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塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）31碳纤维材料在桥梁工程维修加固中的应用张夏，李晶晶（陕西交通职业技术学院，西安 710018）摘要：交通运输行业的发展对桥梁的承载能力提出了更高的要求，桥梁工程维修加固工作也因此受到了重视。碳纤维材料作为一种新型材料，各方面性能都比较突出，在二次加固施工时也比较适用，因此在桥梁维修加固中扮演着重要的角色。文章对碳纤维材料的特点和桥梁工程维修加固修补技术以及碳纤维材料在桥梁工程维修加固中的应用进行研究。关键词：表面处理；碳纤维；桥梁加固 doi：10.3969/j.issn.1671-6294.2023.02.0008Application of Carbon Fiber Materials in Bridge Engineering Maintenance and ReinforcementZhang Xia,Li Jingjing(Shaanxi College of Communications Technology,Xian 710018,China)Abstract:In order to meet the development of transportation industry,the carrying capacity of bridges is required to be higher and higher.Many bridge structures with long service life can not meet the load capacity of modern traffic,if a bridge is under a high load for a long time,cracks,aging and damage will occur on the whole bridge,so attention should be paid to the maintenance and reinforcement of the bridge.As a new type of material,carbon fiber material has an outstanding performance in every aspect,and also makes easy to conduct secondary reinforcement construction.This paper analyzes the characteristics of carbon fiber materials and the repair technology of bridge engineering maintenance and reinforcement,and the application of carbon fiber materials in bridge engineering maintenance and reinforcement.Keywords:surface treatment;carbon fiber;bridge reinforcement收稿日期：2022-07-15陕西省教育厅 2020 年度专项科学研究计划项目(20JK0520)桥梁是地面交通工具跨越危险地带的重要工具。随着汽车行业的不断发展，运输汽车的载重量也逐渐提升，而目前我国大部分桥梁建成已久，当时桥梁建设技术与材料的使用并不成熟，另外长达数十年的服役过程已经使其逐渐出现损坏与老化的问题，导致大部分桥梁的承重已经无法满足现代运输汽车的载重，潜在危险极大。因此针对已经出现问题的桥梁进行二次维修加固处理，使其满足现代化交通运输的载荷，是一件意义非凡的事情。桥梁维修加固中碳纤维材料的应用是近年来所研究并开发出的，由于自身出色的稳定性与极强的加固性能受到了业内的广泛关注。塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）321碳纤维材料在桥梁加固中的作用1.1碳纤维材料特点碳纤维是一种由有机纤维经过热处理转化后所得到的材料，通常由树脂基与碳纤维复合构成。