湖北楚天联发路桥养护有限公司

碳纤维加固混凝土桥梁需通过粘结层传递粘结剪应力和粘结正应力, 以达到共同工作的目的。在外载荷的作用下, 在粘结层易产生较大的剪应力和正应力, 使局部发生破坏导致整体失效。碳纤维加固混凝土桥梁技术成功的关键在于组合结构是否具有良好的粘结性能, 因而对粘结性能的研究成为加固技术研究的热点。H am ada等人用实验研究了FRP与混凝土之间的粘结性能, 试验结果与Yokoyam a 等人的拉伸剥离试验结果一致, 即提高FRP板的弹性模量以及降低粘结树脂的弹性模量增加粘结层的柔性, 都能提高和改善FRP加固混凝土桥梁结构的加固效果。利用丁腈胶改性环氧树脂, 根据拉伸剪切实验和拉伸实验数据确定了共混体系的制备工艺参数, 利用弯曲实验评价粘结层的粘结性能, 结果表明用改性后的粘结材料做粘结层有效地提高了碳纤维加固混凝土桥梁结构的加固效果。

1　共混体系的制备与性能测试

1. 1　实验

原料为EA-51 环氧树脂、聚酰胺类固化剂BGH -A1651、活性稀释剂CXS -A1678、丁睛橡胶。按一定配比将橡胶与催化剂DCJ -A1030混合均匀, 再加入环氧树脂加热至160 ～ 180℃, 不断搅拌, 使之充分反应。在反应完全的预聚体中, 按比例依次加入稀释剂CXS -A1678、固化剂BGH -A1651, 搅拌均匀即可用于制备拉伸剪切试件、拉伸浇注体试件和扫描电镜试件。

1. 2　性能测试

拉伸剪切强度按照GB7124 - 1986“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法”测定;拉伸强度及模量按照GB /T2568 - 1995“树脂浇注体拉伸性能实验方法”测定;微观结构的观察和摄像采用STEREOSCAN240型扫描电子显微镜及其配套设备。

1. 3　力学性能分析

粘结材料弹性模量的降低, 有利于粘结性能和加固效果的提高。因此, 可以用拉伸剪切强度、拉伸强度和弹性模量为依据, 评定橡胶的增韧效果, 实现增韧而不降低强度的目标 。试验结果表明:拉伸剪切强度先随着增韧剂含量的增加而增大, 在质量分数为20%左右时达到最大值, 然后随着增韧剂含量的继续增加而降低, 这是因为橡胶中含有化学键CN基团, 增加了其对界面的粘结力, 从而提高了拉伸剪切强度。随着橡胶量的增加, 化学健CN 基团数量也增加, 拉伸剪切强度进一步得到提高。当橡胶质量分数继续增加, 超过20%时, 会使材料呈现类似橡胶的性质, 此时拉伸剪切强度开始下降。实验中, 当质量分数为10%、15%、20%、25%时, 拉伸剪切强度值较高, 并且为20%时, 拉伸剪切强度出现最大值31.05M Pa, 提高幅度达到131%。增韧剂的加入不同程度地降低了拉伸强度, 当增韧剂含量较低时, 拉伸强度降低幅度较小;当质量分数超过20%后, 拉伸强度明显大幅度下降;当质量分数达到40%时,拉伸强度仅为增韧前的1 /4, 即15. 02MPa。因此, 对于加固用粘结材料, 丁腈橡胶质量分数不宜超过20%。

碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品, 碳纤维加固补强就是将用环氧树脂浸渍形成的碳纤维增强复合材料片材, 用环氧树脂粘贴在结构受拉面上,通过环氧树脂固化后与原结构形成新的受力复合体, 碳纤维片即可与钢筋共同受力,从而对原结构实现加固补强。碳纤维加固法以其强度高、重量轻、耐腐蚀、施工简便等优良特性受到土木工程界的普遍关注, 是一项极具发展潜力的加固补强新技术。

碳纤维加固补强技术的优越性

碳纤维加固补强混凝土结构具有很多优于传统方法的特点和优越性, 是混凝土结构修复补强技术的一个新发展。碳纤维补强技术的特点和优越性可以归纳如下施工简便迅速用碳纤维片修复补强混凝土结构只需将被修补部位的混凝土表面修补打磨平整, 表面洁净, 涂刷特定的环氧树脂,然后粘贴碳纤维片, 最后再涂刷一层环氧树脂自然固化养护即可。不需任何夹具、模板和支撑, 施工既简便又迅速。基本不增加结构重量碳纤维片的重量仅、, , 设计厚度一, 加上环氧树脂的重量也仍然很轻, 对结构自重的影响甚微, 可忽略不计。能适应各种结构外形的补强碳纤维片的厚度很薄, 可以裁剪成所需形状, 顺应结构的外形粘贴在混凝土表面, 如变截面梁、曲线梁, 均可方便地粘贴。可以多层粘贴根据补强设计的要求, 碳纤维片可以在一个部位重叠粘贴, 即贴一层后上面再贴一层, 连续贴很多层, 充分满足补强的要求。能有效地封闭混凝土的裂缝碳纤维片粘贴在混凝土的表面, 不仅封闭了混凝土的裂缝, 碳纤维片高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展, 改变了裂缝的形态,使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝, 从而提高了混凝土构件的整体刚度。不影响结构的外观碳纤维片的厚度很薄, 粘贴固化后表面还可涂刷与原结构颜色一致的涂料,而不影响结构的外观。耐久性好碳纤维片和环氧树脂的化学稳定性都非常好,耐酸、碱和盐类的腐蚀,还可以防水。在重复荷载作用下的疲劳性能也优于金属及混凝土材料。可长期经受核辐射和紫外线照射。在一℃ ℃温度环境条件下使用,强度不降低。经加速老化试验,可历时年性能不变, 且在表面涂装后, 其耐久性将更为突出。

