桥梁加固中碳纤维材料的应用分析

董艳

（上饶市铅山公路事业发展中心，江西 上饶 334500）

0 引言

桥梁是交通系统的重要组成部分，在运营一段周期以后，往往会受到环境、车辆荷载因素的影响而出现承载性能下降、结构强度不足等问题，给桥梁的安全和稳定造成很大的影响，因此需要对桥梁进行加固处理，提升其整体性。

碳纤维材料作为一种全新的加固材料，将其应用到桥梁加固工程中已取得效果显著，因此分析应用碳纤维材料的桥梁，明确相关技术指标对提升桥梁加固效果具有重要意义。

1 碳纤维材料的特性和应用优势研究

1.1 特性分析

碳纤维材料主要是高强纤维与环氧树脂材料经过相应工艺加工后形成的一种加固材料。此类材料的力学性能非常突出，其抗拉强度能够达到3000MPa以上，弹性模量可以达到2.1×10MPa，有些碳纤维材料的上述性能甚至更高。相较于其他加固材料碳纤维材料的优势更加明显，在极端的施工环境下也能有效发挥自身的加固作用。碳纤维材料进行桥梁加固施工时，主要是把碳纤维材料粘贴到桥梁需要加固的位置上，通过碳纤维材料功能提升桥梁的承载性能，使其达到交通运行标准。尽管碳纤维材料在桥梁加固中有一定的效用，但该材料也存在一定的局限性，如延性差、剪切强度较差等。在外部因素的作用下，碳纤维材料很容易出现软化等问题，会影响桥梁结构的稳定性。为此，相关人员需要对碳纤维加固技术的适用范围有全面的掌握，从而保证碳纤维材料的效果能够发挥出来。

1.2 应用优势

桥梁加固施工过程中应用碳纤维材料可以提升加固效果，一般看来，碳纤维材料的优势有以下几点：

其一，碳纤维材料的强度高、稳定性高。在桥梁加固施工中，尤其对于一些长期运行导致承载性能不佳的桥梁，利用碳纤维进行加固能够提高桥梁结构的整体性能，使之满足道路交通运行要求。在桥梁加固施工中，碳纤维材料能够发挥自身高强度、高弹性模量的优势，可实现对桥梁结构的优化与改善加固，提升桥梁的承载性能，降低交通事故发生率。

其二，施工方便、快捷且成本较低。碳纤维的密度小、自重小，因此在桥梁加固施工过程中可直接操作，不需要配合大型设备进行施工，能够有效节约设备费用。此外，碳纤维加固施工现场不需要设置用于加固、支撑的设施，施工过程中占地空间较小，基本上不会影响桥梁的正常运行。

此外，在加固施工中通过剪刀、刀片等即可完成对材料的剪切操作，比较简单、快捷。

其三，碳纤维材料的耐腐蚀强、耐久性好。经大量实践验证，利用碳纤维材料完成桥梁加固、修补施工，可以大幅度提升桥梁的耐腐蚀、耐久性，能够减少桥梁后期的养护次数，降低桥梁的维修成本，延长桥梁的使用年限。

其四，碳纤维材料的使用范围比较广。在碳纤维材料能够应用到不同类型的桥梁结构，如大型桥梁、混凝土桥梁等，同时不会受到加固形状的限制。在桥梁的任何结构部位都可以使用碳纤维材料加固施工，且维修加固施工效果良好。

其五，质量可控。当前在加固工程中主要的材料类型包含了碳纤维板、碳纤维布等，有些桥梁也可以应用碳纤维束等材料。虽然对加固质量的要求是不同的，但是从整体层面分析，采用碳纤维加固材料均能满足施工要求。

2 碳纤维材料应用要点

在使用碳纤维材料进行桥梁加固时，应对材料进行合理的布设以更好地发挥其强度、刚度等性能。在碳纤维应用的过程中，由于拉伸的方向不同，所以取得的施工效果也会存在差异性。倘若材料的方向与受力条件处于相同的条件，那么材料的拉伸强度会增加；若材料的方向以及结构的受力条件不一致，材料的性能则会降低。目前主要包含下述三种：外贴加固、预应力加固、内部加筋技术等。

