碳纤维片材在桥梁维修中的应用.doc

_碳纤维片材在桥梁维修工程中的应用李颉劲1 夏亮2 （1，2.江西赣粤高速公路股份有限公司 南昌市 330025）摘 要：CEFP材料具有高强质轻、抗腐蚀、耐老化等卓越的性能且施工便利，逐渐在桥梁维修加固中得到广泛应用。介绍了CEFP材料的制造工艺、特点，通过工程实例详细说明了CFP和CFS在桥梁维修加固工程中的应用。关键词：碳纤维 桥梁 维修 应用 1、碳纤维概况CFRP 是英文Carbon Fiber Reinforced Polymer的首字母缩写，意为碳纤维增强材料。碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料（通常是聚丙烯硝胺纤维或乳化沥青）加热至1500所形成的纤维状碳材料，纤维的碳含量在90%以上，其碳原子沿原有纤维长度排列整齐而形成碳素纤维。每根碳纤维丝由3000个12000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于人的1根头发丝。全世界碳纤维每年全部产量，包括长丝束，短丝束，才3万多吨。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性，此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。由于碳原子排列整齐、结构稳定，因此碳原子构成的金刚石便成为世界上最为坚硬的物质之一。同样道理，早在20世纪60年代人们就发现，碳素纤维具有惊人的抗拉强度。应此，碳素纤维很快被应用于宇航、军工、工业、民用领域。碳纤维成品可以制成不同的型材纤维布、纤维板、棒材等，在结构加固工程中应用量最大和最普通的还是碳纤维片材，即碳纤维布CFS（Carbon Fiber Sheet）和碳纤维板CFP（Carbon Fiber Plate），其中碳纤维布近两年在我国得到广泛的应用，而碳纤维板则用得较少，本文就沪昆高速公路（江西段）药湖大桥维修工程实例，重点介绍碳纤维布在桥梁加固补强中的应用情况。2、碳纤维片材补强加固原理碳纤维片材加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，其用于混凝土结构加固修补的研究始于20世纪80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心引进开发了此项目，并在1998年全国建筑物加固与鉴定第四届学术会议上获奖。碳纤维片材加固混凝土是指在混凝土构件表面粘贴碳纤维片材，利用树脂类材料把碳纤维片材和待加固构件粘固在一起，形成复合材料，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，通过其与所加固的构件的协同工作，起到对结构构件补强加固及改善受力性能的作用，达到增强构件承载能力及刚度的目的。3、理论研究 近年来国内科技工作者研究了粘贴碳纤维布加固补强对混凝土梁挠度的影响，进行了对比试验。如图1所示为三种试验梁的荷载-挠度曲线，其中BI0为对比梁，不粘碳纤维布，BI1在梁底粘一层，BI2在梁底粘两层，以上三种BI试件的截面均为:bh=100200mm，梁底纵筋均为28；此外B1试验梁，截面与BI相同，纵筋为2 12，梁底粘贴一层碳纤维布，以上每种工况都准备两根试件。进行承压试验，得出：3.1、在荷载相同的情况下，对比梁比粘贴碳纤维布梁的跨中挠度大。3.2、碳纤维布用量越多，构件的挠度越小。3.3、在前期,构件刚度的增长幅度稍小，但在纵向受拉钢筋屈服之后，刚度增长非常明显，这说明碳纤维布不但能提高构件的前期刚度更能有效提高受弯构件的后期刚度。图1 BI0、BI1、BI2 荷载挠度曲线4、工程实例4.1、CFRP材料和树脂力学性能施工前，对进场的CFRP材料和树脂进行了抽样，送有资质的国家法定检测机构检测，检测机构出具了CFRP材料与树脂相匹配的报告和检测结果（如表1和表2），各项指标均优于碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146:2003）要求。