淺談橋梁加固中碳纖維復合材料的應用
1、橋梁加固的重要性和意義:
交通設施是保證國民經濟和社會健康發展的重要基礎設施，鋼筋混凝土橋梁作為交通設施的重要組成部分，起到至關重要的作用。我國中小型橋梁建設過程中，20世紀60年代以析架橋為主，70年代以雙曲拱橋為主，80年代以T型、橋面板的拼裝橋為代表，其中要以90年代初建設的橋梁質量最差，由于勘察、設計、施工、時間等等原因，加上公路交通量不斷增加，代表車型不斷趨于重型化，公路橋梁負荷日趨加重;加之舊橋部分老化，破損或受原設計荷載標準的限制，普遍存在橋梁承載力不足的情況，許多現有橋梁已經不能滿足現代交通的要求，這些問題不僅影響到橋梁的正常使用，嚴重的還會給國家和人民帶來巨大的損失，為了適應現代交通的需要，滿足橋梁設計規范要求，必須對橋梁進行加固補強。
全國現有大中型鋼筋混凝土橋梁、高層建筑數以萬計，需要加固維修的也成千上萬。截止1998年底，我國共有公路橋210822座，其中臨時橋梁3053座，危橋4105座，而位于國、省道上的臨、危橋分別為405座和1253座，分別占臨時橋梁、危橋總數的13%和31%。與交通部《公路科學養護和規劃化管理》（1991-2000）要求有很大的差距。這些有問題的結構急需診斷與維修加固。據不完全統計，僅廣東省就有大中型鋼筋混凝土橋梁20000多座，現在需要加固的舊危橋就有2500多座。
新世紀土木工程的發展在很大程度上依賴于性能優異的新材料的應用和發展。對于傳統的鋼筋增強材料，應尋找一種強度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料;對于既有結構的加固、維修和改造，應以具有比強度大、施工快捷、施工后結構承載力明顯提高等優異的物理力學性能材料代替傳統的鋼材。因此，利用性能優異的纖維復合材料對土木工程結構進行改造加固是21世紀土木工程領域可持續發展的重要研究課題。FRP用于土木建筑己是國際土木工程界的一個熱點，由于其優異的材料及其使用性能，其應用范圍與使用量正以驚人的速度增長。FRP作為一種新型的有發展潛力的建筑材料，并不是要取代傳統的建筑材料一鋼材與混凝土，而是作為傳統建材的一個重要補充，CFRP也同樣如此。
2、傳統加固方法簡介
傳統的加固方法主要有:1.粘貼鋼板加固法;2.增大截面加固法;3.體外預應力加固法;4.改變結構受力體系加固法。
2.1粘貼鋼板加固法
橋梁梁體出現承載力不足或縱向主筋出現嚴重腐蝕的情況下，主梁一般會產生嚴重的橫向裂縫。采用錨栓及粘結劑，將鋼板錨固并粘貼在混凝土結構的受拉區邊緣或薄弱部位，使鋼板與橋梁結構成為整體，形成一個由混凝土、粘結劑及鋼板組成的了相復合系統以共同受力，達到提高橋梁承載力的目的。
這種加固方法的特點是:（1）不需要破壞被加固的原結構的尺寸;（2）施工工藝簡單，施工質量較容易控制;（3）施工工期短。
2.2增大截面加固法
當梁柱等構件的強度、剛度、穩定性和抗裂性能不足時，通常采用增大構件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。此法即在梁底面或側面加大鋼筋混凝土截面（增配主筋），柱的截面加大（增加柱截面鋼筋），使梁抗彎截面加大，柱承壓面積加大，提高梁、柱等的承載力。該法廣泛用于梁橋及拱橋拱肋的加固。
2.3體外預應力加固法
對于鋼筋混凝土或預應力混凝土梁或板，采用對受拉區施以體外預加力加固，可以抵消部分自重應力，起到卸載的作用，從而能較大幅度地提高粱的承載力。
體外預應力加固法優點是:
（1）在自重增加很小的情況下，能夠大幅度改善和調整原結構的受力狀態，提高承重結構的剛度、抗裂性能;
（2）由于承重結構自重增加小，故對墩臺及基礎受力狀況影響很小?？晒澥Χ张_及基礎的加固;
（3）對橋梁營運影響較小，可在不限制通行的條件下加固施工;
（4）預應力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。
1.4改變結構受力體系加固法
這類方法是通過改變橋梁的受力體系，達到提高承載力的目的。例如在簡支梁橋下增設支架或橋墩，或將簡支梁間加以連接以形成連續梁體系梁，以及在梁體下增設疊合或加勁梁等方法，都可達到提高承載力的目的。該法機動性能好，是解決臨時通行超重車輛常用的加固方法。
2碳纖維加固技術
碳纖維增強復合塑料加固法是將碳纖維片材浸含在樹脂系粘貼劑中，粘貼于混凝土構件受拉區表面，使其與混凝土基體成為整體，共同變形和受力，從而達到提高結構承載能力的目的。
2.1碳纖維的性能
2.1.1碳纖維的分類
碳纖維有以下兩種分類方法:
1按力學性能劃分類:
（1）高模量（I型）碳纖維拉伸模量很高，可達380-640GPa，但極限伸長率較低，約0.3%-0.5%。
（2）高強度（II型）碳纖維拉伸強度在3000MPa左右，工藝好的產品拉伸強度可達4000MPa以上。
（3）中等模量（（III型）碳纖維拉伸模量一般在200-300GPa之間，極限伸長率在1.5%-2.0%，綜合力學性能適于加固混凝土結構，在加固工程中最為常用。
2按纖維材料不同分類:
（1）碳纖維（CFRP）;
（2）玻璃纖維（GFRP）;
（3）芳綸纖維（AFRP）o
3按排列方向不同分類:
（1）單向纖維片材;
（2）雙向纖維片材。
表2.1纖維材料表
2.1加固用碳纖維的力學性能指標
碳纖維片材的主要力學性能指標可參照現行國家標準《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》GB/T3354測定，主要力學性能指標應滿足下表的要求:
表2.2碳纖維片材主要力學性能指標
