摘要：碳纤维材料加固技术作为一种新型的混凝土桥梁加固技术，在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛得到应用，并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开始，下面我就谈谈混凝土桥梁加固工程中碳纤维材料加固技术的应用。
　　关键词：碳纤维，市政工程，桥梁加固
　　
　　1．引言
　　 随着城市经济水平的不断提高，上海城市建设日新月异，正朝着建设国际大都市的目标前进。城市基础设施的建设受到人们越来越多地关注。其中，以城市道路、桥梁、隧道、市政管线为主的市政基础设施的更新与扩容又是城市基础设施建设的重要内容。在对现有市政工程设施中那些不能继续满足使用要求的建筑物、构筑物进行维护更新过程中，就需要运用到结构加固技术。
　　 运用碳纤维材料加固混凝土结构技术最早在一些发达国家兴起的一种新型加固技术，它利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴在混凝土结构表面，形成复合材料体，通过其与混凝土结构的协同作用，达到对原结构补强加固和改善结构受力性能的目的。由于碳纤维加固技术具有质量轻、强度高，施工快速便捷，抗疲劳性能佳以及优秀的耐腐蚀、抗渗透等性能，该技术近年来在我国土木工程结构加固改造领域中迅猛发展，脱颖而出。它弥补了传统加固技术方法中的诸多不足，体现出了不可替代的优越性。
　　 近期运用碳纤维材料加固混凝土结构技术也出现在了市政工程建设领域，不少城市桥梁、隧道、堤岸工程以及其他一些市政设施建筑物、构筑物的维护大修工作过程中都采用了该技术。在我参与的杨高路（环南一大道~龙阳路立交）改造6标项目中，川杨河大桥结构加固就运用了此技术，下面我就结合实例来谈谈碳纤维结构加固技术在桥梁加固工程中应用前景的看法。
　　
　　2．市政工程领域对结构加固技术的需求
　　 由于市政工程的更新与扩容基本处于市区，其工程建设将对城市正常运行将产生影响。如果对不满足未来使用要求的市政设施进行拆除重建，不仅需要付出昂贵的经济代价，同时还将经历较长的工程建设周期；如果对其进行加固处理，达到未来使用要求的标准，不仅解决工程造价，同时其工程建设周期相对较短。因此，在设施拆除重建与加固处理两种方案的比选中，常常会选择对原设施加固处理。
　　
　　3、 碳纤维结构加固技术介绍
　　3.1 概述
　　 近年来FRP（Fiber Reinforced Plastics纤维增强塑料）在土木工程中的应用一直是国外土木工程界研究开发的一个热点。FRP的含义很广，它指近年来开发出来的各种高科技纤维材料，其中CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics 碳纤维）在土木工程领域研究和应用较多，并日益受到工程界的重视。根据生产的原料不同，碳纤维有很多种类，主要有碳纤维布、碳纤维板和碳纤维预应力筋。这些碳纤维产品的共同特点是：
　　轴向抗拉强度高，纤维方向的抗拉强度约为普通碳素钢的十几倍；
　　密度小、重量轻，易于施工操作；
　　耐久性好，有良好的耐腐蚀及耐老化性能，不需采用特殊的防护措施；
　　弹性模量高，高强型碳纤维的弹性模量略高于普通钢材，而高弹型碳纤维的弹性模量可达钢材的两倍；
　　应力应变曲线呈线性关系，直至拉断脆性破坏。
　　 碳纤维结构加固方法是指利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土构件表面，使混凝土构件与碳纤维共同作用，从而达到对构件结构补强加固及改善结构受力性能的目的。碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究工作开始于二十世纪八十年代末。迄今，瑞士、德国、日本、美国等国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家都相继进行了大量碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开发，并在此基础上已编制形成了自己国家的行业标准与规范。我国自1997年开始对碳纤维布加固修补钢筋混凝土结构技术进行系统研究开发。目前该领域的技术的规程《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）已经中国建设标准化协会批准，于二OO三年五月正式颁布执行。
　　3.2 施工工艺介绍
　　 碳纤维结构加固方法的施工工艺主要包括施工前期准备、加固区域混凝土结构基层表面的打磨与修复处理、碳纤维材料与胶结剂的制备、碳纤维材料的粘贴及固化养护、现场粘贴成品的保护以及施工验收。
　　 该方法的工艺流程如下图：
　　
　　
　　3.3碳纤维结构加固技术的优越性
　　 与传统加固修补方法及粘钢板、喷射混凝土加固技术相比，碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构具有明显的技术优势，主要表现在：
　　高强高效。由于CFRP优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。
　　施工便捷。施工工效高，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少。
　　具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。试验表明，粘贴CFRP加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性能及耐久性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。