表1 CFS和CFP的力学性能性能项目CFSCFP抗拉强度（MPa）指标值30002000实测值34902830弹性模量（MPa）指标值2.11051.4105实测值228142168000伸长率（）指标值1.51.5实测值5.41.82表2 配套树脂的力学性能性能项目CFS浸渍树脂CFP粘结树脂拉伸剪切强度（MPa）指标值1010实测值21.520.5拉伸强度（MPa）指标值3030实测值38.749压缩强度（MPa）指标值7070实测值85.182正拉粘结强度（MPa）指标值2.52.5实测值4.77（混凝土破坏）3.1(混凝土破坏)弯曲模量（MPa）指标值4040实测值72.271弹性模量（MPa）指标值15001500实测值20953090伸长率（）指标值1.51.5实测值2.12.44.2、药湖大桥盖梁粘贴碳纤维布沪昆高速公路（江西段）药湖大桥全长9100m，上部构造除6跨30m预应力混凝土T型梁外，其余均为20m先张法预应力混凝土宽幅空心板。全桥空心板均为简支结构，下部构造为钢筋混凝土钻孔灌注桩配双柱式桥墩与肋形埋置式桥台，盖梁设计为部分预应力混凝土A类构件。按设计文件要求，对药湖大桥盖梁和墩柱粘贴碳纤维布（CFS）进行维修补强，如图2所示，在每条盖梁侧面与底面和部分墩柱粘贴宽50cm的UCP-300型碳纤维布，使用配套的粘结树脂。碳纤维布名义厚度为0.167mm，密度为300g/m2，双面网格型编织工艺。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。而使用粘结树脂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳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，因此粘结树脂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。粘贴施工中应密切关注浸渍树脂是否浸透碳纤维布，确保粘结施工质量。图2 药湖大桥盖梁粘贴碳纤维布示意4.2.1、碳纤维布粘贴施工的特点（1）加固钢筋混凝上结构，按照同方向粘贴高强度和高弹性模量的碳纤维，能够取得类似于钢板的同样加固效果，其结构未增加重量，外表轻巧美观。（2）有极好的耐久性，由干加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能。（3）碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，捆包紧凑，轻便，可卷包，便携。由于很薄不需要较大的空间，尤其在桥梁加固空间有限的情况下，充分显示了这一优越性。（4）与混凝土共同工作效果良好，粘贴随意性，对凹凸面的附着性优良，沿碳纤维方向裁减，纤维不会乱。优越的浸渍性，树脂易浸透碳纤维布，易除气泡。（5）对原构件结构损坏很小，且外形美观。4.2.2、施工工艺流程 工艺流程为：施工放样混凝土基底处理涂刷底胶涂抹找平胶涂刷浸渍树脂与贴上碳纤维布碳纤维布面涂刷浸渍树脂保护。（1）混凝土基层处理将碳纤维布粘贴区域内的混凝土面的残缺、破损部分和裂缝进行处理，保证表面干燥、无油污。将梁的粘贴面打磨平整，对需要进行U型粘贴的部位的梁的棱角打磨成圆角，半径不小于20mm。（2）底涂作业把按比例配好的贴片底层涂料的主剂和固化剂称量准确后放入容器内，用低速搅拌器搅拌均匀，一次调和量以在可使用时间内用完为准，超过使用时间不得再用。在底层涂料中严禁添加溶剂、含有溶剂的毛刷或被溶剂浸湿的滚筒不得使用。确认混凝土表面干燥无油污、无粉尘。用滚筒将底层树脂横向均匀涂抹于混凝土表面，如果底涂树脂被混凝土吸附，须再涂一遍直到混凝土表面完全覆盖树脂为止。风干期间，避免被水、灰尘污染，做必要的防护。一次不要太厚，否则会出现粒子，必要时根据需要涂刷两次，底层树脂干燥时间因气温不同而不同，一般常温需3h以上，检查时以指触干燥为合格。底层涂料固化后，在表面上有凸起部分时，用砂纸打光。混凝土表面温度在5以下或空气的相对湿度在85以上或混凝土表面含水率在8%以上有结露而无有效措施时，应暂停施工。（3）补土复原将混凝土表面不平及孔洞处用补土剂补平。混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有楞角。转角处应用找平材料修复为光滑的圆弧，半径不小于20mm。（4）粘贴碳纤维布a.下层树脂作业依尺寸裁剪UCP-300碳纤维布，避免褶皱和沾到水、灰尘。为防止碳纤维布受损，在片材运输、储存、截切和粘贴过程中，严禁受到弯折，因此贴片前用钢直尺和壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维布。为防止保管过程中损坏片材，截取数量以当天用量为准，截切好的碳纤维布严禁施加横向拉力，以免削减抗拉强度。