本文從碳纖維補強法的加固原理、加固形式、性能特點及其優越性等方面，對該工法進行了詳細闡述，并將該工法運用于京津塘高速公路橋梁維修加固施工中，得到業主及相關部門極高的好評。

    一、 引言

    改革開放的30年來，我國的土木工程建設迎來了飛速發展歷史時期，整個中國幾乎成了一個大的建設工地，新的高樓大廈、展覽中心、鐵路、公路及橋梁、港口、航道及大型水利水電工程，在祖國大地上，如雨后春筍般地涌現，發展之快、數量之巨，令世界各國驚嘆不已。另一方面隨著工程數量的增加，越來越多的建筑進入養護期，例如：上世紀90年代初建設的公路橋梁，由于當初建設標準低，加上長時間高負荷使用，很多橋梁均出現不同程度的破壞，橋梁維修工程量增加同樣迅速，傳統的維修工藝已經無法滿足現狀需要，這就要求出現技術上更新穎、操作上更便捷、經濟效益上更優的新的加固工藝，本文將介紹一種新型加固施工工藝—碳纖維補強法及其橋梁加固中的運用。

    二、 碳纖維補強法的加固原理

    碳纖維是在幾千度的高溫下經特殊工藝制造的一種高科技產品，碳纖維片是將碳纖維浸漬樹脂，用特殊工藝制成的纖維定向排列的復合片材，它具有高強輕質，抗腐蝕，耐老化，物理性能穩定等諸多優點，其拉伸強度約為鋼材的7~8倍，碳纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬形成為碳纖維增強復合材料片材（Carbon Fiber Reinforced Plastics Plastics或polymer，簡稱C碳纖維），將片材用專門配置的環氧樹脂粘貼在結構受拉面，樹脂固化后與原結構形成新的受力復合體，碳纖維片即可與鋼筋共同受力，由于碳纖維片分擔了荷載，就降低了鋼筋的應力，而使得結構得到加固補強。

    三、 公路橋梁常見的碳纖維補強形式

    1、 抗彎補強

    碳纖維片貼在受拉一側，即跨中的下部和連續板、連續梁、懸臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘帖。由于碳纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時延伸率小于鋼筋，故在結構受力時先行受力，隨荷載逐漸增加達到兩者變形協調時，兩者共同受力并按一定比例分配，往往在補強前或者因原有鋼筋銹蝕造成截面積不足，或因超載原有鋼筋應力過大，補強后碳纖維分擔了拉力，使鋼筋應力大大降低，結構承載力得以提高。抗彎補強時，可以根據受力需要貼一層至多層，還可以用高彈性模量片材，補強效果更顯著。

    2、 抗剪補強

    通常是梁靠近端部主拉應力較大的區域或有次梁或較大集中荷載作用的部位，補強時在梁的兩側面豎向粘貼，或與梁底形成U形環包，相當于增加抗剪箍筋以分擔原箍筋的剪力。

    3、 抗疲勞補強

    公路橋梁及橋面板，采用粘貼碳纖維片以提高其結構的疲勞抗力。

    四、 碳纖維補強法的性能及優越性

    碳纖維加固補強混凝土結構具有很多優于傳統方式的特點和優越性，是混凝土結構修復補強技術的一個新發展，碳纖維補強技術的特點和優越性可以歸納如下：

    1、 施工簡便迅速

    用碳纖維片修復補強混凝土結構只需將被修補部位的混凝土表面修補打磨平整，表面潔凈，涂刷特定的環氧樹脂，然后粘貼碳纖維片，不需任何夾具、模板和支撐施工既簡便又迅速。

    2、 基本不增加結構重量

    碳纖維片的重量僅200g~300g/m2，設計厚度0.111~0.167mm，加上環氧樹脂的重量仍然很輕，對結構自重的影響甚微，可忽略不計。

    3、 能適應各種結構外形的補強

    碳纖維片的厚度很薄，可以裁剪成所需形狀，順應結構的外形粘貼在混凝土表面，如變截面梁、曲線梁，均可方便地粘貼。

    4、 可以多層粘貼

    根據補強設計的要求，碳纖維片可以在一個部位重疊粘貼，即貼一層后上面再貼一層，連續貼很多層，充分滿足補強的要求。

    5、 能有效地封閉混凝土的裂縫

    碳纖維片粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，碳纖維片高強度高模量的特性還約束了混凝土結構裂縫的生成和擴展，改變了裂縫的形態，使寬而深的裂縫變成分散的細微裂縫，從而提高了混凝土構件的整體剛度。

    6、 不影響結構的外觀

    碳纖維片的厚度很薄，粘貼固化后表面還可以涂刷與原結構顏色一致的涂料，而不影響結構的外觀

    7、 耐久性好

    碳纖維片和環氧樹脂的化學穩定性能都非常好，耐酸、堿和鹽類的腐蝕，還可以防水，在重復荷載作用下的疲勞性能也優于金屬及混凝土材料，可長期經受核輻射和紫外線輻射，在-54度~82度溫度環境條件下使用，強度不降低，經加速老化試驗推算，可歷時40年性能不變，且在表面涂裝后，其耐久性將更為突出。

