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橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)與應(yīng)用

（一）前言

中國(guó)橋梁工程的發(fā)展已具有相當(dāng)規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來(lái)越大，公路橋梁負(fù)荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國(guó)20世紀(jì)80年代以前修建的，因其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀(jì)80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。突出的力學(xué)性能是碳纖維雙向布替代鋼材成為體育器材制作的優(yōu)良材料。因此，采用適當(dāng)?shù)募庸毯透脑旒夹g(shù)措施，恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，以適應(yīng)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)男枰兊檬制惹小?

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時(shí)，將大量的碳纖維長(zhǎng)絲沿一個(gè)主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢(shì)，適宜將CFRP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。所以用碳纖維加固所能補(bǔ)充的剪力Vj也可以事先計(jì)算出來(lái)，即Vj=Vmax-V0。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應(yīng)力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝

1、根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理

(1)將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；

(2)裂縫修補(bǔ)。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；

(3)將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對(duì)濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結(jié)露可能而無(wú)可靠保證措施時(shí)，均不得施工。

3、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)

(1)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填平，修復(fù)至表面平整；

(2)內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填補(bǔ)使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時(shí)，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對(duì)此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養(yǎng)護(hù)

粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點(diǎn)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對(duì)梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。

2、按設(shè)計(jì)要求對(duì)破損面鋼筋處理后用環(huán)氧樹脂裂縫膠進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無(wú)粉塵。對(duì)于配有底膠應(yīng)按說明進(jìn)行涂刷和養(yǎng)護(hù)，不得擅自免去涂刷底膠工序。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時(shí)，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時(shí)即進(jìn)行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。但市面上很多廠家用15k、18k、24k、36k，甚至48k的碳纖維來(lái)冒充12k，致使粘結(jié)質(zhì)量嚴(yán)重下降。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。

（五）注意事項(xiàng)

1、碳纖維片材選擇注意事項(xiàng)

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來(lái)。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。此外短切玄武巖纖維還具有良好的絕緣性能、高溫過濾、抗輻射、透波性好等特點(diǎn)。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項(xiàng)

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。

②按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無(wú)粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無(wú)空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時(shí)，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時(shí)，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應(yīng)對(duì)底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。

⑨樹脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。

⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號(hào)的粘貼樹脂，這樣才能對(duì)樹脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制。

（六）對(duì)碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望

碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點(diǎn)：

1、施工簡(jiǎn)便迅速，無(wú)需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設(shè)計(jì)厚度0.111mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對(duì)結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計(jì)；

3、能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；

4、可以多層粘貼。可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)部位重疊粘貼。

（七）結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車?yán)锍桃苍诓粩嘣鲩L(zhǎng)，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強(qiáng)度降低或需要提高抗震能力和修補(bǔ)橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋性能

1、玻璃纖維特性

剝離纖維是以剝離為原料經(jīng)高溫溶質(zhì)、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的。除了具有拉伸強(qiáng)度高，抗沖擊性能大燈優(yōu)異的力學(xué)性能，剝離纖維還是的電絕緣材料和工業(yè)防腐、防潮材料，更作為增強(qiáng)材料用以制造增強(qiáng)混凝土，增強(qiáng)水泥等制品。

2、環(huán)氧樹脂特性

環(huán)氧樹脂固化后也具有良好的物理、化學(xué)性能，環(huán)氧樹脂介點(diǎn)性能良好，制品穩(wěn)定性好，變定收縮率小，柔韌性較好，硬度高，對(duì)堿及大部分溶劑穩(wěn)定，而且使用環(huán)氧樹脂可以加強(qiáng)兩種材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

3、環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋

環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋，其抗拉強(qiáng)度，是同規(guī)格普通銅筋、鋼筋的2倍以上；其密度在1.25-2.1g/㎝之間，僅為常規(guī)普通鋼筋的1/4左右。

玻璃纖維復(fù)合筋的低密度減輕了施工工程自身的重量，使運(yùn)輸、施工和安裝過程更加方便；環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度極高，在達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限時(shí)，復(fù)合筋也不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變形；碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，如柔和性好，能靈活地用于抗彎、封閉箍和抗剪等加固。環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋易于切割，施工方便，刀盤可直接切割，可按不同工程要求生產(chǎn)各種不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)件。

此外環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋還具有優(yōu)異的化學(xué)性能，其耐酸堿溶液腐蝕性能是其他任何纖維材料制品都不可以比擬的；其熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，替代鋼筋用于混凝土，握裹力更強(qiáng)。

環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合筋耐腐蝕性極強(qiáng)，尤其對(duì)PH值溶液或腐蝕物質(zhì)都具有較高的包容度。不論是在露天潮濕會(huì)淋雨的地區(qū)還是在酸堿環(huán)境惡劣的地區(qū)，其用于橋梁，路面混凝土結(jié)構(gòu)都具備較好的耐腐蝕性，使用壽命普遍長(zhǎng)于傳統(tǒng)鋼筋。

結(jié)構(gòu)加固_加固工程_鋼結(jié)構(gòu)_加固材料-前景建筑工程

木結(jié)構(gòu)建筑如何加固我國(guó)古代建筑，有著獨(dú)特的形式與結(jié)構(gòu)，不同時(shí)期的古建筑，不僅反映了各個(gè)時(shí)期的建筑水平，也是對(duì)應(yīng)時(shí)期的歷史縮影，是我國(guó)文化的重要組成部分。