将积层树脂按比例混合，用搅拌器充分搅拌均匀，每次混合量控制在可使用时间内的使用量，避免浪费。用干燥的滚筒将浸渍树脂均匀涂刷于梁表面，作业方式同底涂。b.粘贴碳纤维布粘贴碳纤维布于下层树脂上，以滚筒压挤使其充分结合，并进行脱泡作业，尽量使碳纤维布浸渍树脂间没有残留空气，避免出现空鼓，并使浸渍树脂充分浸入碳纤维布中。粘贴时,纤维面和树脂之间尽量不要有空气，为使空气溢出可用罗拉多刮几次，确认纤维布贴在树脂涂面上之后，再用罗拉沿着纤维方向在纤维片上刮45次，使树脂充分渗入纤维中，在拐角部位应朝向拐角进行，反过来在拱起部位向相反方向进行。及时检查有无未密合现象，若有，则以美工刀顺纤维方向剪开，充分注满树脂后压平。c.上层树脂作业碳纤维布粘贴30分钟后，用滚筒将浸渍树脂均匀地涂刷于碳纤维布上，自然风干结合。风干过程中须适当防护，避免被水、粉尘污染。重复a、b、c步骤，就可粘贴第二层碳纤维布。（5）养护粘贴碳纤维布后需自然养护12小时，以达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。（6）涂装 按业主或监理工程师要求，选择涂料，对盖梁进行外观装饰，粘贴碳纤维布区域的颜色应与混凝土本色接近。4.2.3、施工控制要点（1）分条粘贴加固效果优于整幅粘贴。（2）纤维布互相衔接（接长）的部位采取重叠结构，重叠部分长度应不小于10cm。（3）碳纤维是导电纤维，施工操作时必须远离电源或采取可靠保护措施，避免发生触电伤亡事故；户外靠近带电体(电线等)施工时，风大应停止施工，以免碳布被风刮起接触导电引发事故。（4）因施工中使用丙酮等溶剂和粘合剂,要保证现场通风良好，操作人员应佩带安全帽、防护面罩、手套、眼镜等并着工作服。（5）各种粘结剂应在其说明书规定的环境温度中密封保存，并远离火源，且避免阳光直射，同时要按环保要求集中处理，不得污染生活水源。4.2.4、施工质量检验碳纤维布粘贴的施工质量检验按照中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146:2003）进行。主要检测项目有：外观尺寸、粘结位置、粘结空洞率、正拉粘结强度（共分Af、Bf、Cf、Df四种破坏形式）。5、结束语通过对药湖大桥维修工程的粘贴碳纤维片材的施工操作与学习，深深体会到CFP和CFS加固技术的先进性和各项优点。粘贴碳纤维片材加固技术与传统加固修补方法及粘贴钢板、喷射混凝土加固技术相比，应用碳纤维加固修复桥梁，能够大大延长桥梁的使用寿命，提高桥梁承载力，避免了加固施工对桥面正常行车的影响，工期短，具有明显的优势。我国有大量桥梁亟待加固补强处理，随着碳纤维片片材价格的不断降低，其在桥梁加固中的应用将更加广泛，并能带来巨大的经济效益和社会效益。参考文献：1中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146:2003）中国计划出版社2003年2 陈开利桥梁工程鉴定与加固手册人民交通出版社 2005年3 王玉清碳纤维布提高钢筋混凝土梁刚度的试验研究与计算内蒙古工业大学学报 2006年第一期4 刘 辉外贴碳纤维布加固钢筋混凝土空心板现场对比性试验研究桥梁建设 2005年增刊The Application of CFRP in the Reinforce of BridgesLi Jiejing1，Wu Junming2（1. Jiangxi Ganyue Expressway Co.,Ltd. Nanchang 330025；2.Wuhan EHLQ Special Engineering Co.,Ltd Wuhan 430071）Abstract:CFRP is of high tensile,strength,light weight,strong resistance to corrosion and fatigue loadings, construction convenient as well as, CFRP has been used widely in the maintain and strengthening bridges gradually. The manufacturing engineering and characteristics of CFRP has been recommended in the text. By way of engineering example, I explain