碳纤维材料质量轻、密度小，可以将自重负荷有效降低，其韧性与强度也处于较高的水准1。除此之外，碳纤维材料的抗冲击性、稳定性等优点也比较突出，应用于桥梁工程维修加固时施工难度较小，桥梁的整体结构也不会受到损害，不会影响车辆的正常通行，因此受到此领域的青睐。1.2加固中碳纤维基本特性桥梁维修加固过程中，使用碳纤维材料进行施工所耗费的成本较低，而且施工过程较为简单，将以碳纤维材料为基础制成的碳纤维布以黏附树脂等方式贴至桥梁需要加固的区域，从而使载荷减小，起到加固桥梁的作用2。桥梁维修加固工程最重要的核心就是碳纤维布，将碳纤维材料制成布状结构，不但会减少局部应力的集中，而且避免了碳纤维布受到大载荷后出现失效与裂纹的现象发生。除此以外，黏结材料也是其中重要的部分，应具有耐高温、高强度以及黏结性能强的优点，确保桥梁部分可以与碳纤维布完美贴合，避免出现剥离与脱落的现象，使碳纤维布的功效发挥至最大3。2常见的桥梁维修加固技术2.1锚喷混凝土锚喷混凝土加固法主要是将混凝土、钢筋与桥梁构件相黏合，使新旧混凝土与锚杆混合成为全新的结构，在桥梁需要加固维修的部分进行喷射黏附。这种加固技术可使受损的结构应力重新恢复并均匀分布，应力集中得到了降低。此外，新旧混凝土与桥梁结构在加固完成后都会处于良好的状态，避免后续撕裂等现象的出现4。2.2改变结构受力体系桥梁在历经时间的洗礼后，可能表面以及整体结构并没有显著的损坏，但承载力会逐渐下降，如已无法满足现代化使用要求时，可以利用外部加设支架、铺设加固钢筋等方式来使桥梁受力体系得到加强，从而使桥梁自身的承载力得到提升，此方式被称为改变结构受力体系加固法。2.3粘贴钢板加固法粘贴钢板加固法简而言之，就是将钢板用有机树脂等黏结材料进行黏结，使钢板承担构件中的部分受力，确保钢板参与到加固整体构件当中。此加固法操作简单易行，且施工周期较短，可以使构件的力学性能得到有效加强，且构件的本身结构与外形均不受到影响，是最为普遍的加固类型，通常桥梁的部分构件出现偏心负荷过大或者变形弯曲的现象时会使用此方法来加固5。需格外注意的是，钢板的耐腐蚀性偏差，如受到腐蚀后，两者的黏结性会受到严重的影响，力学性能也会因此直线下降，因此此方法的使用也应考虑使用条件。3碳纤维加固施工技术在早期所使用的桥梁加固技术中，桥梁构件加固通常只是采用外加钢筋的方式，但是钢筋本身的耐腐蚀性较差，一旦出现腐蚀，强度便会下降。与此同时，钢筋的质量也偏大，当强度下降时会从构件脱落，加固作用也因此消失。而现代化桥梁工程维修加固以混凝土为主要材料，虽说混凝土稳定性较高，也能持续一段时间，但其会导致桥梁重量增加且后续还需经常养护，施工周期长并且十分复杂。而桥梁维修加固中使用碳纤维材料可使上述问题得到解决，碳纤维材料耐腐蚀性突出、性能十分稳定，拥有高强度、高弹性以及突出的抗拉强度，对于桥梁维修加固来说是较好的材料，而且质量较轻，可有效避免加固带来的负载6。碳纤维桥梁维修加固技术可以在不同的情况下进行使用，如加固混凝土梁、加固桥梁板桥等构件，均可以使预期效果完美展现，使耐久性能与稳定性得到明显的提升，通常情况下，碳纤维加固技术对不同加固类型的适应性如表 1 所示。桥梁维修加固工程采用碳纤维材料施工可具体划分为以下几个步骤：表面预处理，在历经33表1碳纤维加固技术对不同加固类型的适应性Tab.1Adaptability of carbon fiber reinforcement technology to different reinforcement types碳纤维加固技术 加固类型碳纤维片板碳纤维布梁桥加固抗弯最佳适用适用抗剪适用最佳适用板桥加固抗弯最佳适用适用抗剪无无墩柱加固抗弯适用最佳适用抗震无适用抗偏压适用最佳适用薄壁墙加固抗弯最佳适用适用抗剪无最佳适用抗震适用适用数十年服役后，桥梁表面的混凝土会出现劣化层，大多数由风化混凝土、灰渍所组成，会导致混凝土与碳纤维材料的黏结性受到影响。因此在进行桥梁维修加固工作前，需对桥梁表面进行打磨处理，除去劣化层并洗刷掉表面杂质颗粒7。断层恢复，将老化混凝土表面的劣化层清理完成后，为了防止施工过程中混凝土结构所含的钢筋受到腐蚀，应选择有机树脂来针对混凝土中的裂缝以及孔隙开展填充工作，在此环节中外部的钢筋也应使用有机树脂材料覆盖，预防腐蚀的现象出现。除此之外，还需注意混凝土的抗渗性，勿在混凝土结构中掺水。