浅谈碳纤维布在混凝土桥梁加固技术中的应用

1、浅谈碳纤维布在混凝土桥梁加固技术中的应用山西建筑,2008年1月 发布时间：2008-09-09 作者：窦角 摘要：对碳纤维布在混凝土桥梁加固技术中的应用进行了探讨，介绍了碳纤维片材的力学性能指标，分析了碳纤维布的加固原理，总结了碳纤维布加固技术的施工要点及其优点，以期促进这一新型高性能材料应用和研究工作的开展。 采用碳纤维聚合物CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 加固混凝土结构，是近十年来在发达国家中新兴的成熟的加固技术，也是国内工程界日渐关注和发展中的加固应用技术。随着碳 纤维制造技术的进步和聚合物性能的日臻完善，CFRP的性能价格比将很快会被业界所

2、接受，一个碳纤维应用的高潮正在出现。 1 材料 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上，是钢的7倍-9倍，抗拉弹性模量为23 000 MPa-43 000 MPa，亦高于钢。因此，CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达2000 MPa/(g*m3)以上，而A3钢的比强度仅为59 MPa/(g*m3) 左右，其比模量也比钢高。碳纤维和石墨纤维一般统称为碳纤维，含碳量都在95%以上，目前具有工业意义的原丝仅有聚丙烯睛纤维(PAN)和中间相沥青，各国生产碳纤维主要是以聚丙烯睛纤维为原料，经过高温碳化等特殊工艺加工成极细

3、的纤维丝(直径5 pm-10 pm)。我国CECS 146-2003碳纤维QD片材加固混凝土结构技术规程规定的碳纤维布的主要力学性能指标要求如表1所示。 2 碳纤维布的加固原理 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

4、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，同时又要确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。 3 适宜的承载力加固类型 3.1 碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件 钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小;在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快;而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。但通过粘贴碳纤维布提高的承载力应受到限制(不大于40%加固前的承载力)。 碳维片材用于受弯构件正截面加固的

5、破坏形态:1)端部剥离破坏，研究表明，在靠近支座端部的片材与基层之间会有很大的端部剪力存在，使得片材与基层剥离，从而使碳纤维不能与原结构共同受力，失去加固作用。2)弯曲裂缝剥离，在已开裂的部位，裂缝两边胶中有很高的剪应力存在，使得裂缝两边的片材容易剥离。3)碳纤维拉断，同时钢筋屈服。4)碳纤维不拉断，钢筋不屈服，压区破坏。5)钢筋屈服，碳纤维不拉断，压区破坏。 3.2 碳纤维加固钢筋混凝土抗剪构件 钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区， 这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小;在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变

6、发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。 4 技术要点 4.1 操作要求 4.1.1 卸荷 加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。 4.1.2 基底处理 1)混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。2)裂缝部位应首先进行封闭处理。3)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，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R=10 mm).4)用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。 4.1.3 涂底胶(FP胶) 1)按

7、主剂:固化剂=2:1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。2)用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，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。一般固化时间为2 d-3 d. 4.1.4 找平 1)混凝土表面凹陷部位应用FE胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补，尽量减小高度差。2)转角处也应用FE胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10 mm. 4.1.5 粘贴 I)按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，特殊要求，碳纤维布长度应在3m之内。2)调配、搅拌粘贴材料FR胶

8、(使用方法与底胶FP相同)，然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。3)粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使FR胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥后方可进行下一层的粘贴。4)在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹FR胶。5)碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm，碳纤维端部固定用横向碳纤维或粘钢固定。 4.1.6 保护 加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。 4.2 加固施工要点 1)加固前的卸荷，此项工作往往被忽视，混凝土构件在负荷外包CFRP时，外包CFRP相对

9、于混凝土表面存在应变滞后，常发生CFRP尚未被拉断混凝土已被压坏的情况，这种效应使得 CFRP的补强效果降低，不能充分发挥CFRP的高强抗拉性能。 2)钢 筋 混 凝土结构拐角倒角的半径不得小于20mm，减轻角部CFRP的集中应力，很多试验表明，即使如此CFRP的破坏仍然发生在拐角部位。 3)混凝土构件表面的修复工作极为重要，其直接影响CFRP 对混凝土传力或约束效果。 4)C F R P 要粘贴牢固，防止剥离，常见的有端部剥离、弯曲裂缝剥离等;否则起不到加固作用或效果不明显。 5 主要优点 1)强度高。碳纤维片材的抗拉强度一般都在35 00M Pa以上，远高于钢材;抗拉弹性模量为230 00

10、0 MPa-430 000 MPa，亦高于钢材。因此它的比强度(即材料的强度与其密度之比)可达到2 000 MPa/(g*m3)以上，而Q235钢的比强度仅为59 MPa/(g*m3) 左右，比模量也比钢材高。 2)施工简便、快捷。使用碳纤维加固构件不需大型施工机构及周转材料，易于操作，施工周期短，经济性好。 3)抗酸碱盐类介质的腐蚀，应用面广。加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性，可以应用于各种工作环境的构件加固。 4)可以有效地封闭混凝土结构的裂缝，延长结构的使用寿命。 5)易于保持结构原状，基本不增加结构自重及截面尺寸。 6)自重轻(约200g /mz)，基本不增加结构自重及截面尺寸; 柔性好，易于裁剪，适用范围广。 7)施工工期短。 6 结语 由于碳纤维的上述优点，