白海斌

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西太原 030012)

改革開放30年以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，交通量快速增長，道橋建設(shè)蓬勃發(fā)展，道橋面貌日新月異。但是我國在20世紀(jì)60年代～70年代修筑的橋梁因設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及負(fù)荷較低，在車行密度及載重量越來越大的今天，相當(dāng)一部分橋梁已經(jīng)滿足不了使用要求。根據(jù)1982年不完全統(tǒng)計(jì)，我國在80年代前修筑的公路橋梁中，僅危橋就4 328座。因此，我國的舊危橋加固維修任務(wù)十分繁重。使用常用的橋梁加固技術(shù)，往往會(huì)破壞橋梁現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，帶來不可預(yù)知的影響因素。而碳纖維橋梁加固新技術(shù)的出現(xiàn)，可以很好的彌補(bǔ)原有技術(shù)的不足，提高加固效率和質(zhì)量，在我國具有很好的發(fā)展前景。碳纖維及碳纖維編織布見圖1，圖2。

1 碳纖維加固新技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱CFRP)，一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，抗拉彈性模量為230 GPa～430 GPa。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，具有無蠕變，耐疲勞性好，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好的特點(diǎn)。

圖1 碳纖維

圖2 碳纖維編織布

國外碳纖維技術(shù)起步較早，技術(shù)成熟并大規(guī)模應(yīng)用。全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL，ZOLTEK，ALDILA三家公司，以及韓國泰光產(chǎn)業(yè)，中國臺(tái)灣的臺(tái)塑集團(tuán)等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)模化大生產(chǎn)。日本是碳纖維的發(fā)源地，是碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用大國。它的碳纖維材料技術(shù)在世界領(lǐng)先，不僅在物理、化學(xué)性能方面有所突破，其相關(guān)產(chǎn)品幾乎壟斷了世界市場。美國在碳纖維材料的實(shí)用性能方面研究較多，如其經(jīng)DMF液處理后，提高了其抗張強(qiáng)度，削弱了纖維的直徑，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。其他國家，如法國、澳大利亞、韓國、德國等，也一直進(jìn)行著碳纖維材料技術(shù)的研究，并取得了不同的研發(fā)成果。在亞洲地區(qū)，我國臺(tái)灣地區(qū)也是碳纖維的重要研發(fā)、生產(chǎn)及使用廣泛的地區(qū)。20世紀(jì)80年代末臺(tái)灣掌握了從聚丙烯腈的聚合和紡絲到碳纖維的制備技術(shù)，隨著研究的進(jìn)一步深入，臺(tái)灣逢甲大學(xué)柯澤豪教授于2003年研發(fā)出殺菌率在99.99%以上的活性碳纖維。

我國有關(guān)碳纖維的相關(guān)技術(shù)始于20世紀(jì)70年代末。1985年，吉化公司從英國RK公司引進(jìn)并投產(chǎn)了一條年生產(chǎn)能力為100 t的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)線。雖然我國研制碳纖維已有30余年的歷史，但至今尚未掌握高性能碳纖維的核心技術(shù)，生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量至今仍處于低水平，仍有90%左右的市場需求依賴進(jìn)口?？上驳氖?，“十一五”期間，我國碳纖維研發(fā)工作全面提速。2008年，吉林奇峰化纖股份有限公司負(fù)責(zé)的原絲開發(fā)及中試項(xiàng)目通過了專家小組的鑒定，突破了困擾多年的原絲質(zhì)量不過關(guān)這一瓶頸。2009年，中國石油吉林石化公司碳纖維廠(我國首個(gè)百噸級(jí)碳纖維材料生產(chǎn)基地)投入生產(chǎn)運(yùn)營，其自主研發(fā)碳纖維產(chǎn)品性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平，打破了國外對我國的技術(shù)封鎖。2010年，哈爾濱天順化工科技開發(fā)有限公司負(fù)責(zé)的高性能聚丙烯腈碳纖維原絲的聚合工藝通過了專家小組鑒定，進(jìn)一步突破了制約我國碳纖維發(fā)展的技術(shù)瓶頸問題。由于目前我國的碳纖維產(chǎn)量滿足不了國內(nèi)市場的需求，短時(shí)間內(nèi)還擺脫不了對碳纖維產(chǎn)品的進(jìn)口依賴，因此加快技術(shù)研發(fā)勢在必行。