現(xiàn)存的古建筑：如故宮、黃鶴樓、岳陽(yáng)樓、蘇州園林等，大多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于木材本身為有機(jī)化合物，易腐爛和蟲蛀。并且在微生物和氣候的長(zhǎng)期影響下，木質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形、彎曲、龜裂等現(xiàn)象，很難長(zhǎng)久保存。固化環(huán)節(jié)的溫度不低于5℃，環(huán)境溫度一般會(huì)保持在20-25℃之間時(shí)固化時(shí)間不會(huì)少于3天，假如平均溫度為10℃時(shí)固化時(shí)間不得少于7天。古建筑對(duì)于我們有著重要的意義與價(jià)值，那么如何更好的保留古建筑呢？

保護(hù)古建筑，好的方法是對(duì)其進(jìn)行加固改造。1992年9月發(fā)布的國(guó)標(biāo)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定“古建筑的維護(hù)與加固，必須遵守不改變?cè)瓲?的原則。原狀系指古建筑個(gè)體或群體中一切有歷史意義的遺存現(xiàn)狀。若需恢復(fù)到創(chuàng)建時(shí)原狀或恢復(fù)到一定歷史時(shí)期特點(diǎn)的原狀時(shí)，必須根據(jù)需要與可能，并具備可靠的歷史考證和充分的技術(shù)論證。任何一種加固方法都不是,碳纖維加固與粘鋼加固是在原構(gòu)件基礎(chǔ)上進(jìn)行的，原結(jié)構(gòu)的截面尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度等級(jí)限制了發(fā)揮作用的程度。因此可知：古建筑加固主要遵循歷史建筑保護(hù)的“原真性、必要性和可逆性”，大限度地保持古建筑的原有風(fēng)貌，滿足“修舊如舊”的修繕原則。

在使用傳統(tǒng)方法對(duì)木質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，有很大的局限性。首先常規(guī)方法加固時(shí)，會(huì)加設(shè)鐵材加固，鐵材易銹蝕，在使用前必須進(jìn)行除銹抗銹處理。這道工序費(fèi)力費(fèi)時(shí)，并有可能對(duì)建筑造成新的破壞。

木質(zhì)結(jié)構(gòu)的大問題是腐蝕與蟲害。傳統(tǒng)方法中，比較常用的是利用低毒的防腐防蟲藥劑，而其中的毒性成分日積月累，會(huì)影響人們健康，造成環(huán)境污染。其次，木材是一種各向異性的自然材料，其順紋抗剪強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度很低，且古建筑的承重結(jié)構(gòu)由于處于長(zhǎng)期荷載作用，較容易產(chǎn)生縱向的裂縫。這主要是因?yàn)殇摪逶嚰谡迟N好以后不宜裁剪，如果用等離子切割機(jī)強(qiáng)行切割會(huì)導(dǎo)致膠體受損，而碳纖維布在粘貼好以后可以用角磨機(jī)進(jìn)行切割。

加固技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成很多成熟的傳統(tǒng)方法。然而對(duì)于古建筑來(lái)說，常規(guī)的方法有：增設(shè)扶壁柱、增設(shè)圈梁構(gòu)造柱、鋼筋混凝土面層等，由于它們的濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)較大，同時(shí)施工完畢占據(jù)空間大并且易對(duì)原結(jié)構(gòu)造成改變。碳纖維布加固混凝土柱：采用碳纖維布對(duì)混凝土進(jìn)行加固，其原理是利用了碳纖維的高抗拉強(qiáng)度和對(duì)混凝土的約束作用，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而提高混凝土柱的極限承載力和壓縮能力。因此，新材料新工藝在古建筑中，應(yīng)有更廣泛的使用。

碳纖維復(fù)合材料因其強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕及耐久性好而備受加固界青睞。碳纖維材料由于幾何可塑性強(qiáng)、自重輕，纖維布沿其紋路方向的抗拉強(qiáng)度很高，而木材的順紋抗壓強(qiáng)度較高，并且材料間具有良好的粘結(jié)性能，能夠很好地協(xié)同工作。短切玄武巖纖維性能定義：短切玄武巖纖維是由相應(yīng)的玄武巖纖維基材為原料短切而成的長(zhǎng)度小于50mm，能均勻分散在混凝土中的無(wú)機(jī)康武縣委。碳纖維材料可塑性大、易裁剪成型，對(duì)各式各樣的古建筑物來(lái)說，它都能夠隨其外形粘接牢靠。因此碳纖維對(duì)于古建筑的加固，有著極高的適用性。

其次，木結(jié)構(gòu)采用碳纖維材料進(jìn)行加固，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)起到的防腐作用。碳纖維布與配套使用的環(huán)氧樹脂膠均具有耐腐性，對(duì)于木質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)說，防腐是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù)，碳纖維布對(duì)木質(zhì)結(jié)構(gòu)既能加固又能使其長(zhǎng)期遠(yuǎn)離腐蝕，可以起到一舉兩得的作用。

另外，碳纖維加固工序簡(jiǎn)單、所需施工空間小、工期快，有效的防止施工時(shí)對(duì)古建筑物的破壞。碳纖維材料施工無(wú)需對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔、釘釘?shù)雀淖?，同時(shí)質(zhì)輕幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重，幾乎符合“保存現(xiàn)狀”的原則。