表面修复，碳纤维材料只能在光滑平面上进行黏结，因此桥梁表面凸起的部分应打磨平整，而凹进去的部分应使用有机树脂材料来进行填充修复。底层涂料，该环节需在适合的湿度与温度下开展，选择适用的涂料均匀涂抹受损的表面，确保没有遗漏，施工完成后应不间断地对表面进行维护，避免表面出现损伤，确保通风8。粘贴碳纤维材料，等底层涂料涂抹均匀并彻底干燥以后，根据桥梁受损范围将碳纤维材料制作成碳纤维布，后使用有机树脂将碳纤维布黏合在需要维修加固的区域，黏合完成后还应用力按压表面使其变得更加牢固，并排出两者缝隙间的空气，特殊情况需黏接多层碳纤维时将上述步骤重复操作即可。后期保养，碳纤维布在黏合至受损区域后，在没有彻底黏合前应注意环境的温度，不能太低也不能太高，否则黏接剂会失效，而成型后也应时刻关注温度，避免高温导致黏接性能下降，可在表面涂抹功能性涂料来防止此情况发生。碳纤维加固技术所包含的优点如下：化学、物理性能稳定，碳纤维作为新型优良材料，可以适用于多数的气候与场所以及一些极端环境。由于碳纤维材料自身的性能比较突出，在桥梁维修加固中的应用范围也不断扩大，许多极端环境下的桥梁服役时间都得到了延长9。力学性能节点加固，局部应力集中会得到有效分散，使结构抗压等力学性能得到提升。除此之外，碳纤维材料韧性比较突出，对于抗疲劳与抗冲击也有一定的良好表现。施工简单易行，碳纤维材料的黏合过程较为简单，无须利用庞大的人力、物力与工程设备，后期养护也较为便捷10。自重偏低，碳纤维材料自身的密度较小，与同体积的金属与混凝土相比，碳纤维材料与黏合剂的总自重不到其 30%，但碳纤维材料的抗拉强度却高出两种材料数倍。与两种材料相比，应用碳纤维材料不但可使结构件的力学性能得到加强，而且无须担心维修加固所带来的自重提升11。4碳纤维加固性能桥梁工程碳纤维维修加固处理中，高弹性碳纤维的应用可以使单向排列成束。此情况也被统称为碳纤维布，碳纤维片大多数使用树脂片来黏贴，主要适用于需要加固构件的区域，树脂完成固化后，与元件形成一个全新的受力复合体来分担受力。4.1碳纤维布特性碳纤维布的拉伸强度在 2 3003 300 MPa，弹性模量可依据力学性能的不同被划分为低模量、中模量以及高模量三种。采用的碳纤维布为 TORAY 公司所制的卡本 CFP 系列碳纤维材料，其中纤维含量高达 70%，综合性能远超 GB 503672006混凝土结构加固设计规范中碳纤维板材性能指标的要求，其应用范围较为广泛，如表 2 所示12。张夏，等：碳纤维材料在桥梁工程维修加固中的应用塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）344.2黏结材料特性仅凭碳纤维布自身，还无法使碳纤维材料强大的力学性能与耐久性得到充分发挥。在承受较低载荷时，碳纤维布中的部分碳纤维丝由于应力水平偏高在抗拉强度达到一定阶段后会提前退出工作状态，碳纤维丝会随之持续断裂，直到彻底破损。而黏结材料的使用会使所有的碳纤维丝全部正常工作，大幅度提升碳纤维布的抗拉强度13。由此可知，碳纤维布加固中黏结材料起非常关键的作用，它不仅要保证碳纤维丝处于共同工作的状态，还要保证加固结构与碳纤维布是在一起工作，从而实现加固补强的目标14。黏结材料通常使用有机树脂，因此有机树脂的性能是重要参考指标之一。黏结材料还应具备较强的强度，确保混凝土与碳纤维布之间的剪力传递。此外，韧性也应比较突出，这样混凝土在开裂时不会导致黏结受到破坏。5结语我国的发展对桥梁地面交通运输承载力需求提出了更高的要求，由于桥梁拆除重新构建所花费的成本过于庞大，因而桥梁维修加固成为增加桥梁承载力的重要选择。桥梁维修加固碳纤维材料的应用是近几十年新出现的加固技术，其优点是其他加固技术无法比拟的。在碳纤维加固技术实际应用过程中，还需对每个环节进行模拟并详细分析，相关工艺应严格按照标准来操作，后期检查与养护工作也应全力开展，确保桥梁加固效果可满足我国现代化运输承载力，为我国交通建设出力。参考文献1 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cloth产品型号纤维方向厚度/mm幅宽/mm长度/m抗拉强度/MPa弹性模量/GPa纤维体积含量/%伸长率/%CFP-512单向1.25050/1002400160651.7CFP-1012单向1.210050/1002400160651.7