盡管纖維的種類和成型工藝不同，所有纖維復合材料的應力一應變關系是相同的:受拉時彈性上升直至脆裂，這個是CFRP材料的一個重要特征。
由圖2.1可以看出，纖維復合材料是脆性材料，而我們知道鋼筋是延性材料，用于對鋼筋混凝土結構加固時，纖維復合材料的脆性性能會對結構性能產生以下兩點重要影響:
第一，纖維復合材料不像鋼筋那樣具有延性，其脆性性能會限制加固后鋼筋混凝土結構的延性:第二，FRP材料的脆性性能限制了應力重分布。這些因素影響外貼FRP材料的加固設計，不能簡單和鋼筋等強度代換。要深入研究并考慮FRP材料的脆性性能，對現有鋼筋混凝土結構的設計方法進行修正。
2.2粘結劑等粘結材料的性能
用于碳纖維加固中的粘結材料應包含底層樹脂、整平材料及浸漬或粘貼樹脂。粘結材料的性能必須滿足規程要求，粘結材料的性能與粘結質量與加固效果密切相關，如粘結材料的性能達不到要求，必然導致加固效果降低，甚至會引起加固失效。
底層樹脂的作用是增強混凝土表面層，提高混凝土與找平材料或粘結樹脂界面的粘結強度，其正拉粘結強度應大于2.5MPa，且不應小于被加固混凝土的抗拉強度標準值幾。找平材料的作用是填充混凝上表面的空洞、裂隙等，使加固表面平整度符合工藝要求，并與底層樹脂及浸漬樹脂具有可靠的粘結強度，形成整體粘結體系，正拉粘結強度應大于2.5MPa，且不應小于被加固混凝土的抗拉強度標準值幾。當混凝土表面平整度滿足要求時，可適量減少找平材料的用量。
浸漬樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結材料，其作用是使碳纖維絲束之間以及與混凝土之間充分粘結，以共同承受混凝土結構的荷載。樹脂兼作FRP復合材料的基體和FRP與混凝土之間的膠粘劑，膠粘劑的作用特別值得關注，若粘結過弱會引起界面的破壞。當樹脂的粘結作用及其重要時，如梁的受彎、受剪加固，一般選用環氧樹脂作為膠粘劑，需要進行加固的混凝土結構，其混凝土強度往往相對較低，而環氧樹脂的強度較高，因此界面的破壞往往發生在混凝土中。粘結樹脂是粘貼碳纖維板的主要粘結材料。
3、碳纖維復合材料加固的施工工藝介紹
碳纖維復合材料的加固施工工藝是非常重要的。因為施工質量直接影響加固效果，施工質量的優良與否，體現材料的參數指標是否達標，纖維復合材料跟混凝土表面是否粘結牢固，變形是否協調，邊界條件的差異大小，對加固的效果影響非常大。
3.1一般施工工藝流程如下:
1施工準備階段
認真閱讀設計施工圖，根據施工現場和被加固混凝土結構的實際情況，擬定出施工方案和施工計劃;對使用的碳纖維片材配套樹脂和機具等做好施工前的準備工作。
2表面處理
應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，并用修復材料將表面修復平整，并按設計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理。被粘貼的混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出混凝上結構新面。轉角粘貼處應進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm，混凝土表面應清理干凈并保持干燥。
3涂刷底層樹脂及找平處理
嚴格按照產品生產商提供的工藝規定配制底層樹脂，采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面。在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。嚴格按照產品生產商提供的工藝規定配制找平材料。對混凝土表面凹陷部位用找平材料填補平整，不應有棱角。轉角處應采用找平材料修理成為光滑的圓弧，圓弧半徑不應小于20mm。
4粘貼碳纖維布材
（1）按照設計要求的尺寸裁剪碳纖維布;
（2）根據產品供貨方的工藝規定配制浸漬樹脂，并均勻涂抹于粘貼部位;
（3）將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，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;
（4）多層粘貼時應重復上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行下一層粘貼;
（5）粘貼結束后，在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
5表面防護
按照相關標準的規定做好表面防護的處理工作，并確保防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結。
3.2施工注意事項
（1）氣溫在5℃以下、相對濕度RH>85%、混凝土表面含水率在8%以上、有結露的可能時，無有效措施不得施工;
（2）由于碳纖維片為電的良導體，應使其遠離電源;
（3）施工用各種樹脂遠離明火，并避免陽光直射;
（4）施工及檢查人員應穿防護工作服，配戴口罩、手套、防護眼鏡等防護用品;
（5）施工現場通風情況良好;
（6）當各種膠附在皮膚上時，用肥皂水沖洗，若進入眼內要立即用水沖洗或接受醫生治療;
（7）現場需做好防火等安全消防措施。
4、小結
纖維材料結合環氧樹脂集體材料和粘結材料而成的FRP能充分發揮其質輕高強的特點，同時施工工藝較傳統施工方法方便，縮短工期，在混凝土結構加工的應用前景相當好。未來纖維材料和環氧樹脂的價格下降，FRP在土木工程中的應用將更加廣泛，使用量更加大。
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