摘要：為了滿足交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，橋梁工程所要求的承載能力也越來越高，許多橋梁無法達(dá)到現(xiàn)代交通的載荷需求，在長時間處于高載荷甚至超載荷的情況下，會出現(xiàn)破損、老化、裂縫等問題，因此必須做好對橋梁的加固處理。碳纖維材料力學(xué)性能高，施工過程簡單易行，在橋梁中承擔(dān)著較為重要的角色。該文簡單介紹了碳纖維材料的特點(diǎn)和碳纖維材料對橋梁進(jìn)行加固修補(bǔ)技術(shù)，以及在橋梁中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：橋梁加固；碳纖維；表面處理；施工
橋梁是地面交通工具得以跨越河流、險地的有力工具，隨著車輛工程的發(fā)展，運(yùn)輸車輛的載重也越來越高，由于我國的橋梁大多建于建國初期，受到材料和技術(shù)等條件的限制，在經(jīng)過幾十年的服役過程當(dāng)中，出現(xiàn)受損和老化，以至于無法滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸對橋梁承載力的需求，更有著潛在的安全危險性[1]。對出現(xiàn)有一定風(fēng)險的橋梁進(jìn)行修補(bǔ)和加固處理，使其適應(yīng)現(xiàn)代交通的承載重量，安全穩(wěn)定地服役是十分有意義的。碳纖維材料對橋梁的加固處理技術(shù)是近年來開發(fā)出的新加固技術(shù)之一，因?yàn)槠鋬?yōu)異的加固性能和穩(wěn)定性受到行業(yè)應(yīng)用。本文簡單介紹了碳纖維材料對橋梁進(jìn)行加固修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用。
1碳纖維材料特點(diǎn)及碳纖維加固技術(shù)基本特性
1.1碳纖維材料特點(diǎn)
碳纖維材料通常特指碳纖維復(fù)合材料，由碳纖維與樹脂基材料進(jìn)行復(fù)合制成[2]。碳纖維材料的密度小、質(zhì)量輕，可以有效降低自重載荷，同時具有很高的強(qiáng)度和韌性。同時，碳纖維材料還具有很好的穩(wěn)定性、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，利用碳纖維對橋梁加固的過程中，施工過程簡單易行，且對橋梁的整體結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變，絲毫不影響正常車輛的通行，故而受到橋梁領(lǐng)域的喜愛。
1.2碳纖維加固技術(shù)基本特性
碳纖維加固技術(shù)的施工過程簡單、總體成本較低，其本質(zhì)是將碳纖維材料制成碳纖維布等結(jié)構(gòu)，通過黏附樹脂等工藝將其貼合在受損橋梁的表面，從而達(dá)到降低構(gòu)件負(fù)荷、加固橋梁的作用。由于此加固技術(shù)是碳纖維布發(fā)揮主要作用，所以其基本特性很大程度受到碳纖維材料本身特點(diǎn)的影響，如耐酸堿、耐熱耐寒、高彈性、高強(qiáng)度、高韌性等[3]。將碳纖維材料制成布狀結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)在外界高應(yīng)力強(qiáng)度下分散局部的應(yīng)力集中的作用，避免了碳纖維布在受到大載荷下的裂紋和失效。除碳纖維外，粘結(jié)材料也是值得注意的部分，粘結(jié)材料需要有穩(wěn)定性高、粘結(jié)能力強(qiáng)和高強(qiáng)耐熱等性質(zhì)，保障碳纖維布和橋梁構(gòu)件的穩(wěn)定貼合，防止兩者間的脫落和剝離，使碳纖維布長久穩(wěn)定地發(fā)揮作用
2常見其他橋梁加固技術(shù)
2.1錨噴混凝土加固法
錨噴混凝土加固法是將新制的混凝土和嵌入的鋼筋一同與橋梁構(gòu)件粘合，形成完整的新舊混凝土和錨桿結(jié)構(gòu)，一同將其噴射黏附在橋梁加固部位。錨噴混凝土加固法可以使原本受損的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力重新均勻分布，有效地減少應(yīng)力集中，且混合的混凝土材料與原本橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)合狀態(tài)較好，避免后續(xù)的變形斷裂等問題。錨噴混凝土加固法的施工一般分為5個過程[4]：①搭設(shè)外作業(yè)支架；②清理橋梁加固表面；③加設(shè)錨桿（或安裝其他固定結(jié)構(gòu)如膨脹螺絲等）；④嵌入鋼筋結(jié)構(gòu)；⑤混凝土的噴射和養(yǎng)護(hù)。
