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橋梁結構碳纖維加固技術與應用

（一）前言

中國橋梁工程的發(fā)展已具有相當規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國20世紀80年代以前修建的，因其設計荷載標準偏低，普遍存在承載力不足的問題。雙向碳纖維布主要以碳纖維為基體材料，以棉線為輔助材料，經(jīng)引紗、經(jīng)緯線編織、預成型、裁剪等處理制造而成。而20世紀80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠沒有達到設計壽命時出現(xiàn)耐久性能嚴重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當?shù)募庸毯透脑旒夹g措施，恢復和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應現(xiàn)代化交通運輸?shù)男枰兊檬制惹小?

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學性能。2、環(huán)氧樹脂特性環(huán)氧樹脂固化后也具有良好的物理、化學性能，環(huán)氧樹脂介點性能良好，制品穩(wěn)定性好，變定收縮率小，柔韌性較好，硬度高，對堿及大部分溶劑穩(wěn)定，而且使用環(huán)氧樹脂可以加強兩種材料之間的粘結強度。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強度標準值應大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢，適宜將CFRP材料作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件，特別適用于純受拉構件，工程實踐也證明了這一點。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補強的施工工藝

1、根據(jù)設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理

(1)將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；

(2)裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；

(3)將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內(nèi)用完為準；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。

3、環(huán)氧結構膠對構件表面殘缺的修補

(1)構件表面凹陷部位應用環(huán)氧結構膠填平，修復至表面平整；

(2)內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧結構膠填補使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養(yǎng)護

粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點

在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。

2、按設計要求對破損面鋼筋處理后用環(huán)氧樹脂裂縫膠進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。也就是說如果Mb與M0差值較小，碳纖維抗彎加固的作用是有限的，粘貼更多的碳纖維也不能提高抗彎能力，而只能導致規(guī)范不允許的超筋截面。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。5%以上的拉伸變形，而通常構件的變形限制所允許的表面應變遠遠小于這一變形，當加固鋼筋混凝土結構時這一缺陷更加明顯，鋼筋的屈服變形僅為0。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時進行表面防護及外觀處理。

（五）注意事項

1、碳纖維片材選擇注意事項

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內(nèi)用完為準。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。

②按設計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時應考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4％。

⑨樹脂配制時應按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質。宜根據(jù)現(xiàn)場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。

⑩為了保證粘貼的質量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。

（六）對碳纖維加固補強技術的展望

碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設計厚度0.111mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；

3、能適應各種結構外形的補強；

4、可以多層粘貼?？筛鶕?jù)設計要求，在一個部位重疊粘貼。

（七）結束語

隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。

預應力碳纖維布的基本性能

預應力碳纖維布加固技術的碳纖維布預先承受了拉力，通過膠粘劑與混凝土構件結成一體，以起到加固修復混凝土構件的加固方法，與一般加固方法的碳纖維布相比，可以較大的提高結構的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，顯著提高構件的剛度，減小構件變形，有效抑制裂縫的形成開展，能有效的克服普通碳纖維布加固時存在的問題，是碳纖維布對構件由原來的施加被動約束轉化為施加主動約束，充分發(fā)揮碳纖維布的高強性能。短切玄武巖具有突出的耐高溫性，使其可以在為零下269-650℃范圍之間連續(xù)工作。使用預應力加固技術后的碳纖維布相較于普通碳布，強度方面更為優(yōu)越。預應力碳纖維布加固混凝土可以充分發(fā)揮碳纖維布的高強性能，預應力碳纖維布加固的混凝土要比普通碳纖維布加固混凝土的承載力，剛度等性能指標都有明顯提高，而且施加預應力越大，提高的效果越明顯。