2 碳纖維在橋梁加固工程中的應(yīng)用

碳纖維良好的化學(xué)穩(wěn)定性、出色的化學(xué)性能，且具有施工程序簡單及工期短的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，將其應(yīng)用于舊危橋梁修復(fù)加固，具有良好的發(fā)展前景。

1)碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原理。碳纖維修復(fù)加固技術(shù)是指使用粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼到需要修復(fù)的構(gòu)件表面，通過碳纖維布及鋼筋混凝土的共同工作，提高橋梁構(gòu)件的承載能力。將碳纖維通過某種特殊的方法粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面，原混凝土結(jié)構(gòu)與樹脂固化后的碳纖維組成了新的復(fù)合體。在有外力時(shí)，碳纖維片和混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，使得原有的鋼筋應(yīng)力因碳纖維分擔(dān)部分負(fù)荷而降低，大大修復(fù)加固橋梁結(jié)構(gòu)。碳纖維材料具有很好的力學(xué)性能，粘貼時(shí)緊挨橋梁結(jié)構(gòu)的外形，粘貼的樹脂的強(qiáng)度又很高，這樣既可以保證應(yīng)力的傳遞，又能保證粘貼面不會(huì)發(fā)生脫落剝離，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、加固橋梁結(jié)構(gòu)目的。

2)用碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的方法及其施工要點(diǎn)。碳纖維修復(fù)加固技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，適用于各種橋梁結(jié)構(gòu)的加固修補(bǔ)。這里簡要介紹碳纖維材料新技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)加固橋梁鋼筋混凝土抗彎、抗剪及抗震等構(gòu)件的方法。

碳纖維應(yīng)用于加固橋梁抗彎構(gòu)件。橋梁受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)，代替(補(bǔ)充)鋼筋的性能，達(dá)到或者提高構(gòu)件的抗彎承載力的目的。

碳纖維應(yīng)用于加固橋梁抗剪構(gòu)件。橋梁抗剪構(gòu)件的抗剪加固，是將碳纖維布粘貼于抗剪構(gòu)件的受力區(qū)，在構(gòu)件屈服前，碳纖維布的應(yīng)變緩慢;在構(gòu)件屈服后，箍筋的作用漸漸被碳纖維布代替，碳纖維布應(yīng)變速度加快，達(dá)到修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)抗剪構(gòu)件的目的。

碳纖維應(yīng)用于加固橋梁抗震構(gòu)件。應(yīng)用碳纖維布對抗震構(gòu)件加固，就是用碳纖維布橫向包裹抗震柱。碳纖維布的作用是對抗震柱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)起一種被動(dòng)的約束作用。隨著抗震柱承載力的增加，橫向膨脹促使外包的碳纖維布環(huán)向伸延，提高了其側(cè)向約束力，明顯的改善抗震構(gòu)件的延性。

碳纖維材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)橋梁混凝土構(gòu)件是橋梁修復(fù)加固的一項(xiàng)新技術(shù)。其施工工藝流程如下：混凝土基底處理→涂刷底涂樹脂→環(huán)氧膩?zhàn)诱移叫扪a(bǔ)→涂刷粘結(jié)樹脂→粘貼碳纖維片→養(yǎng)護(hù)→涂裝。

因使用碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)所用材料相對特殊，所以在材料準(zhǔn)備與施工操作中應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

