｎ　Ｚ　Ａ　Ｏ　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ　Ｕ 《工程与建设》　２０１３年第２７卷第４期 ５　５５ （３）桥梁加固用浸渍、粘贴纤维复合材料的胶粘 剂所采用的底胶与修补胶应与之相适配。密度应在 １　１００～１　７００ｋｇ／ｍ３之间，并具有良好的耐久性能， 特别是耐湿热老化性能。不得采用不饱和聚酯树脂、 醇酸树脂。 （４）混凝土桥梁加固用胶粘剂应进行毒性检验； 不得使用乙二胺作为固化剂；不得在其中掺入挥发性 有害溶剂和非反应性稀释剂。

（５）表层树脂性能指标，正拉粘结强度≥２．５ ＭＰａ，且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值。浸渍 树脂的性能指标，见表２所列。 表２　浸渍树脂的性能指标 性能项目性能指标 拉伸剪切强度／ＭＰａ ≥１０ 拉伸强度／ＭＰａ ≥３０ 压缩强度／ＭＰａ ≥７０ 弯曲强度／ＭＰａ ≥４０ 弹性模量／ＭＰａ ≥１　５００ 伸长率／（％） ≥１．５ ２．１．３　裂缝修补胶，聚合物水泥注浆料 （１）修补用料性能指标：浆液粘度小，渗透性、可 灌性好；固化后收缩性小，固化时间可调节，灌浆工艺 方便，固化后无有害化学物质残留。 （２）修补材料性能及试验方法。可灌注性：现场 试验，灌注固化后钻芯取样检验。若仅用于表面封闭 修补时，可以不做此项检验。注浆效果：修补胶达到 ７ｄ固化期时，钻芯取样检验，观察混凝土界面的粘 结情况及饱满程度；芯样采用劈裂抗拉强度测定方 法，沿裂缝方向施加劈力，要求破坏发生在混凝土部 分（内聚破坏），或者发生在界面上的破坏面积小于破 坏面总面积的１５％。 ２．１．４　实验项目 （１）抗拉强度标准值。 （２）纤维复合材料与混凝土正拉粘结强度（侧 贴、仰贴条件）。

（３）层间剪切强度。 （４）注意事项：① 纤维与胶粘剂“配伍”问题，直 接关系到加固的成败；进场前须进行安全性和适配 性试验。② 施工过程中如果纤维或胶粘剂发生改 变，须重新进行安全性和适配性试验。③ 配胶：称量 准确；拌和均匀；搅拌方向一致；超过可使用时间不得 再用。 ２．２　施工工艺及要点 ２．２．１　工前准备 施工前应做好桥位区域管线调查，作业现场要设 置交通标志，并设专人负责维持交通，并取得相关部 门的配合。作业人员须系安全带和戴安全帽［２］。 ２．２．２　支架搭设 根据基础的情况，采用换填、碾压、夯实等方法处 理，确保地基承载力达到设计要求。 严格进行钢管、扣件的质量检查，有裂缝、严重锈 蚀、薄壁、变形的严禁使用。 支架总体构造和细部构造均应设置成几何不变 体系；支架立杆之间应根据其受力要求和结构特点设 置水平和斜向等支撑连接杆件，增强支架的整体刚度 和稳定性。当采用碗扣式脚手架材料作支架时，还应 根据支架所承受实际荷载选择立杆的间距和布距。 底层必须设置距地面高度应小于或等于３５０ｍｍ 的 纵、横向扫地杆，应错开布置在立杆的两侧，以减少立 杆偏心受载情况。立杆间距大于１．５ｍ 时，应在拐 角处设置通高的专用斜杆，中间剪力撑宜与立杆同步 搭设，剪刀撑斜杆与地面的夹角应在４５°～６０° 之间［３］。 ２．２．３　底层处理 对梁（板）体构件混凝土面层的不良部分（例如剥 落、孔隙、蜂窝、麻面、腐蚀等）清除干净至结构密实 部分。 表面凸出部分（小突起等）以切割机或砂轮机将 其铲除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以环氧树 脂补齐或树脂砂浆填补。 转角处需研磨至凸角Ｒ≥２５ｍｍ（Ｒ 为曲率半 径）以上，凹角则以树脂砂浆填补成圆弧倒角。用空 气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质 去除并研磨，用水洗净后，必须使其充分干燥。 若有钢筋外露情形，必须先做好防蚀处理，再以 强度相等或大于原混凝土的环氧树脂砂浆材料修补， 修复到原表面的平整度。