2.1 混凝土构件的表面处理

首先，在对桥梁的梁体结构进行加固施工之前，应先将混凝土结构部件表面的荷载全部或者部分卸除。经过卸载之后的梁体结构，需要待其处于稳定状态以后才能进行施工。

其次，在加固作业的环节需要及时将混凝土表面的构件清理干净，特别是表面存在损坏的部位，避免内部存在杂质、油污等影响加固施工的效果。对于表面裸露出来的钢筋材料，应及时进行除锈处理，避免降低桥梁加固施工的效果。同时，对于没有生锈的结构部件也需要进行除锈处理。在加固工作开始之前，将现场进行剔凿处理的结构应用细石混凝土填充修复处理，整体表面满足平整度需要。若缝隙宽度在0.2mm 的可以直接采用环氧树脂对其处理；若宽度超过了0.2mm 的直接采用树脂进行灌缝施工，修复病害结构部分。

2.2 底层处理

在底层处理时应按照如下工作标准开展进行：

第一，确定混凝土基面劣化层。通过使用钢丝轮角磨机进行该部位的处理，将内部存在的勾缝砂浆凿除干净，并通过吹风机进行表面的清理，直到裸露出完整、清洁的基面，才可开展后续的工作。

第二，局部位置存在锈蚀、胀裂、松散等问题的情况，应将该部位清理干净，并在损坏的部位涂抹一定的环氧胶，再应用轻质修补砂浆找平处理。在处理工作结束后，保证新旧混凝土结构的质量应满足要求，同时控制形成的保护层厚度至少应达到15mm 以上。

第三，在进行剔凿、除锈等措施处理后，表面容易出现凹陷或者损坏的部件，此时应及时修补处理，并应用轻质修补砂浆或者碳纤维材料进行处理。

第四，对于有部分存在基面尖锐凸起的部位，通过角磨机将其进行打磨处理，也可以应用混凝土磨片角磨机进行倒角处理，直到表面部位达到圆滑状态为止。

第五，经过上述的打磨处理工作结束后，对现场的粉尘、松散浮渣等全部进行清理，使其达到干燥、洁净的标准要求。底层处理结束后及时组织质检人员进行现场检查，对于不合格的地方应立即采取措施处理。

2.3 涂抹底层涂料

在基层涂刷施工的过程中，先是将相关的材料倒入容器均匀搅拌，再采用专门的刷子进行均匀涂刷，操作时需要控制涂刷的范围、涂刷量以及涂刷时间，若超过既定的施工时间，材料性能就会下降，加固效果也就会降低。此外，在底层涂料制备的环节不能加入任何其他类型的溶剂材料，否则将会给桥梁加固施工带来不利的影响。在底层涂料的制作结束后，应使用滚刷均匀地加固到结构表面，涂抹施工效果符合要求，且要落实涂抹厚度的控制，符合结构性能的要求。基层涂刷工序完毕以后，等待其固化后查看是否存在起鼓等问题，若出现起鼓问题需要应用砂纸打磨、抛光处理。涂料涂抹施工对环境的要求较高，一旦环境温度在5C 以下或者降雨天气都不能开展施工，否则将会给结构质量造成较大的影响。

2.4 粘贴碳纤维材料

在桥梁加固施工中，粘贴碳纤维材料应做好如下几点工作：

第一，材料的运输、储运需要做好相关的控制，避免出现材料损坏问题，同时不能出现任何破损的问题，否则将会对加固施工效果带来较大的影响。在碳纤维材料运输到现场后，施工作业人员应用专业工具进行裁切处理，剪切时需要保证每一段长度都符合施工要求。