2.2橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法
橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法的施工步驟較為簡單，將原本橋梁的受損構(gòu)件上重新加裝一層新的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法不僅可以加強(qiáng)相關(guān)構(gòu)件的承載能力，還具有穩(wěn)定原本橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，需要注意的是，在施工之前需要對原本橋梁構(gòu)件的表面進(jìn)行處理，促進(jìn)新舊兩種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合[5]。
2.3改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法
當(dāng)橋梁的材料沒有明顯的劣化和損傷，而是經(jīng)過長時間的服役，橋梁本身的結(jié)構(gòu)帶來的承載力逐步下降，達(dá)不到使用要求時，可以通過在外部加設(shè)支梁、鋪設(shè)加固鋼筋等方式加強(qiáng)橋梁的受力體系，達(dá)到加強(qiáng)橋梁承載力、保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，這種方法叫做改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法[6]。
2.4粘貼鋼板加固法
粘貼鋼板加固[7]方式顧名思義，是利用有機(jī)樹脂等粘結(jié)性材料將鋼板與需要加固的受損構(gòu)件的表面粘接在一起，使得鋼板參與到加固的構(gòu)件的整體中，承擔(dān)構(gòu)件的部分受力。此方法操作較為簡單，且施工工期短，可以有效地加強(qiáng)構(gòu)件的力學(xué)性能，不影響構(gòu)件的本身結(jié)構(gòu)和外形，是典型的被動加固類型之一，當(dāng)橋梁的部分構(gòu)件出現(xiàn)彎曲變形或偏心負(fù)荷過大時常常選用此方法。但由于鋼板的耐腐蝕能力極差，當(dāng)鋼板腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物會嚴(yán)重影響兩者的粘合性[8]，且會降低鋼材的力學(xué)性能，所以選擇此方法時需要注意使用條件。
3碳纖維加固施工技術(shù)
碳纖維加固橋梁的方式主要劃為兩種：對橋梁中混凝土梁及橋墩、橋面等構(gòu)件的加固和維修處理[9]。在以往的傳統(tǒng)橋梁加固技術(shù)中，對梁構(gòu)件的加固方式往往是外加鋼筋等方式，但外露的鋼筋極易被腐蝕，造成強(qiáng)度的大幅度下降，同時在鋼筋自身的高重量下，會從構(gòu)件處脫落，起不到穩(wěn)定的加固作用。而新型的橋梁加固技術(shù)以加裝混凝土為主，雖然可以保持一定時間的穩(wěn)定性，但不可避免的增加了橋梁的自重，且涉及到后續(xù)混凝土的養(yǎng)護(hù)，施工周期長[10]。而碳纖維加固施工技術(shù)很好地解決了相關(guān)問題，碳纖維材料穩(wěn)定性好、耐酸堿、抗熱寒，擁有優(yōu)良的抗壓、抗拉強(qiáng)度和高彈性，增強(qiáng)橋梁構(gòu)件的抗壓能力和穩(wěn)定性，密度小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)又減輕了因加固帶來自重的增大[11]。碳纖維加固技術(shù)適用于多種情況，如加固混凝土梁，或是對橋梁的板橋等構(gòu)件進(jìn)行抗彎加固處理等，都可以達(dá)到較為良好的預(yù)期效果，明顯提高各個部件的穩(wěn)定和耐久性能，一般而言，碳纖維材料對橋梁各部件的加固適應(yīng)性見表1[12]。碳纖維加固施工技術(shù)一般分為以下步驟[13]：①表層預(yù)處理：橋梁經(jīng)過長時間的服役，在其混凝土的表面會有劣化層的出現(xiàn)，通常由灰塵、贓污和風(fēng)化的混凝土構(gòu)成，嚴(yán)重影響了混凝土與由碳纖維材料的粘合性，因此在對橋梁進(jìn)行加固處理前，需要對原本老舊的表面進(jìn)行處理，打磨掉劣化層，并沖刷掉表面雜質(zhì)顆粒。