２．２．４　修补裂缝 根据裂缝性质，随宽度、深度不同选择不同处理 方法。修补前要对修补部位的裂缝情况进行详细的 检查、记录和标注，绘制裂缝分布图，以便对结构受损 部位的所有裂缝做好定量和定性的分析［４］。据此进 行有关灌浆材料的配量、埋嘴、灌浆等方面具体计划 和安排。 建造技术 Ｊ　Ｉ　Ａ　Ｎ　Ｚ　Ａ　Ｏ　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ　Ｕ 程东文：碳纤维布加固桥梁的工艺和技术要点 ５　５６ 《工程与建设》　２０１３年第２７卷第４期 （１）当宽度小于０．２ｍｍ 的裂缝采用环氧树脂 封闭。先在裂缝上口凿一Ｖ型槽，宽约１０～２０ｍｍ， 深约５ｍｍ，槽面应尽量平整；用钢丝刷或竹刷刷清 缝口并凿除其浮渣；手持皮老虎吹清缝内灰砂，用红 外线灯烘干混凝土表面，裂缝外宜用蘸有丙酮的纱头 洗擦一遍，保持槽内混凝土面无灰尘、油渍；在裂缝四 周涂一层环氧浆液，尽可能让环氧浆液渗入细裂中； 最后嵌入环氧砂浆，用刮刀使其平面与原混凝土面齐 平；加强环氧砂浆养护的温度控制，并防止受潮、受 振，待环氧砂浆硬化后即可。 （２）对宽度大于０．２ｍｍ的裂缝采用环氧树脂 灌缝处理，其处理方法可分为：凿槽法、钻孔法（鲁坦 河桥采用凿槽法），流程为： 首先对于混凝土构件上较宽（大于０．２ｍｍ）的 裂缝，应沿裂缝用钢钎或风镐凿成“Ｖ”形槽，槽宽与 槽深可根据裂缝深度和有利于封缝来确定。凿槽时 是沿裂缝打开，再向两侧加宽，凿完后用钢丝刷和压 缩空气清除槽内碎屑、浮尘、并用丙酮擦干表面。 用灰刀在底盘上抹一层厚约１ｍｍ的环氧胶泥， 将灌浆嘴的进浆孔骑缝粘贴在预定的位置上，注意在 一条裂缝上必须有进浆嘴、排气嘴、出浆嘴。 当灌浆嘴埋设牢固后，必须把其余裂缝全部封 闭，进行封缝或堵漏处理。封缝的方法是：先在Ｖ形 槽面上，人工用毛刷涂刷一层厚约１～２ｍｍ 的环氧 树脂基液，保证涂刷平整均匀，不出现气泡和波皱，再 用水泥砂浆嵌塞封闭。待封缝胶泥或水泥砂浆达到 一定强度后，应进行压气试漏检测，以检查封缝的密 闭效果。 试漏前沿封缝周边涂刷肥皂水，然后从灌浆嘴向 裂缝中充压缩空气，检查是否有漏气的地方。用一个 嘴充气，其他嘴临时封好。试气压力可比灌浆压力略 大０．１～０．２ＭＰａ，对漏气的部位进行补封至不漏为 止。浆液配制应严格按照所采用的灌缝胶粘材料的 配比及配制方法进行。一次配制浆液的数量，应以浆 液的凝固时间和进浆速度来确定。 灌浆是压力灌浆修补施工的关键工序，其要点如 下：灌浆机具、器具及管子在灌浆前应进行检查，合乎 要求后方可使用。接通管路，打开所有灌浆嘴上的阀 门，用压缩空气将孔道及裂缝吹干净；根据裂缝区域 大小，可采用单孔灌浆或分区群孔灌浆。在一条裂缝 上灌浆，可由一端到另一端；灌浆时，应待下一个排气 嘴出浆时立即关闭转芯阀，并按顺序进行。化学浆液 的灌浆压力可采用０．２ＭＰａ，水泥浆液的灌浆压力可 采用０．４～０．８ＭＰａ，压力应逐渐升高，防止骤然加 压［５］。灌浆停止的标志为吸浆率小于０．１Ｌ／ｍｉｎ，再 继续压注几分钟即可停止灌浆，关掉进浆嘴上的转芯 阀门；灌浆结束后，应立即拆除管道，并洗干净，化学 灌浆用丙酮冲洗管道和设备。 待缝内浆液达到初凝而不外流时，可拆下灌浆 嘴，再用环氧树脂胶泥或渗入水泥的灌浆液把灌浆嘴 处抹平封口；灌浆结束后，应检查灌缝质量和效果，发 现缺陷应及时修补，确保裂缝灌浆的修补质量。