第二，在剪裁碳纤维材料时，需要明确材料的尺寸，同时及时将树脂材料涂刷到粘贴区域，保证相应的搭接位置尺寸达到施工要求。

第三，在粘贴之前，需要做好施工区域的清洁工作，不能存在灰尘、沙子等杂物。检查过程中一旦发现材料不足要及时补充。粘贴7 天以后，待粘贴效果达到后方可进行打磨处理。

第四，加强树脂的主剂、固化剂的比例控制，在制作时通过称重方式进行控制。将称重后的材料装入容器内，搅拌处理时间不少于2min。

第五，贴片工作开始前，应用滚筒进行表面均匀涂抹处理，涂抹材料的量应结合实际情况确定，要确保面层表面的粗糙度符合要求。对结构中出现的拱起、拐角等部位应适当增加涂抹量。当工序完成以后要来回在粘贴位置刮四次，让树脂能够渗透到纤维材料中。在粘贴结束的1.5h 后需要使用滚筒进行表面树脂材料的滚涂处理，在这一过程中要保证碳纤维材料在移动时不能使粘贴好的材料出现卷起的情况。如果碳纤维材料的铺贴厚度超过2 层，应在补后的3天后进行铺贴施工。现场施工的质量对桥梁加固施工效果存在直接的影响，所以技术人员应落实技术管控措施，施工单位组建高水平的质量管理工作团队，并在加固结束后进行现场的承载性能、安全性方面的检测，只有如此才能保证碳纤维加固施工的效果。

2.5 后期养护

首先，碳纤维材料粘贴工作结束后，一般需要经过5 天时间的养护。通过既定时间养护可以基本上达到初步固化的条件要求，同时遇到极端天气时应采用塑料薄膜进行覆盖处理，从而减少雨水给材料造成影响。

其次，树脂固化的环节。因为材料对温度非常敏感，所以应结合现场环境温度的变化情况，在养护的过程中选择最佳的处理方法。

如果环境温度在5C 以下，可以更换为其他的材料进行施工，即应用低温固化树脂材料。

在养护的过程中需要保证碳纤维材料的养护温度满足既定要求。一般来说，必须确保现场环境温度在5C 以上，否则容易导致质量问题的发生。

再次，养护施工中应落实温度检测与控制工作。当环境温度不足10C 时养护时间应为2 周；若环境温度为10～20C 养护时间为1～2 周；当环境温度在20C 以上时，养护1 周即可达到要求。

最后，碳纤维材料经过全面性的固化处理后，应做好现场的全面检查，如果存在空鼓或者气泡的问题需要使用刀片在小范围进行划开，并制作黏结胶材料，通过注射器注射到规定部位上。通过材料的合理应用将空气或者气泡位置填充，形成密实度条件。同时，应保证黏结的面积不少于95%。

2.6 表面的修饰

桥梁工程进行碳纤维加固处理后，对于已经成型并且达到质量要求的碳纤维材料应保护涂装的结构，确保涂料的性能处于合理的范围内。工作人员需要秉承精细化管理的理念，落实表面的锈蚀处理工作，将裂缝病害问题技术修复处理，保证施工表面达到完整性、稳定性标准。

3 注意事项

其一，碳纤维涂装作业之前，落实现场基层杂物的清理工作。在裂缝等病害问题全部处理后，应进行必要的干燥处理，一般来说为2h。同时，在施工环节需要严格地对现场进行安全管理控制，要求施工人员按照规范标准开展工序，减少违规操作。

其二，需要做好施工组织工作，对于施工材料、施工设备均需要明确，同时要加强加固效果分析，对于加固部位要采取格挡板进行保护，避免人为因素造成的破坏。

其三，根据设计方案和技术标准展开验收工作，黏结密实的面积应超过95%。

其四，碳纤维加固施工中，针对搭接的距离按照既定的标准，可以分为竖向搭接100mm、环向搭接量为200mm，同时也可以结合现场的情况适当增加。

其五，加强温度的分析与控制。若现场环境温度不足5C，应及时采取措施进行改进处理。此外，碳纤维材料的制作、施工以及使用的各个阶段应远离火源，尽量不要受太阳直射。

4 结语

综上分析，由于受到材料性能、技术工艺等因素制约，桥梁加固效果会出现一定的问题。同时，随着流量的不断增加，在各种荷载因素影响下危桥、旧桥的比例也在不断的增大。在桥梁加固工程中，通过运用碳纤维材料，能有效提高桥梁承载能力，并有效保障桥梁使用周期，该技术值得广泛推广。