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【摘要】 分析碳纤维材料的性能，研究碳纤维材料加固桥梁的主要特点、机理以及施工工艺，并介绍碳纤维在桥梁加固工程中的应用。探讨碳纤维的技术特点以及应用碳纤维布对桥梁进行加固的技术要点。
【关键词】 碳纤维；加固；桥梁；技术
【中图分类号】 TU997【文献标识码】 A【文章编号】 1005-1074(2009)04-0189-01
碳纤维是一种碳经过几千度高温、用特殊工艺制造出的新型建材，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当高度受限制时的首选加固方法，其施工工艺也很简单。此外，碳纤维质地柔软，可在不改变结构外型的前提下加固补强各种混凝土结构物，加固后可用混凝土砂浆涂敷，或根据要求涂各种颜料，修复补强不留痕迹。碳纤维补强加固桥梁技术作为一种新兴的、技术含量高的补强加固方法，具有很高的研究推广价值和巨大的社会经济效益，本文探讨了该项技术的加固特点、加固功能、加工工艺、加工机理以及碳纤维材料类别和局限。
1 碳纤维加固特点
作为一种新型高效的加固技术，碳纤维加固技术具有以下特点:
1.1 与其它加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载及断面尺寸 碳纤维布的自重较轻仅，设计厚度较薄，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，不影响结构外观，不减小桥下净空。
1.2 可根据结构需要制成不同的形状和尺寸，易于成型 因碳纤维布的随型性极强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期。
1.3 施工简便该法工艺简便 无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行。
1.4 采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤 采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏。
1.5 能有效地封闭混凝土的裂缝 碳纤维布粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，其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。
1.6 碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性 碳纤维布是一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性以及具有较好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐害侵蚀环境时，其寿命也较长。
1.7 不影响结构的外观 碳纤维布的厚度很薄，碳纤维布能在一个部位重叠粘贴，充分满足构件的补强要求。
2 碳纤维加固性能
2.1 碳纤维材料性能碳纤维片具有优异的力学性能，是与它自身的材质属性、成片加工工艺等密不可分的。
2.1.1 材料的匀质性 碳纤维束分布排列均匀，加工成片后起到整体均匀受力的作用。
2.1.2 碳纤维片中预浸树脂 一般用于结构补强的碳纤维片是含有预浸树脂的。其作用是使纤维之间的相互约束、相互粘接成为共同受力的整体，碳纤维补强混凝土结构是靠上涂及下涂环氧树脂对碳纤维片的反复渗透来完成的。
2.2 粘结剂性能 将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又与混凝土表面粘合的系统粘接材料。它的性能将直接关系到结构(构件)的加固效果。
2.2.1 底层涂料 在处理好的混凝土表面上涂一层很薄的底层涂料，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶接性能，从而使混凝土与碳纤维片之间的粘结性得以提高。
2.2.2 找平材料 碳纤维片只有与所加固修补的混凝土表面紧密接触，才可能产生良好的补强效果。在涂敷的底层涂料指触干燥后，必须用找平材料进行找平。找平材料本身具有良好的施工性能与触变性能。施工过程中，找平材料应易于操作，且不随时间的延长而出现明显的变形。
2.2.3 浸渍树脂 浸渍树脂在粘接材料中起着至关重要的作用，它最终将碳纤维片粘贴于经过处理的混凝土表面。它的粘度应控制在一定范围，有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维片粘附于混凝土表面，经过车辆的碾压，浸渍树脂浸透碳纤维片。浸渍树脂本身应具有很好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象。
3 碳纤维材料类别
碳纤维又称增强复合材料。目前，用于混凝土结构补强加固的碳纤维材料种类较多，其分类方法也多种多样。①按形式分类可分为:片材、棒材、型材和短纤维4种。②按力学性能分类可分为:高模量(Ⅰ型)、高强度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型) 3种。③按原丝种类分类可分为:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维2种。
