碳纖維增強復(fù)合材料加固橋梁新技術(shù)
2010-11-22
由于自然環(huán)境各種因素的影響施工質(zhì)量和實際交通組成變化及超載車輛的作用，已建的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)承載能力不足、混凝土表面裂縫等問題。這些混凝土橋梁中絕大部分可以通過加固改造就能提高或改善結(jié)構(gòu)受力性能，重新投入使用。
粘貼鋼板法是公路混凝土橋梁常用的加固方法，一般是采用環(huán)氧樹脂或?qū)ｉT結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面，使之與構(gòu)件形成受力整體。土木工程中的新技術(shù)往往來自新材料的應(yīng)用。自上世紀(jì)七十年代末初期，歐洲進行纖維增強復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用研究以來，具有極好的比強度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強復(fù)合材料已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程，形成了纖維增強復(fù)合材料補強加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用更多。本文根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強復(fù)合材料補強加固的工程研究，介紹這一新技術(shù)的材料特性、施工方法和技術(shù)措施。
材料的基本特性
碳纖維增強復(fù)合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。
一、碳纖維片材；
片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
二、配套樹脂類粘結(jié)材料；
混凝土結(jié)構(gòu)加固修補配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結(jié)并形成長期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環(huán)氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環(huán)氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
碳纖維片材加固橋梁的形式碳纖維片材主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件和節(jié)點的加固補強，其加固的效果主要是提高構(gòu)件的抗彎承載力、抗剪承載力以及受壓構(gòu)件的軸向抗壓承載力；提高構(gòu)件的剛度以及延性。除此之外，許多室內(nèi)及現(xiàn)場試驗證明，碳纖維片材加固的混凝土構(gòu)件裂縫寬度發(fā)展可以得到控制。
由于碳纖維片材，特別是碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土橋的有關(guān)部位加固較靈活。碳纖維片材因碳纖維排列方向不同而使各方向拉伸強度不相同，碳纖維片材的纖維向與受力向相同時，其拉伸強度最高，反之，纖維方向與受力方向垂直時，其強度最低。因此，在采用碳纖維片材進行加固設(shè)計中，必須正確掌握纖維的布置方向。根據(jù)混凝土構(gòu)件加固計算，可以采用連續(xù)式粘貼或條帶間隔粘貼碳纖維片材的方式。研究表明，分條加固的效果要優(yōu)于整條布的加固效果。
粘貼碳纖維片材加固施工技術(shù)1、面層處理；
混凝土表面的劣化層（例如風(fēng)化、游離石灰、脫模劑、剝離的砂漿、粉刷層、污物等）必須用砂輪機去除并研磨。用空氣噴嘴、砂輪機與毛刷將待補強區(qū)的粉塵及松動物質(zhì)會除，用水洗凈后，必須使其充分干燥。
2、斷面修復(fù)；
將混凝土面層的不良部分（例如剝落、孔隙、蜂窩、腐蝕等）清除。若有鋼筋外露情形，必須先做好防蝕處理，再以強度相等或大于混凝土的環(huán)氧樹脂砂漿材料修補。裂縫以環(huán)氧樹脂灌注。裂縫或打除部分若有漏水情形時，應(yīng)先做好止水、導(dǎo)水處理。
3、表面修正；
表面平整度凸出部分（小突起等）以切割機或砂輪機將其鏟除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以環(huán)氧樹脂或樹脂砂漿填補。轉(zhuǎn)角處需研磨至凸角 R＝20毫米（R一曲率半徑）以上，凹角則以樹脂砂漿填補。
4、底層涂料；
氣溫在5攝氏度以下，雨天或RH＞95％時，不可施工。施工范圍的溫度、濕度確認后，選用適當(dāng)?shù)牡讓油苛?。施工現(xiàn)場空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時必須要穿帶保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
5、碳纖維片材的粘貼；
纖維貼片預(yù)先以剪刀、刀子依所設(shè)計的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、長度在2米以內(nèi)最適當(dāng)。為防止保管期間的破損，裁剪數(shù)量只裁所需使用的數(shù)量。施工面底漆的干燥程度可以指觸確認。底漆施工超過1星期以上時，應(yīng)以砂輪機磨平。來源：考試大的美女編輯們
將環(huán)氧樹脂的主劑（A劑）和硬化劑（B劑）依所規(guī)定的配比放置于拌合桶中，使用電動攪拌機，使其均勻的混合（約2分鐘）。一次的拌合量為在可使用時間的施工量，超過可使用時間的材料，不可使用。
環(huán)氧樹脂用毛刷滾輪平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度會有所變化，轉(zhuǎn)角部分要多涂。強化纖維粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平，使樹脂浸透并去除氣泡，纖維（長向）方向的搭接長度至少要留10厘米，短向則不用留。粘貼后放置30分鐘，若纖維有浮出或脫線情形發(fā)生時，以滾輪或橡皮刮刀壓平修正。
兩層以上的強化纖維相疊貼時，重復(fù)步驟。施工現(xiàn)場空氣應(yīng)十分流通，嚴(yán)禁煙火。施工時必須要穿戴保護裝備（口罩、護目鏡及橡皮手套）。
有關(guān)混凝土橋梁技術(shù)應(yīng)用問題粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁技術(shù)在歐洲、美國、加拿大和日本已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且進行了深入的研究。我國在這方面的工程實踐也是在二十世紀(jì)九十年代中期才開始，就我國公路混凝土橋梁有關(guān)粘貼碳纖維片材加固新技術(shù)應(yīng)用推廣的問題做如下討論。
1、粘貼碳纖維片材加固混凝土橋梁是一項新技術(shù)，使得粘貼加固法成為公路橋梁快速加固方法，適合公路橋梁加固期間盡量不影響橋梁正常營運的要求。碳纖維片材輕、現(xiàn)場粘貼無需重型設(shè)備、施工便利，便于橋下的高空作業(yè)，可在公路橋梁上推廣應(yīng)用?？荚嚧笳搲?br />
2、對于公路舊混凝土橋梁的加固方法，在工程上應(yīng)用效果較好的是綜合法，即以某種加固方法為主，輔以其它方法，這必須依照橋梁現(xiàn)場的外觀檢查和技術(shù)狀況評定，加固設(shè)計要求而定。目前，粘貼碳纖維片材加固方法往往輔以裂縫灌漿、裂縫封閉等方法。
3、我國目前在工程中采用的碳纖維片材材料及配套樹脂類粘結(jié)材料，是以國外進口材料為主，國產(chǎn)產(chǎn)品較少，且產(chǎn)品的勻質(zhì)性及低樹脂含量等技術(shù)指標(biāo)上還有差距。這樣，進口的材料單價就顯高，這往往影響技術(shù)的經(jīng)濟決策。因此，除了應(yīng)盡快采取先進技術(shù)及措施使國產(chǎn)產(chǎn)品提高質(zhì)量外，在碳纖維片材加固技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)更多從加固效果，耐久方面來考慮橋梁加固后正常運營效益與經(jīng)濟性。
4、在國外先進國家的科學(xué)研究工程實踐基礎(chǔ)上，結(jié)合我國公路舊橋的加固維修特點與經(jīng)驗，盡快編制碳纖維片材加固技術(shù)的指南，以指導(dǎo)工程應(yīng)用。 碳纖維片材加固補強公路混凝土橋梁是粘貼加固新技術(shù)，需要結(jié)合我國的工程特點進行深入研究和不斷提高，使我國公路舊橋加固維修技術(shù)達到新的水平。
