公路舊橋碳纖維加固技術(shù)研究及推廣應(yīng)用

為了保證交通暢通，就需要對(duì)橋梁進(jìn)行維修、加固和改造。目前常用的加固方法有加大截面法、粘鋼加固法、外包鋼加固法、碳纖維加固法等。其中碳纖維加固法一項(xiàng)新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它將碳纖維材料通過(guò)樹(shù)脂類(lèi)膠結(jié)材料粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面，與之形成整體的受力體系，從而改善結(jié)構(gòu)受力性能，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)的目的。

　　1. 進(jìn)行碳纖維材料加固技術(shù)研究的必要性

　　1.1國(guó)家科技戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

　　關(guān)于碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)技術(shù)，上世紀(jì)80年代初，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家就著手進(jìn)行這方面的試驗(yàn)和研究，已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前世界上碳纖維生產(chǎn)主要集中在日本、英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家。日本三家以腈綸纖維為主要產(chǎn)品的公司（東麗、東邦以及三菱人造絲公司）依靠其先進(jìn)的紡絲技術(shù)，形成了高性能原絲生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了世界75%以上的產(chǎn)量。上世紀(jì)90年代末 ，我國(guó)開(kāi)始碳纖維加固技術(shù)的研究，并在橋梁工程結(jié)構(gòu)加固中開(kāi)始普及應(yīng)用。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，還存在一定的差距，總體發(fā)展水平落后近20～30年，目前我國(guó)95%的碳纖維要依靠進(jìn)口。

　　科技實(shí)力是綜合國(guó)力的主要支柱之一，占領(lǐng)科技發(fā)展的制高點(diǎn)，才能掌握主動(dòng)權(quán)。我國(guó)非常重視碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家“863計(jì)劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐，并給予強(qiáng)有力的支持；“十一o五”發(fā)展規(guī)劃中把事關(guān)國(guó)家產(chǎn)業(yè)安全的高新技術(shù)纖維材料作為重中之重，碳纖維被列為，是國(guó)家迫切需要短期內(nèi)獲得突破的高新技術(shù)纖維品種，又啟動(dòng)了相關(guān)“973計(jì)劃”，為我國(guó)碳纖維的發(fā)展創(chuàng)造了得天獨(dú)厚條件。

　　1.2建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的需要。

　　在《公路舊橋檢測(cè)評(píng)定與加固技術(shù)研究及推廣應(yīng)用》項(xiàng)目鑒定驗(yàn)收會(huì)上，交通部領(lǐng)導(dǎo)與參評(píng)專(zhuān)家對(duì)這項(xiàng)研究給予高度評(píng)價(jià)，他們認(rèn)為該項(xiàng)研究成果為我國(guó)路網(wǎng)優(yōu)化改造和危橋改造計(jì)劃的順利實(shí)施，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，體現(xiàn)了建設(shè)節(jié)約型行業(yè)的科學(xué)發(fā)展觀，促進(jìn)了我們建設(shè)低碳節(jié)約型社會(huì)。

　　1.3科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。

　　橋梁的修復(fù)工程各具特點(diǎn)，為科學(xué)研究提供了大量科學(xué)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多年的系統(tǒng)研究，我國(guó)已經(jīng)基本建立了在役橋梁檢測(cè)與維修加固的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成了較完備的實(shí)用技術(shù)體系。工程材料的進(jìn)步和新材料的出現(xiàn)歷來(lái)是土木工程發(fā)展的先驅(qū)和動(dòng)力，碳纖維材料的出現(xiàn)和成功的用于土木工程的加固與補(bǔ)強(qiáng)上，使土木工程加固技術(shù)研究更上一個(gè)臺(tái)階。

采用碳纖維布加固技術(shù)補(bǔ)強(qiáng)目的

碳纖維布加固技術(shù)是利用專(zhuān)用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在混凝土表面，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，CFRP通過(guò)與混凝土之間協(xié)同工作，對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)起到加固及改善受力性能的作用。

1、碳纖維布的應(yīng)用 ：

建筑物梁、柱、樓板結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；

橋梁、橋墩、橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；

隧道、煙囪結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；

海灘建筑物防腐補(bǔ)強(qiáng)。

2、采用碳纖維布的目的 ：

提高承載能力；

增加延性；（對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)，在加固設(shè)計(jì)中即增加延性）

碳纖維布加固的效果

改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)（減少變形、降低原有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、減少裂縫）

碳纖維布加固的技術(shù)要點(diǎn) ：

受彎加固時(shí)，纖維方向應(yīng)與加固的受力方向一致；

受剪加固、抗震加固時(shí)，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直；

受彎加固和受剪加固時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C15；

采用封閉粘結(jié)碳纖維加固混凝土柱時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C10；

碳纖維加固的效果主要取決于纖維的粘貼工藝，應(yīng)由專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)伍負(fù)責(zé)施工。

