碳纤维布加固施工工艺及质量控制应用技术

破纤维布加固施工工艺及质量控制

摘要：采用碳纤维聚合物CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）加固混凝土结构，是近几年来发达国家中新兴的成熟的加固技术，也是国内工程界日渐关注和发展中的加固应用技术。本文以东莞市西四环路旧桥加固项目为例，着重阐述碳纤维布加固的施工工艺和质量控制。

关键词：旧桥加固；碳纤维布；配套村脂；有效操作时间；硬化养护

碳纤维材料是一种力学性能优异的新材料，它的比重为1.8g/cm3，不到钢的1/4；而它的抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的15～20倍；弹性模量大于2.35×105MPa，亦高于钢。因此，碳纤维材料的比重强度即材料的强度与其密度之比大大高于钢板，其比模量也比钢板高。碳纤维布补强的加固原理就是采用层压方式，将浸透了树脂粘胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土桥板的底面、梁体或墩柱的表面，并使其与混凝土结合成一体，从而达到加固混凝土桥梁结构的目的。相对传统钢板补强，碳纤维布补强具有以下优点：施工成本低；施工时效便利迅速；施工空间不受限制；补强物形状不受限制；抗酸、碱、腐蚀及不渗透；补强品质易检测。

1 工程概况

东莞市西四环路位于东莞市万江区，属107国道的一部分。该项目总共有3座大桥和1座中桥需加固处理，分别为曲海大桥、宏远大桥、万江大桥和牌楼基中桥，4座桥总长1825.46m。以曲海大桥为例，主桥结构为两座带挂孔的单箱双室预应力混凝土T构，T构悬壁长4×40m，两端挂孔长30m。该T构悬臂根部梁高6m，端部梁高2m，挂孔为30m，预应力简支T梁；引桥为多孔一联，桥面连续简支结构，上部构造为20m预应力混凝土空心板；下部结构为柱式墩、台，桩基础。

根据设计验算表明：在正常使用极限状态下各块空心板的承载能力能满足要求，但靠近中央分隔带侧的次边板及中板，在距中底板下缘存在较大的拉应力，需要加固防止其开裂。引桥墩身配筋不足，截面尺寸偏小（柱径1.0m），部分墩身极限承载力不满足要求。按加固设计要求，对3座大桥引桥所有靠中央分隔带处的11、12、13号板跨中板底0.65倍跨径范围内粘贴碳纤维布（图1），同时，对引桥部分墩柱外侧沿柱周粘贴一层或两层（竖向和环向）碳纤维布（图2）。空心板和墩柱碳纤维布总加固面积为9970㎡。

2 碳纤维布及配套树脂的材料选择

2.1 碳纤维布

碳纤维布主要以碳纤维丝为原料编织而成，根据碳纤维丝编织方向分为单向和双向两种。

根据设计要求，碳纤维布采用C－30型，厚度0.167㎜，抗拉强度>3000MPa，延伸率>1.4%。本工程选用UT70－30型单向碳纤维布，产品宽度50㎝。其实测主要性能指标如表1。

表1

2.2 配套树脂粘胶

配套树脂粘胶根据用途主要分为底层树脂、找平树脂、浸渍树脂。

（1）底层树脂

底层树脂主要用来涂布在被加固的混凝土结构表面，能显著提高混凝土基面强度及其与上层碳纤维材料的粘结性。本工程选用专用配套底层树脂E810LS（夏用）型。经检测，其性能指标要求及实测结果如表2。

表2

（2）找平树脂

找平树脂主要适用于封闭混凝土裂缝、填充缺口等连接部位及表面整平等。本工程选用专用配套找平树脂E380型，其性能指标实测结果如表3。

表3

（3）浸渍树脂

浸渍树脂对碳纤维布具有良好的渗透性和粘结性，硬化后与碳纤维布形成高强度复合材料，并与被加固混凝土牢固粘结，最终达到良好加固效果，广泛适用于建筑物和土木工程的加固。本工程选用专用配套浸渍树脂E2500S（夏用）型，其性能指标实测结果如表4。

表4

3 碳纤维布加固主要施工工艺

3.1 施工准备

（1）材料检验和试验

材料的采购进场必须随货附带有产品出厂合格证和出厂检验报告，以初步判断该材料是否满足本加固工程的品质要求。材料进场后应立即抽样送检，待检验合格后方可投入使用。

（2）搭设施工平台

可以根据施工现场地形情况，采用竹木支架或其他方式搭设，需注意平台的稳固性和作业高度。

（3）测量放线

认真阅读施工设计图纸，在需粘贴碳纤维布的混凝土表面放线标出粘贴碳纤维布的位置。

（4）准备施工机具

碳纤维布加固施工需要使用的机具主要有砂轮机、搅拌器、称量器、刮刀、滚筒、油刷等。

3.2 表面处理

（1）用手提砂轮机将混凝土表面劣化层（风化层、污物、脱模剂层、浮浆浮块）除去，并打磨至粗骨料出现为止。

（2）打磨完后用高压气枪将粉尘及松动物质清除，并确保其充分干燥，表面平整无灰尘。

（3）若补强施工范围内存在锐利棱角，需将其磨成1～2㎝以上圆弧R角，以免造成应力集中而降低补强效果。

3.3 截面修复和整平贴合面

（1）钢筋露出部位须做防锈处理。

（2）加固施工范围若有裂缝现象产生，须根据裂缝宽度进行裂缝封闭或灌胶处理。

（3）断面面层上有剥落、孔隙、蜂窝或模板高差的部位须打磨去除或磨平，再用找平树脂进行修复。

（4）配制找平树脂：本工程采用的E380找平树脂分主剂和硬化剂，按1：1质量比例充分混合，调成灰色油灰状，即可用灰刀刮抹在不平整的混凝土表面，以消除所有缝隙和不平整之处。

（5）有效操作时间：环境温度越高，树脂硬化速度越快，可操作时间越短。一般找平施工养生6～24h后，即可进行下一步工序。其有效操作时间列于表5。

表5 E380村脂有效操作时间

3.4 涂刷底胶

（1）确认施工环境

混凝土面结露或接触到水处不得施工，同时，应尽量避免阴雨天气施工。湿气太大将导致树脂与水气产生作用而干扰胶化过程。

（2）配制底层树脂

底层树脂E810LS分主剂和硬化剂，按5：2质量比例充分混合。底层树脂用量为0.2㎏/㎡，一次搅拌量为在可操作时间内的使用量，超过可操作时间的材料不可再使用。

（3）有效操作时间

底层树脂有效操作时间与环境温度有关，温度越高可操作时间越短，常温（20℃）时，控制操作时间应在60min。具体数据如表6所示：

表6 E810LS粘结性及续涂性能