建筑物是用植筋膠加固，還是用碳纖維布加固？

1.植筋膠加固技術

我們應該非常熟悉植筋膠加固技術。畢竟在傳統(tǒng)加固中植筋膠應該算得上是佼佼者。由于開發(fā)時間長，技術比較成熟，施工方便，因此被廣泛應用。

植筋膠加固技術是為了避免鋼筋混凝土結構開孔時因錘擊造成的結構損失而提出的，后來開孔技術便被廣泛應用于剪力墻、高層建筑樓板和核心管中。

2.碳纖維布加固技術

近年來，建筑碳纖維布的加固技術在國際上非常流行，與傳統(tǒng)的植筋膠加固地位相比，建筑碳纖維布明顯是比較"青澀"的，但由于它很受歡迎，在許多工程中都有它的身影，它輕質、高強度、耐疲勞、耐腐蝕，可以像布一樣切割，選用碳纖維布加固建筑物，不會影響建筑物的美觀，也不會損壞構件的截面。玻璃纖維復合筋的低密度減輕了施工工程自身的重量，使運輸、施工和安裝過程更加方便。

3.建筑物是用植筋膠加固，還是用碳纖維布加固更好？

植筋膠加固技術比較成熟，建筑碳纖維布加固技術比較流行，但當我的房子得到加固時應該用哪一種加固方法會更好這倒成了一個疑問？因為房屋加固的質量將影響房屋未來的使用安全，所以有必要嚴格選擇加固方法，以保證加固質量。

但事實上，這兩種方法各有優(yōu)缺點，如果房屋的加固部分相對較小，施工的地方比較有限，那么可以直接粘貼建筑碳纖維布，方便快捷也不需要為大型機器騰出空間。如果它是追求性價比，它可能更適合于植筋膠加固。

碳纖維加固方法的具體區(qū)別是什么？

（1）粘鋼加固

與鋼板結合被固定到建筑結構與混凝土的表面上形成特殊的粘接部件，這樣整體力一起工作，以改善一種加強結構的承載能力的方法。建筑加固利用碳纖維、粘鋼、高壓灌漿對建筑進行加強加固。也就是說如果Vmax與V0差值較小，碳纖維抗剪加固的作用也是有限的。此技術廣泛用于設計變更，增加梁、柱、懸挑梁、板等加固和變更工程，是目前建筑結構抗震加固工程上的一種鋼筋后錨固利用結構膠作用的連接技術。房屋鑒定由專門的機構對房屋的安全性做出科學的評價，確保居住人的生命財產(chǎn)安全。植筋加固一項針對混凝土結構較簡捷、有效的連接與錨固的技術；可植入普通鋼筋，也可植入螺栓式錨筋；現(xiàn)已廣泛應用于建筑物的加固改造工程。

(2)碳纖維加固

碳纖維加固技術是一種非常簡單、優(yōu)良的加固方法。在錨固底座對應位置埋入配套的高強螺栓，將錨固底座安裝上去并用配套螺母固定。碳纖維增強原理：碳纖維增強的原理是采用碳纖維片材（連續(xù)的高強度或高彈性模量的碳纖維，沿一個方向成束排列，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未用樹脂浸漬固化的碳纖維板，統(tǒng)稱碳纖維板，養(yǎng)護后粘貼在混凝土構件表面，用tezhi的膠粘劑或浸漬樹脂加固，樹脂與原組分形成新的應力復合體，共同作用，起到增強作用。

（3）外包鋼加固法

外包鋼加固法是將型鋼(通常為角鋼)包裹在構件的四個角(或兩個角)中，以增強構件的力學性能。 在我國，包鋼加固法也是一種廣泛應用的傳統(tǒng)加固方法。環(huán)氧樹脂玻璃纖維復合筋易于切割，施工方便，刀盤可直接切割，可按不同工程要求生產(chǎn)各種不同規(guī)格的標準及非標準件。 外包鋼加固結構，尤其是框架結構，節(jié)點區(qū)域Z為復雜，結構處理難度大。 該方法施工簡單，原位施工少，施工可靠。 適用于不允許增加原構件尺寸，但要求增加截面承載力的分析框架、腹桿等鋼筋混凝土柱、梁、弦桿的加固。

（4）加大截面加固：

通過增加截面加固方法，增加混凝土結構或結構的截面面積，以提高承重，滿足加固方法的正常使用。本發(fā)明可廣泛應用于混凝土結構和一般結構的梁、板、柱等的加固及應用范圍，并具有廣泛應用于混凝土結構和一般結構的梁、板、柱等的加固的優(yōu)點。