　　适用面广。粘贴CFRP加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型土木工程结构，如大型桥梁的桥墩、桥梁及桥板，隧道、大型筒体及壳体结构工程等，采用原有的加固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术都能很顺利地解决。
　　施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以保证近100%的有效粘贴率，而且粘贴后发现表面局部有气泡，也很易于修补。
　　碳纤维材料质量轻且薄。碳纤维布厚度为0.1至0.3mm，碳纤维板的厚度为1.2mm和1.4mm，其密度为钢材密度的20%，加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸。
　　
　　4．碳纤维在桥梁加固工程的应用实例
　　4.1 工程概况
　　 上海川杨河大桥位于浦东新区杨高南路，由上海市城市建设设计院设计，1995年建成通车。2008年初，为配合杨高路（龙阳路~环南一大道）道路拓宽改造工程，需要对川杨河大桥进行加固处理，以满足道路拓宽与荷载等级提高的要求。
　　4.2 加固方案
　　 根据杨高路拓宽对川杨河大桥加宽的要求，以及检测单位提交的对川杨河大桥进行的可靠性检测报告，针对于上下部结构由于荷载等级提高及新增恒载的变化进行结构验算。根据验算，原桥梁基础与桥墩能满足新荷载条件的使用要求，但桥面的板梁和T梁，以及支承桥面的盖梁不能满足新荷载条件的使用要求或承载力富余量不足，需要对其进行加固处理。
　　 桥梁加固的方法选择粘贴碳纤维布的方法。对于板梁和T梁，在梁跨中沿梁底纵向粘贴碳纤维布，在梁的支座两端粘贴L型碳纤维箍，碳纤维布的宽度、厚度以及层数则根据被加固梁的钢筋截面积缺失量来确定。
　　 对于盖梁，在两侧面粘贴碳纤维U型箍，盖梁顶设置带状压条碳纤维布。碳纤维布的宽度、厚度以及层数则根据被加固梁的钢筋截面积缺失量来确定。
　　4.3 加固功效评价
　　 采用碳纤维材料进行结构加固技术对采用的加固材料以及加固施工工艺的要求十分高，如果材料质量与施工工艺达不到技术规范的要求，整个加固工程就无法取得成功。因此，在采用碳纤维材料进行结构加固时，需要对加固材料进行室内试验以及对施工工艺进行现场检测。材料室内试验主要进行碳纤维材料的抗拉强度标准值、弹性模量、伸长率三个指标的测定，以及碳纤维材料与混凝土结构的正拉粘结强度测定；施工工艺的现场检测主要是对碳纤维材料与现场混凝土结构的粘结强度测定。
　　 用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍；但是，碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。
　　 川杨河大桥结构加固采用的材料是瑞士西卡（sika）品牌，碳纤维材料规格为Sikawrap 301c，粘结胶水为Sikadur 330。材料室内试验结果为：抗拉强度标准值4110Mpa（规范要求≥3000 Mpa），弹性模量260Gpa（规范要求≥210 Gpa），伸长率1.8（规范要求≥1.5），正拉粘结强度3.8 Mpa（规范要求≥2.5Mpa）。试验结果表明该工程采用的材料满足结构加固的需要。
　　4.2.1用压缩空气将表面浮尘清除干净[未凿部位（需加固处）用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平]，用丙酮将需粘贴处清洗干净。用刮板将它均匀地涂在底面（两侧刮150mm），待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。调好的底胶在规定的时间内用完，一般情况下40min内用完。
　　4.2.2粘贴碳纤维布前用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上需粘贴碳纤维布处，随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位，然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚压，挤出汽泡。待指触干燥后，即可以进行第二道碳纤维布的粘贴，方法同第一道。碳纤维布的搭接长度一般为100mm，端部用横向碳纤维布固定。
　　4.2.3两道碳纤维布粘贴完，待指压干燥后，再刮涂一层面胶，来回滚压，使胶充分渗入到碳纤维布中去。
　　 对于施工工艺的现场检测，参考CECS146:2003（2007年版）标准，利用SHJ-40型多功能强度检测仪进行多组测试，得到的粘结强度平均值为2.99，且破坏形式为混凝土内聚破坏，满足规范要求。
　　 当材料室内试验以及对施工工艺的现场测试结果满足国家规范要求时，则该加固工程达到了加固设计的要求，也即加固后的桥梁结构能满足功能改变后的使用要求。
　　5．结论
　　 由于采用碳纤维材料进行结构加固技术相比于粘钢加固、外包钢加固、扩截面加固等传统加固技术手段来说，具有轻质高强、耐久性强、施工便捷以及使用面广等许多无可比拟的优势，近年来在工程结构加固施工中得到了广泛运用。随着我国不少大城市基础设施建设已由大规模的新建阶段向全面维护阶段更新转变，可以预见，未来采用碳纤维材料进行结构加固技术在桥梁加固领域乃止整个市政工程领域也将得到长足发展。