碳纤维在土木工程中应用有多种形式碳纤维的性能好而稳定, 而且, 其原材料几乎可以无限制地得到,它的乱向短纤维, 加入混凝土中, 可大大提高混凝土的抗裂性, 延性和承载力。将碳纤维筋配置在混凝土内, 可取代钢筋, 从而混凝土结构即使处于较恶劣的环境下, 也没有被腐蚀的危险。如果制成索, 即碳纤维绞线, 去代替钢绞线, 制作先张法或后张法预应力混凝土结构, 更是土木工程师们一直在寻找的。用碳纤维制成的布或薄板, 贴于混凝土结构的外表面, 其加固效果十分理想, 不仅可大大提高受弯、受剪或受扭以及受压承载力, 而且能减少裂缝宽度, 甚至可增加刚度。同时, 碳纤维索是钢质土层锚杆、岩石锚杆的优质代用品, 它不受酸碱介质的侵蚀, 使用期间不会发生更换之类的事故。此外,还应提及, 如果将碳纤维索代替钢索, 去建造悬索桥, 则会出现这样的情况用钢索建造时, 只能跨越1000m, 而用碳纤维索, 可跨越2000m。因为悬索桥上悬索的自重在总荷载中占有相当的比例, 而碳纤维的比重只有钢索的。

碳纤维修复补强加固技术及施工构造要点

碳纤维及分类碳纤维最早是爱迪生于1879年用棉丝碳化制成的, 用来制做白炽灯泡的灯丝。50年代初, 随着空间技术的发展, 需要有优良性能的结构材料, 许多工业发达国家开始重视碳纤维的研究工作, 到60年代获得迅速的发展。目前各国工业用的碳纤维原料主要有聚丙烯睛纤维和沥青纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维高强度型及沥青基碳纤维高弹性型。根据使用要求和热处理温度的不同, 碳纤维分为耐燃纤维、碳纤维和石墨纤维。例如300一350℃热处理时得耐燃纤维1000一1500℃热处理时得碳纤维,含碳量为90-95%碳纤维经2000℃以上高温处理可以制得石墨纤维, 含碳量高达99%以上。

2018年8月22日，记者跟随项目经理来到由楚天联发公司承接的沿德高速桥梁维修加固工程。据项目经理介绍，自进入八月以来，工程已经完成大半，即将于九月初完工。

贵州沿德高速是《贵州省高速公路网规划》“6 横7 纵8 联”（简称678 网）中的第2纵沿河至榕江高速公路中的一段，与重庆市酉阳至沿河高速公路顺接。

沿德高速公路的建成通车，使包茂高速(渝湘段)和杭瑞高速(思遵段)得以顺利连通，其过境沿河后与重庆酉阳的高速公路相接，成为贵州省东北地区进入重庆的交通要道，是贵州通往湖南、湖北最快捷的公路。

本项目主要是对桥梁病害进行维修加固、支座更换裂缝清理、防锈漆涂装、垃圾清理、支座垫石周围蜂窝麻面修补、支座垫石周围裂缝漏筋修补等病害处理。

到现场时，我们看到桥检车正缓慢地移动把桥检人员送到下一处需检查的地方，遇到有裂缝的地方，技术工人非常细心地擦除混凝土表面污渍，用混凝土结构修补胶封闭裂缝并在胶泥上涂刷一层环氧树脂胶液以保证质量。据项目经理介绍，这种方法是在裂缝宽度＜0.15mm才采用的，当裂缝宽度≥0.15mm 或裂缝出现渗水、钙化现象就要采用压力灌胶的方式。用不同的方式对待不同的病害问题，争取把每一个路桥病害都消除，为过路的司机留一条安心的路，给信任我们的业主单位一个完美结果，这是我们公司的坚持与坚守。

   根据沿德高速工程的总体进度要求，楚天联发已完成一大半工程量，施工团队以精密的计划、严苛的态度、灵活的现场变通对待每一天的工作。此次项目的完善，将更加便利渝、鄂、湘、贵四地的沟通与经济发展。楚天联发高度重视该工程的维修，全体员工不断努力奋斗积极工作、争分夺秒，在保质保量保证工人合理施工时间的前提下，尽早完成项目，目前该项目正顺利进行中。