碳纤维加固技术在文物保护中的应用

碳纤维加固技术在文物保护中的应用

0碳纤维在加固、修复工程中的应用与其他古代建筑材料相比，石材材料的环境敏感性较低，因此保存了更丰富、更完整的历史信息，这也决定了石材文物在科学研究中的重要地位。然而，由于自身材料的退化和环境的影响，石头文物的破坏和风化也非常严重。在实际工程中,也不时会遇到一些体块较大、年代久远、断裂破损比较严重的实例,让技术人员束手无策。现代结构加固修复技术的不断发展以及新材料、新工艺的出现,为古建筑加固新技术、新方法的出现提供了契机。碳纤维材料是目前结构加固中最为新兴的材料,具有高强、轻质、体积小、耐腐蚀以及操作可逆等优点,在现代各种建筑物、构筑物加固中得到了广泛的应用,在古建筑的保护中也有一些应用,尤其在石质建筑保护方面,保存在重庆三峡博物馆中的部分石质古建筑和石质器物,在加固、修复保护过程中使用了碳纤维材料,如乌杨汉阙、汉碑、皇宋中兴圣德颂碑等,取得了很好的保护效果。本文结合西岳庙“少昊之都”石牌坊修复工程,采用碳纤维布加固技术,对石质文物的抗弯性能进行了试验研究,旨在为石质文物的加固、设计提供一定的理论支持。1试验总结1.1密度和弹性模量本次试验选用与西岳庙“少昊之都”石牌坊材质相同的砂岩,试件是将同一块石材切割而成,保证材料的均质同一。经试验,其弹性模量为0.72×105MPa,抗折强度为20.5MPa,抗压强度为236.2MPa,密度为23.5kN/m3。碳纤维布选用台湾巨瀚公司生产的UCP-200型和UCP-300型碳纤维布及其配套使用的树脂胶接材料GEP580和GEL600,材料性能见表1。1.2碳纤维布的安装按照《公路工程石料试验规程》(JTJ054-94),且考虑到原石材的形状大小,将其切割成850mm×150mm×70mm的试件6个,试件表面打磨平整,各边互相垂直且无明显层理或纹理。在试件底部沿长度方向粘贴碳纤维布,两端采用U型箍锚固。粘贴时严格按照碳纤维施工工艺,保证碳纤维布与试件表面的紧密粘结。放置于通风干燥的环境中,使其自然固化。各试件编号及加固方式见表2。1.3试验测量内容图1为试验加载装置,为保证跨中处于纯弯状态,采用两点加载方法进行试验,跨距为250mm,加载时在加载横梁两端和石梁两端支座处分别加设钢板,以免引起应力集中。采用千斤顶分级加载,初始荷载为1kN,每级增加荷载1kN,直至破坏。试验测量的主要内容有:1)位移:石梁两端支点、两个1/3跨处和跨中共5处;2)应变:石梁跨中截面沿高度3个,上、下缘各1,共5个;3)裂缝:主要观测纯弯曲段出现裂缝的宽度、长度、间距和形态等。1.4梁后斜裂缝的分布S1、S2:随着荷载的不断增大,梁的挠度也缓慢增大,但数值较小;试件破坏前,梁无裂缝出现,没有明显的破坏迹象;当达到极限荷载时,在纯弯段突然出现一条贯通石梁全截面的裂缝,断面与石梁基本垂直,破坏时的跨中挠度分别为0.595mm和0.775mm,属于脆性破坏类型。FS1:首先在纯弯段出现一系列垂直裂缝,随后在左右两加载点外侧、两个U形箍之间出现斜裂缝;继续加载,竖向裂缝发展较为缓慢,斜裂缝贯通梁全界面,裂缝两侧发生错动,跨中挠度增大至8.87mm;加载至24.5kN时,碳纤维布在左侧第2道U形箍处被拉断,梁破坏,破坏时纯弯段碳纤维布已在梁底剥离。