２．２．５　涂刷底胶 将主剂和硬化剂依所规定的配比放置于拌和桶 中，使用电动搅拌机，使其均匀混合（约２ｍｉｎ）。一 次的拌和量为在可使用时间内的施工量，超过可使用 时间的材料，不可使用。 以毛刷滚轮均匀涂布，依现场状况决定是否涂布 第二道（初干之后）。涂布量随施工面的方向及粗糙 的程度有所变化。 施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必 须要穿戴保护装置（如口罩、护目镜及橡皮手套）。 ２．２．６　粘贴碳纤维布加固 碳纤维布加固切口横向用宽胶带纸粘贴固定，在宽胶 带纸正中位置进行裁切。 为防止保管期间内的破损，裁剪数量只裁所需使 用的数量。 施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆超 过一星期以上时，应以砂轮机磨平。 调配、搅拌粘贴环氧树脂（按１∶２比例），用毛刷 滚轮均匀涂布在底漆上，转角部分要多涂一些。 在确定所贴部位无误后，将裁剪好的碳纤维布加固卷 成桶状，由一端向另一端粘贴。用特制滚轮和橡皮刮 刀顺着纤维方向用力推平，使树脂浸透并去除气泡， 纤维（长向）方向的搭接长度至少要留１０ｃｍ，短向则 可不留；禁止刮刀、滚轮在纤维横向赶压。 两层以上强化纤维相叠贴时，应内短外长，截断 点之间要留一定距离，以免端头锚固传力在混凝土基 层表面处形成叠加，造成粘结失效［６］。 粘贴后放置３０ｍｉｎ，若纤维有浮出或脱线情形 发生时，以滚轮或橡皮刮刀压平修正。 涂刷面层用滚筒刷在碳纤维表面均匀涂抹面胶， 使碳纤维充分被浸润。涂刷后滚轮沿纤维方向滚压 ２～３次，使纤维内部浸透粘结胶，但不得将已粘好的 建造技术 Ｊ　Ｉ程东文：碳纤维布加固桥梁的工艺和技术要点 　Ａ　Ｎ　Ｚ　Ａ　Ｏ　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ　Ｕ 《工程与建设》　２０１３年第２７卷第４期 ５　５７ 碳纤维布加固卷起。 ２．２．７　养护 纤维加固施工完成后，待确认指触干燥后，应用 塑胶布覆盖，以防止雨淋及砂、灰尘等附着其上，同时 也应注意覆盖布不要碰触到施工面。 碳纤维布加固粘贴后达到设计强度所需的自然养护 时间：平均气温在１０℃以下，需要１４ｄ；平均气温在 １０℃以上２０℃以下时，需要７～１４ｄ；平均气温在 ２０℃以上，需要７ｄ［７］。 ２．２．８　涂刷表层防护 为增加外观效果，树脂初期固化后可根据业主需 要色彩和质量，按照相关标准和施工规范，在其表面 涂刷耐紫外线涂层或与原混凝土颜色相近的涂层［８］。

２．２．９检验与验收 碳纤维实际粘贴面积不应小于设计面积，位置偏 差不应大于１０ｍｍ；碳纤维与混凝土之间的粘结质量， 可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法进行 检查，总有效粘贴面积不应低于９５％。当碳纤维布加固的 空鼓面积不大于１０　０００ｍｍ２，可采用针管注胶的方法 进行修补；当碳纤维布加固的空鼓面积大于１０　０００ｍｍ２，宜 将空鼓部位的碳纤维布加固切除，重新搭接贴上等量的碳 纤维布，搭接长度不应小于２００ｍｍ［９］。 钻取芯样，取样部位由设计单位确定；取样数量 按裂缝注射或注浆的分区确定，每区≥２个芯样；芯 样骑缝钻取，避开内部钢筋；芯样直径≥５０ｍｍ；取芯 孔洞立即用强度高一等级的小石子混凝土填实。 ３　结束语 粘贴碳纤维布加固法就是用环氧树脂类化学胶 配制的或专用的粘结材料将碳纤维布加固粘贴于被加固 构件的表面，以提高构件的抗弯、抗剪承载力以及受 压构件的轴向抗压承载力。其工艺简单，无需大型设 备、模板、夹具等，操作简单易行，施工工期短［１０］；同 时具有不增加自重、不增加断面尺寸、对原结构不损 伤、耐腐蚀等优点。碳纤维布加固粘贴在梁（板）体表面， 不仅封闭了裂缝，还约束了混凝土裂缝的产生和发 展，提高构件的整体刚度。适用于配筋率偏低、钢筋 锈蚀严重以及承载力提高幅度要求不大、斜截面抗剪 不足时的小型构件（如跨径小的梁或板），应力复杂部 位（如箱梁腹板）以及包柱（使受压柱形成约束混凝 土，其作用机理类似箍筋）等。不适用于素混凝土构 件，包括配筋率不符合文献［１１］最小配筋率构造要求 的构件的加固。 〔参考文献〕 ［１］　ＪＴＧ／Ｔ　Ｊ２２－２００８，公路桥梁加固设计规范［Ｓ］． ［２］　ＪＴＧ　Ｈ３０－２００４，公路养护安全作业规程［Ｓ］． ［３］　ＪＴＧ／Ｔ　Ｊ５０－２０１１，公路桥涵施工技术规范［Ｓ］． ［４］　ＪＴＧ／Ｔ　Ｊ２３－２００８，公路桥梁加固施工技术规范［Ｓ］． ［５］　程华龙，程东文．农村公路主要病害防治技术指南［Ｍ］．合肥：合 肥工业大学出版社，２０１２． ［６］　ＣＥＣＳ　１４６－２００３，碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 ［Ｓ］． ［７］　孟玉平，于　涛．碳纤维布加固桥梁施工工艺［Ｊ］．公路交通科技 （应用技术版），２０１１（３）：９８－１００． ［８］　张靖育，朱金国．头巾滩大桥碳纤维耐久性加固［Ｊ］．安徽建筑， ２０１０（３）：９９． ［９］

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