4 碳纤维加固工艺
4.1 施工前的准备作业 相关材料的预算与准备，已经相关设施的配置。
4.2 混凝土T型梁表面处理 对需加固混凝土T型梁梁底处理打磨、清除混凝土表面浮浆、松脱缺陷和污物，对漏筋处清除钢筋表面锈蚀层，经防腐处理后用混凝土修补平整，对T型梁梁体已有裂缝修补、封闭。
4.3 涂刷底层结合剂 在已处理好的T型梁梁底表面涂刷特殊底层结合剂，并使其浸入混凝土表层，增强碳纤维与混凝土结合力。
4.4 T型梁梁底表面细微找平 在已涂刷底层结合剂的T型梁梁底，采用独特的环氧腻子找平材料，对细微处整平，以便碳纤维与混凝土良好结合。
4.5 粘贴碳纤维 在经过处理后的T型梁梁底涂刷特殊的结合材料，将预先裁好的碳纤维粘贴于混凝土表面，碳纤维粘贴后再在其表面涂刷粘结材料。
4.6 表面防护及涂装 碳纤维粘贴完成后，对表面进行水泥胶浆涂装，保持修补后与修补前及未修补位置的颜色一致性和结构美观。
局部各道工序均有严格的操作要求，操作手必须进行专业培训，必须具有上岗证，承包单位应具有一定的经验和资质证明，以确保“粘贴结合面”的可靠工作。
5 碳纤维加固机理
钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料之所以能有效结合在一起共同工作，主要的受力机理为:
5.1 钢材与混凝土有良好的粘结力，能够在受力后共同变形。
5.2 钢材与混凝土良好的化学相容性。因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生腐蚀，且由于钢筋被包裹在混凝土之中，更使钢筋有了一个可靠的保护而不致被腐蚀。
5.3 钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度，这是钢筋混凝土结构受力的基本机理。
5.4 具有相近的温度线形膨胀系数，会由于温度变化产生较大的温度内应力而破坏两者之间的粘结。
6 碳纤维加固局限
碳纤维在一定程度上优化了公路桥梁建设，但是，我国建筑工程领域碳纤维加固补强技术的推广使用还有以下局限性:
6.1 工程使用的碳纤维材料主要依赖进口，而且必须使用价格昂贵的配套粘结胶；
6.2 有限的粘结、连接和锚固技术，导致碳纤维材料界面增多、加固效率降低、工程量增大、成本增加；
6.3 由于材料的特殊性，施工需要一定的技术，因此需要经过专门培训的施工员进行操作；
6.4 由于生产工艺不同，还没有形成统一的检验方法和标准；
6.5 国产碳纤维布(板)，由于原材料性能等的限制，其力学性能等还有待提高。
7 结语
碳纤维是一种高科技材料，它最早应用于航空及航天工业，现已逐步在土木工程中推广应用。由于碳纤维具有良好的力学性能，高强高效、材质薄、重量轻、施工简便、耐久耐腐蚀性好等优点，是加固混凝土结构的一种好方法，可以提高加固工程的经济效益和社会效益，值得大力推广，具有广阔的应用前景。
【关键词】 碳纤维；加固；桥梁；技术
【中图分类号】 TU997【文献标识码】 A【文章编号】 1005-1074(2009)04-0189-01
碳纤维是一种碳经过几千度高温、用特殊工艺制造出的新型建材，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当高度受限制时的首选加固方法，其施工工艺也很简单。此外，碳纤维质地柔软，可在不改变结构外型的前提下加固补强各种混凝土结构物，加固后可用混凝土砂浆涂敷，或根据要求涂各种颜料，修复补强不留痕迹。碳纤维补强加固桥梁技术作为一种新兴的、技术含量高的补强加固方法，具有很高的研究推广价值和巨大的社会经济效益，本文探讨了该项技术的加固特点、加固功能、加工工艺、加工机理以及碳纤维材料类别和局限。
1 碳纤维加固特点
作为一种新型高效的加固技术，碳纤维加固技术具有以下特点:
1.1 与其它加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载及断面尺寸 碳纤维布的自重较轻仅，设计厚度较薄，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，不影响结构外观，不减小桥下净空。
1.2 可根据结构需要制成不同的形状和尺寸，易于成型 因碳纤维布的随型性极强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期。
1.3 施工简便该法工艺简便 无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行。
1.4 采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤 采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏。
1.5 能有效地封闭混凝土的裂缝 碳纤维布粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，其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。
1.6 碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性 碳纤维布是一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性以及具有较好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐害侵蚀环境时，其寿命也较长。