FS2:首先在纯弯段两侧靠近U形箍的部位出现垂直裂缝,随后纯弯段多处开裂;继续加载,斜裂缝发展加快,加载至47kN时,梁底碳纤维布在左侧加载处U形箍外侧断裂,梁断为两半,跨中极限挠度达到7.92mm。FS3:首先在纯弯段出现裂缝,石梁变形较小;荷载增大,左右加载点外侧两U形箍间出现斜裂缝,纯弯段裂缝发展迅速;加载至51.5kN时,跨中挠度11mm,梁右端外侧两个U形箍被拉断,梁底碳纤维布在左端加载点U形箍外侧与梁剥离,梁破坏。FS4:初次加载时,在纯弯段靠近加载点部位出现垂直裂缝;继续加载,两加载点外侧U形箍间出现斜裂缝,变形不大,随着荷载的增大,两侧斜裂缝快速发展;加载至57.6kN时,左侧斜裂缝迅速发展,梁断开,发生上下错动,左侧加载点处U形箍剥离,跨中挠度为5.94mm,继续加载,梁底碳纤维布在裂缝处剥离,梁破坏。2试验结果及分析2.1碳纤维布粘贴量对加固前后荷载对比各梁的极限荷载与碳纤维布用量关系曲线如图2所示。由试验知,与未加固石梁相比,用碳纤维加固石梁的承载力都有很大的提高,其加固前后荷载对比见表3。随着碳纤维布粘贴量的增加,极限荷载也在不断增大,但与碳纤维布的用量并不成直线性的正比关系,当碳纤维布用量较大,分多层粘贴时,各层协同工作的效率就会降低,其强度有所折减;另外,施工质量也是影响加固后石梁极限承载力的重要因素,多层粘贴时的施工质量也难以保证,因此,随着碳纤维布用量的增加,极限荷载增加有所减缓。2.2碳纤维布对梁刚度的影响在同一荷载作用下,对未加固梁和加固后梁的挠度进行对比,图3是不同荷载作用时各梁跨中荷载-挠度曲线。可以看出,荷载较小时,加固后梁的挠度比未加固梁的挠度略小,说明碳纤维布使石梁的刚度略有提高,当荷载较大时,碳纤维布对梁刚度的提高作用比较明显,碳纤维布用量越大,提高作用越强,这是因为碳纤维布可以限制受拉区裂缝的向上扩展和裂缝宽度的发展,使梁的刚度分布比较均匀,从而改善了梁的整体性。图4为荷载23kN时,各加固梁的度挠曲线图。从图中可以看出,随着碳纤维布用量的增加,梁的变形不断减小。未经碳纤维布加固的石梁,在加载至破坏的过程中,刚度基本上没有变化;而粘贴碳纤维布加固后的石梁则表现出不同的情形:荷载较小时,挠度曲线基本上保持在一条斜直线上,刚度基本没有变化,随着荷载的增大,挠度曲线出现明显的转折,斜率增大,如FS1、FS3,说明梁的刚度有所退化,这是由于荷载增加到一定程度时裂缝的出现和发展造成石梁的刚度降低引起的。2.3石梁截面应变分析未加固石梁的跨中截面应变与加固石梁相比,也有许多不同之处,截面应变基本符合平截面假定,荷载较小时,中和轴位于石梁截面中央,随着荷载的增加,中和轴逐渐向上移动,截面受压区高度逐渐减小,受拉区下边缘应变远远大于受压区上边缘应变,达到极限荷载时,最大拉应变为最大压应变的1.6倍~2.2倍。加固后石梁的截面应变发生了变化,图5和图6分别给出了S1和FS1石梁的跨中截面应变分布。可以看出:1)加载过程中,石梁截面应变仍基本符合平截面假定;裂缝出现并有一定发展时,有异常现象出现,截面应变不再符合平截面假定。2)从开始加载到梁破坏的整个过程,中和轴上移趋势减缓。3碳纤维布的用量根据碳纤维布加固石梁的试验结果和分析,归纳出如下结论:1)加固后石梁的承载力得到了较大的提高,提高量