1)施工中，碳纖維片不能被彎折或碰撞，以免出現(xiàn)斷絲;2)碳纖維片縱向接頭，搭接的地方要與構(gòu)件應(yīng)力的最大區(qū)段分開，同時(shí)搭接一定的距離，多層粘貼進(jìn)行時(shí)，在一個(gè)部位不能進(jìn)行各層的搭接，且層間要錯(cuò)開一定的距離;3)粘貼碳纖維片要平整密實(shí)，粘貼碳纖維片的混凝土結(jié)構(gòu)表面要處理平整，否則會(huì)出現(xiàn)翹邊或空鼓現(xiàn)象;4)露鋼筋的要進(jìn)行防銹或者除銹處理;對混凝土裂縫粘貼的表面要處理平整，拐角處要處理成具有一定長度的圓角，同時(shí)要保證表面的干燥及清潔;5)根據(jù)施工的氣候條件及溫度情況選擇不同型號(hào)的環(huán)氧膩?zhàn)?、底層涂料等材?6)需要能夠在不斷有震動(dòng)影響的交通中進(jìn)行施工作業(yè)，加固實(shí)例見圖3，圖4。

圖3 碳纖維布加固橋梁梁體

圖4 某路局貼合芳綸纖維布加固橋

3 碳纖維技術(shù)應(yīng)用于橋梁加固需解決的一些問題

碳纖維加固新技術(shù)的出現(xiàn)，完善了現(xiàn)有的橋梁修復(fù)加固技術(shù)。但是由于發(fā)展時(shí)間短，現(xiàn)場數(shù)據(jù)缺乏，理論及實(shí)驗(yàn)方面的研究也不夠全面。故碳纖維新材料技術(shù)應(yīng)用于橋梁修復(fù)加固還需要解決以下問題：1)碳纖維材料的疲勞老化問題。碳纖維材料在日光暴曬、液體浸泡、化學(xué)介質(zhì)侵蝕等作用下會(huì)發(fā)生疲勞老化，這樣會(huì)改變其力學(xué)性能，如何防止材料的疲勞老化也是其使用的難點(diǎn)問題。2)施工中的橫向接頭連接問題?，F(xiàn)場施工中，需要碳纖維布在受力方向連接，這種連接的接頭設(shè)計(jì)比較困難，這就需要設(shè)計(jì)出更加方便、經(jīng)濟(jì)、可靠的接頭連接方式。3)如何避免可能發(fā)生的脆性破壞。和鋼筋相比，碳纖維布拉伸強(qiáng)度很大，對橋梁抗彎結(jié)構(gòu)效果明顯，這就有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，鋼筋未屈服，而可能發(fā)生混凝土被壓碎的脆性破壞，因此，使用多少纖維布，避免脆性破壞是個(gè)需要研究的問題。

4 結(jié)語

碳纖維材料新技術(shù)應(yīng)用于橋梁加固，不增加結(jié)構(gòu)自重，不會(huì)對原結(jié)構(gòu)造成新的損傷，比傳統(tǒng)技術(shù)顯示出了更多的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)將為橋梁加固技術(shù)帶來新的變革，將為橋梁加固產(chǎn)業(yè)開辟新的產(chǎn)業(yè)途徑，促進(jìn)橋梁加固技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，抗震性能的加固可以作為新的防震措施來發(fā)展。但是由于產(chǎn)能和技術(shù)瓶頸，我國仍有90%左右的市場需求依賴進(jìn)口，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維材料成本的逐步降低，試驗(yàn)、制造以及施工工藝的不斷進(jìn)步，碳纖維材料在我國未來的橋梁加固技術(shù)中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 百度—碳纖維，http：//baike.baidu.com/view/82595.htm.

［2］ 呂志濤.高性能材料FRP與結(jié)構(gòu)工程創(chuàng)新［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22(1)：29-30.

［3］ 田 水，朱 暾.纖維增強(qiáng)材料在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003(3)：85-87.

［4］ 岳清瑞.我國碳纖維(CFRP)加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.工業(yè)建筑，2000(10)：100-102.

［5］ 吳金翔.橋梁加固技術(shù)研究［J］.山西建筑，2010，36(4)： 328-329.