1.7 不影响结构的外观 碳纤维布的厚度很薄，碳纤维布能在一个部位重叠粘贴，充分满足构件的补强要求。
2 碳纤维加固性能
2.1 碳纤维材料性能碳纤维片具有优异的力学性能，是与它自身的材质属性、成片加工工艺等密不可分的。
2.1.1 材料的匀质性 碳纤维束分布排列均匀，加工成片后起到整体均匀受力的作用。
2.1.2 碳纤维片中预浸树脂 一般用于结构补强的碳纤维片是含有预浸树脂的。其作用是使纤维之间的相互约束、相互粘接成为共同受力的整体，碳纤维补强混凝土结构是靠上涂及下涂环氧树脂对碳纤维片的反复渗透来完成的。
2.2 粘结剂性能 将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又与混凝土表面粘合的系统粘接材料。它的性能将直接关系到结构(构件)的加固效果。
2.2.1 底层涂料 在处理好的混凝土表面上涂一层很薄的底层涂料，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶接性能，从而使混凝土与碳纤维片之间的粘结性得以提高。
2.2.2 找平材料 碳纤维片只有与所加固修补的混凝土表面紧密接触，才可能产生良好的补强效果。在涂敷的底层涂料指触干燥后，必须用找平材料进行找平。找平材料本身具有良好的施工性能与触变性能。施工过程中，找平材料应易于操作，且不随时间的延长而出现明显的变形。
2.2.3 浸渍树脂 浸渍树脂在粘接材料中起着至关重要的作用，它最终将碳纤维片粘贴于经过处理的混凝土表面。它的粘度应控制在一定范围，有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维片粘附于混凝土表面，经过车辆的碾压，浸渍树脂浸透碳纤维片。浸渍树脂本身应具有很好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象。
3 碳纤维材料类别
碳纤维又称增强复合材料。目前，用于混凝土结构补强加固的碳纤维材料种类较多，其分类方法也多种多样。①按形式分类可分为:片材、棒材、型材和短纤维4种。②按力学性能分类可分为:高模量(Ⅰ型)、高强度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型) 3种。③按原丝种类分类可分为:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维2种。
4 碳纤维加固工艺
4.1 施工前的准备作业 相关材料的预算与准备，已经相关设施的配置。
4.2 混凝土T型梁表面处理 对需加固混凝土T型梁梁底处理打磨、清除混凝土表面浮浆、松脱缺陷和污物，对漏筋处清除钢筋表面锈蚀层，经防腐处理后用混凝土修补平整，对T型梁梁体已有裂缝修补、封闭。
4.3 涂刷底层结合剂 在已处理好的T型梁梁底表面涂刷特殊底层结合剂，并使其浸入混凝土表层，增强碳纤维与混凝土结合力。
4.4 T型梁梁底表面细微找平 在已涂刷底层结合剂的T型梁梁底，采用独特的环氧腻子找平材料，对细微处整平，以便碳纤维与混凝土良好结合。
4.5 粘贴碳纤维 在经过处理后的T型梁梁底涂刷特殊的结合材料，将预先裁好的碳纤维粘贴于混凝土表面，碳纤维粘贴后再在其表面涂刷粘结材料。
4.6 表面防护及涂装 碳纤维粘贴完成后，对表面进行水泥胶浆涂装，保持修补后与修补前及未修补位置的颜色一致性和结构美观。
局部各道工序均有严格的操作要求，操作手必须进行专业培训，必须具有上岗证，承包单位应具有一定的经验和资质证明，以确保“粘贴结合面”的可靠工作。
5 碳纤维加固机理
钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料之所以能有效结合在一起共同工作，主要的受力机理为:
5.1 钢材与混凝土有良好的粘结力，能够在受力后共同变形。
5.2 钢材与混凝土良好的化学相容性。因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生腐蚀，且由于钢筋被包裹在混凝土之中，更使钢筋有了一个可靠的保护而不致被腐蚀。
5.3 钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度，这是钢筋混凝土结构受力的基本机理。
5.4 具有相近的温度线形膨胀系数，会由于温度变化产生较大的温度内应力而破坏两者之间的粘结。
6 碳纤维加固局限
碳纤维在一定程度上优化了公路桥梁建设，但是，我国建筑工程领域碳纤维加固补强技术的推广使用还有以下局限性:
6.1 工程使用的碳纤维材料主要依赖进口，而且必须使用价格昂贵的配套粘结胶；
6.2 有限的粘结、连接和锚固技术，导致碳纤维材料界面增多、加固效率降低、工程量增大、成本增加；
6.3 由于材料的特殊性，施工需要一定的技术，因此需要经过专门培训的施工员进行操作；
6.4 由于生产工艺不同，还没有形成统一的检验方法和标准；
6.5 国产碳纤维布(板)，由于原材料性能等的限制，其力学性能等还有待提高。
7 结语
碳纤维是一种高科技材料，它最早应用于航空及航天工业，现已逐步在土木工程中推广应用。由于碳纤维具有良好的力学性能，高强高效、材质薄、重量轻、施工简便、耐久耐腐蚀性好等优点，是加固混凝土结构的一种好方法，可以提高加固工程的经济效益和社会效益，值得大力推广，具有广阔的应用前景。