    五、 碳纖維補強法在實例工程中的運用

    （一）實例工程簡介（2009年京津塘高速公路T梁維修加固工程）

    京津塘高速公路金鐘路高架橋位于天津市宜興阜鎮境內，全長3740米，其上部結構采用先張預制T梁結構，根據現狀調查，由于橋梁超載運行，造成橋梁出現不同程度的梁體開裂病害，為保證橋梁正常使用安全，針對裂縫大于0.25mm的梁體在梁側面及底面采用粘貼碳纖維片進行補強。

    （二）碳纖維修復補強技術施工工藝

    在碳纖維片加固施工前，應盡可能地卸去部分荷載，使碳纖維粘貼施工時結構和構件承受的荷載作用減小到最小程度。其施工工序為：基底處理，涂底層涂料，找平處理，碳纖維片裁剪，粘碳纖維片，養護，涂裝，完工驗收。

    1、混凝土表面處理

    1）清除梁體表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。

    2）梁體鋼筋露出部位采用鋼絲刷進行防銹處理，對于較大面積的劣質層混凝土在鑿除后采用環氧砂漿進行修復，并養護三天。

    3）將梁體表面打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出混凝土結構新面。轉角粘貼處進行導角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。并用環氧樹脂砂漿將表面修復平整。

    4）表面打磨后，應用強力吹風器或吸塵器將表面粉塵徹底清除，并保持干燥。

    2、 涂底層涂料

    1）把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放入容器內，用攪拌器攪拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完。

    2）用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后（一般養護3~24小時）才能進行下一道工序的施工。

    3）底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類似結露的露珠一樣）要用砂布或角磨機磨平。

    3、粘貼面找平處理

    1）按產品生產廠家提供的配比規定配制找平材料。 

    2）混凝土表面修補選用丙酮將表面浮塵擦去，有凹陷處，應使用修補膠找平；有段差或轉角部位，應抹成平滑曲面。 

    3）轉角處采用找平材料修理成為光滑的圓弧，半徑不應小于20mm。 

    4）用刀頭寬度≥100mm的刮刀對凹坑實施填塞修補、找平，找平程度按眼觀目測無明顯的刮板或刮刀痕跡紋路平滑為準。 

    5）在找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。

    4、碳纖維布（板）剪裁 

    1）按設計規定尺寸剪裁碳纖布，切記必須滿足設計尺寸，嚴禁斜切碳纖布，并防出現拉絲現象。 

    2）保證剪裁后的碳纖維方向與粘貼部位的方向一致。 

    3）剪裁成型的碳纖維注意保護潔凈不受污染。

    5、粘貼碳纖維片

    1）樹脂的主劑和固化劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器用攪拌器均勻攪拌，一次調和量應在可使用的時間內完成。

    2）纖維片材長度方向的接頭必須搭接10cm以上，該部位應多涂樹脂，脫泡、樹脂操作按正常進行，在片材寬度方向不需要搭接。

    3）貼片前用滾筒刷均勻地涂抹粘貼用環氧樹脂，稱為下涂。貼片時，在纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣。可用羅拉（專用工具）沿纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹脂滲浸進纖維中。

    4）纖維片施工30分鐘后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環氧樹脂，稱為上涂。如需多層粘貼則重復此階段之（1）~（4）步驟，并保證底層粘貼的碳纖維片上涂已指觸干燥，才能粘貼下一層。

    5）最后一層碳纖維的上涂應涂刷均勻，周邊整齊。

    6、養護

    碳纖維片施工后，應進行養護，保證養護期間的溫度不低于環氧樹脂允許使用溫度。養護期一般在1~2周內。

    7、表面涂裝

    在粘貼后的碳纖維表面涂刷基于環氧基底的涂料進行裝飾。

    8、完工驗收

    用小錘輕擊，檢查空鼓，無空鼓或只有少量小空鼓（＜3cm）便視為合格，對于較大空鼓（≥3cm）或較多的小空鼓應進行灌膠（注入TR樹脂）處理。

    （三）碳纖維修復補強施工注意事項

    1、氣溫在5度以下、相對濕度RH＞85%、混凝土表面含水率在8%以上、有結露的可能時，無有效措施不得施工。

    2、由于碳纖維片為電的良導體，應使其遠離電源。

    3、施工用各種樹脂遠離明火，并避免陽光直射。

    4、施工及檢查人員應穿防護工作服，佩戴口罩、手套、防護眼鏡等防護用品。

    5、施工現場通風狀態良好。

    6、當樹脂粘附在皮膚上時，應立即用肥皂水沖洗，濺入眼內用清水清洗干凈。

    （四）工程效果檢驗

    經過碳纖維片補強后，金鐘河高架橋梁體開裂病害得到有效的控制，梁體承載能力符合日常車流量要求，該施工工藝在補強梁體結構受力的同時，確保了正常交通的通行，獲得了業主及相關部門的一致好評，為碳纖維片補強法在舊橋加固中運用樹立了好的典范。

    六、 結論與展望

    碳纖維材料是新近發展起來的高科技產品，以其卓越的性能將有廣闊的應用前景，利用碳纖維材料進行結構加固的工藝以其優越的力學性能、良好的化學穩定性能以及便捷高效的施工特點正在為越來越多的人所親睞，碳纖維補強法施工工藝將會在公路舊橋加固、房建、工程事故處理等領域中，得到更為廣泛的應用。