②斷層修復(fù)：去除混凝土表面的劣化層后，需要防止施工過程中對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕，一般采用強(qiáng)度較高的有機(jī)樹脂材料對混凝土中的斷層和孔隙中進(jìn)行填補(bǔ)和注入工作，需要注意的是，裸露在空氣中的鋼筋也需要涂覆環(huán)氧樹脂以避免腐蝕的發(fā)生，以及注意混凝土的抗?jié)B性，不得在混凝土結(jié)構(gòu)中混入水[14]。③表面修復(fù)：碳纖維材料的粘合需要相對光滑平整的表面，對于凸起部分需要用工具將其打磨，而凹陷部位可以使用樹脂或砂漿等材料進(jìn)行修復(fù)。④底層涂料：底層涂料的涂覆需要適宜的溫度（>5℃）和濕度（濕度不宜過大，因而雷雨天氣并不適宜）下進(jìn)行，選擇合適的涂料均勻涂抹在修復(fù)完畢的受損表面上，確保沒有遺漏的部分，施工完畢后需要對表面進(jìn)行維護(hù)，不能使其出現(xiàn)表面損傷，保障通風(fēng)。⑤碳纖維材料的粘貼：等待底層涂料涂覆完畢并干燥后，將碳纖維材料按照受損構(gòu)件表面尺寸制成碳纖維布，使用樹脂基粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼在受損表面上，粘貼完成后用力按壓碳纖維布和受損表面，將兩者間的孔隙排出。在粘貼多層碳纖維材料時重復(fù)上述步驟。粘貼過程需要注意兩點(diǎn)：粘貼表面需要保持干燥和光滑狀態(tài)；粘貼表面的鋼筋不能出現(xiàn)銹蝕狀態(tài)，需要提前打磨掉鋼筋表面的氧化皮。⑥后期保養(yǎng)維護(hù)：在碳纖維材料粘合過程未成型前，需要注意環(huán)境的溫度不能過高，防止粘結(jié)劑的失效，而成型后也需要避免高溫環(huán)境導(dǎo)致的粘結(jié)劑功能下降的問題，可在其表面涂覆功能性涂料防止機(jī)械損傷和環(huán)境的影響。
4碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
①化學(xué)及物理性能穩(wěn)定：碳纖維作為優(yōu)良的新型纖維材料，在各種極端環(huán)境如酸、堿或高紫外線輻射等環(huán)境下都能穩(wěn)定服役，適合絕大多數(shù)的場所和氣候。碳纖維材料的特性使得碳纖維加固技術(shù)使用于許多惡劣環(huán)境下服役的橋梁，有效增加橋梁的服役時間[15]。②力學(xué)性能優(yōu)越：碳纖維材料在運(yùn)用于橋梁的混凝土梁加固或是節(jié)點(diǎn)加固過程中，可以分散局部應(yīng)力集中，達(dá)到提高構(gòu)件的抗彎、抗壓等力學(xué)性能的目的。并且，由于碳纖維材料的韌性高，所以還具有一定的抗沖擊和抗疲勞的作用[16]。③施工過程簡單：碳纖維材料的粘合過程簡單易行，不需要大型施工設(shè)備或大量人力資源的支撐，后期維護(hù)也較為簡捷。④自重較低：碳纖維材料的密度小，相對同等體積下的混凝土或金屬材料，碳纖維布與粘結(jié)劑的總重量都在兩者的1/3以下，而碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度也高出兩者5倍以上，相比而言，碳纖維材料的使用不僅加強(qiáng)了構(gòu)件的力學(xué)性能，同時也能避免因?yàn)榧庸處淼淖灾氐脑黾覽17]。
5結(jié)語
我國對橋梁等交通道路的承載力需求越來越高，但橋梁的重建成本太大，橋梁的加固技術(shù)成為了補(bǔ)強(qiáng)橋梁的首要選擇。碳纖維加固技術(shù)作為近年來出現(xiàn)的新型加固技術(shù)，擁有其他加固技術(shù)所無法比擬的高力學(xué)性能和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為橋梁加固施工中的最佳選擇之一。在實(shí)際對碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用中，需要對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬分析，嚴(yán)格按照相關(guān)工藝進(jìn)行施工和維護(hù)，并做好后期的質(zhì)量檢查和核查工作，以期達(dá)到預(yù)期的長久穩(wěn)定的橋梁加固效果，為我國的交通工程建設(shè)出力。