碳纖維加固中對(duì)于材料的要求

　?。?）碳纖維復(fù)合材料

　　 碳纖維復(fù)合材料是由基體及纖維共同組成的。加固混凝土結(jié)構(gòu)常用的纖維材料主要有以下三種：芳綸纖維(AFPR)、碳纖維(CFRP)、玻璃纖維（GFRP）。這三種復(fù)合材料的特點(diǎn)是：成完全線(xiàn)彈性的應(yīng)力應(yīng)變量，材料不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)域。其中由于碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，以及施工工藝便捷，所以它成為維修加固混凝土結(jié)構(gòu)的理想材料。普通碳纖維是以瀝青纖維(MPP)和聚丙烯晴基(PAN)為原料經(jīng)高溫碳化制成的，碳化程度將決定材料的彈性模量、密度與導(dǎo)電性等性能。碳纖維長(zhǎng)絲直徑通常在5μm,到8μm之間，并合成含3000～18000根的長(zhǎng)絲束[1]。為改善碳纖維與基體的親和性，纖維本身要經(jīng)表面處理，形成能與基體反應(yīng)的活性基團(tuán)。

　　 用碳纖維布材料加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，要求按結(jié)構(gòu)的受力和構(gòu)造特點(diǎn)將碳纖維布用粘結(jié)材料有序地粘貼于構(gòu)件表面，以達(dá)到利用碳纖維布的特性對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束，并提高結(jié)構(gòu)物的極限強(qiáng)度和承載能力的目的。

　　 （2）粘結(jié)材料

　　 能否保證碳纖維布與混凝土共同工作的重點(diǎn)是粘結(jié)材料性能的好壞程度。粘結(jié)材料也是它們兩者之間傳力途徑的關(guān)鍵所在。我們選用的粘結(jié)材料必須要有足夠的韌性，它不會(huì)因混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致脆性粘結(jié)破壞，同時(shí)必須有足夠的強(qiáng)度與剛度，才可以保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞。粘結(jié)材料一般分為三類(lèi)：底層涂料、整平材料和浸漬樹(shù)脂。

　　 1底層涂料（底涂膠）

　　 粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)采用的底層涂料一般簡(jiǎn)稱(chēng)為底涂膠。粘貼前混凝土表面要求經(jīng)過(guò)打磨、清洗等處理后，先涂上一層很薄的底層膠，這層底膠要求即能浸入混凝土表面，又能提高混凝土表面的強(qiáng)度。底層膠的主要作用是改進(jìn)混凝土與碳纖維材料的膠接性能，提高二者的粘結(jié)性能。因此我們要求選用的底涂膠必須具有粘度低，粘結(jié)性能好，滲入性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　 2平整材料（找平膠）

　　 粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)用來(lái)平整混凝土表面的涂料簡(jiǎn)稱(chēng)為找平膠。粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，只有當(dāng)它與混凝土結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體后才能產(chǎn)生優(yōu)異的加固效果，所以要求碳纖維布與混凝土結(jié)構(gòu)緊密粘貼，形成一個(gè)受力整體。實(shí)際工程中許多混凝土結(jié)構(gòu)表面會(huì)有錯(cuò)位、轉(zhuǎn)角部位等都有可能會(huì)損壞碳纖維布，混凝土凹凸表面及表面的小氣孔很難通過(guò)基底處理一道工序就能夠徹底清理掉。所以在施工時(shí)等涂抹的底層涂料測(cè)地干燥后，必須用找平膠對(duì)混凝土表面再進(jìn)行找平處理。粘貼碳纖維布加固用的找平膠和碳纖維布一樣應(yīng)具有優(yōu)良的力學(xué)性能、施工性能及觸變性能。在施工過(guò)程中，找平膠的選用要求涂抹工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)不隨時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)明顯的變形。

　　 3浸漬樹(shù)脂（粘貼膠）

　　 粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)將碳纖維布粘貼于混凝土表面的浸漬樹(shù)脂簡(jiǎn)稱(chēng)為粘貼膠。它在整個(gè)加固中起著非常重要的作用，是連接底膠與碳纖維布的關(guān)鍵材料。粘貼膠的粘度應(yīng)控制在一定范圍，利用浸漬樹(shù)脂順利地將碳纖維布粘貼于混凝土表面，經(jīng)過(guò)碾壓后，要求使浸漬樹(shù)脂浸透碳纖維布，使它們形成一個(gè)受力體系以共同抵抗外力作用。浸漬樹(shù)脂要求必須具有良好的滲透性、初粘力、觸變性。膠粘劑與碳纖維的相容性和粘接力必須極好，這樣才能保證混凝土和碳纖維布結(jié)合成整體受力體系，達(dá)到維修加固的目的。

　　 4防護(hù)材料（罩面膠）

　　 粘貼完碳纖維布后，為了施工表面美觀和保護(hù)碳纖維布，往往會(huì)在碳纖維布表面涂抹其他的防護(hù)材料，俗稱(chēng)罩面膠。罩面膠要求涂抹在碳纖維布表面后不會(huì)脫層、掉落，有較好的溫度適應(yīng)能力，用以防止碳纖維布材料不被紫外線(xiàn)直接照射。罩面膠的選擇范圍較大，聚氨脂體系、丙烯酸體系、不飽和聚脂體系、有機(jī)氟體系等都可以選擇使用。

　　 5各層膠的相容性

　　 碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)施工工藝中，各層膠的涂抹要求是逐層疊加復(fù)合涂抹成的，并且與混凝土直接接觸的只能是底涂膠。底涂膠、找平膠、碳纖維布粘貼主膠粘、罩面膠之間的相容性、粘接性能是必須充分考慮。實(shí)驗(yàn)中如發(fā)現(xiàn)同類(lèi)型的膠粘劑粘接性較好，不同類(lèi)型的膠粘劑的粘接相容性差就必須預(yù)先做實(shí)驗(yàn)加以證明后才可使用。