碳纤维布加固桥梁技术研究

摘  要:本文探讨了碳纤维布加固桥梁的机理，提出了碳纤维布加固桥梁的结构分析方法及施工工艺要求。
关键词: 碳纤维布加固加固桥梁机理分析
结构设计计算 施工工艺要点
1、前言
   随着时间的推移，新建的桥梁终究都会变为旧桥。在桥梁存续期间内，由于车辆，特别是超重车辆行驶，以及外界各种因素作用和影响，导致桥梁结构产生病害、出现缺陷，严重影响到桥梁正常使用。为了保证交通畅通，就需要对桥梁进行维修、加固和改造。    

    混凝土桥梁加固方法主要有：1）结构性加固，如采用体外预应力、在结构的受拉区粘贴钢板或增设钢结构支撑；2）非结构性加固，如对裂缝进行封闭或压浆处理；3）近几年，国外采用碳纤维复合材料（CFRP）取代钢板，使混凝土桥梁加固技术发生了根本的变化。“碳纤维”被人们称为“结构加固的新星”。

   工程材料的进步及新材料的出现历来是土木结构工程发展的先驱和动力。碳纤维材料的出现和成功也用于土木工程的加固与补强上，使土木工程加同技术研究更上一个台阶。碳纤维是一种新型建制，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布(片)加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当高度受限制时的首选加固方法，其施工工艺也很简单。
采用碳纤维加固技术具有如下几个特点：1)强度高。碳纤维片材的抗拉强度一般都在3500MPa以上，远高于钢材；抗拉弹性模量为230000～430000MPa，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2000MPa/g/cm3以上，而Q235钢的比强度仅为59MPa/g/cm3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) 可以有效的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。
2、碳纤维布加固机理
2.1碳纤维的补强、加固原理
粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力。
用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度约为普通钢材的10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，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到补强、加固的目的。
值得注意的是，使用碳纤维进行加固时，具体粘贴层数要通过计算确定，考虑到各层的共同工作系数，抗疲劳的能力和避免脆性破坏，一般不宜超过5层。另外，从受力性能角度而言，单层优于多层，窄幅优于宽幅；必要时纵向可以搭接，搭接长度不能少于100mm，而且要保证碳纤维端部有可靠的锚固，除计算要求外，还应有必要的构造措施。
2.2碳纤维布在混凝土结构加固中的机理分析
碳纤维加固技术应用广泛，适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可，这里着重介绍碳纤维布加固钢筋混凝土抗弯、抗剪、抗震构件的机理作用。
2.2.1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。
2.2.2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。
2.2.3碳纤维加固钢筋混凝土抗震柱。
　　应用碳纤维对混凝土柱进行抗震加固，是通过用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性而实现的。碳纤维的主要作用是对其内部混凝土起到了约束作用，这种约束是一种被动约束，随着混凝土柱轴向压力的增大，横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长，从而提高侧向约束力。约束机制取决于两个因素：混凝土的横向膨胀性能和外包碳纤维布的环向约束能力。碳纤维布约束混凝土表现出两阶段受力过程：第一阶段，混凝土处于类似素混凝土的线弹性阶段，横向变形小，故碳纤维横向变形也很小，分界点在素混凝土峰值应力附近；第二阶段，构件达到极限承载力后，混凝土横向膨胀变形急剧增加，碳纤维环向应变显著增长，环向约束力增加，混凝土极限压应变得以提高，因而推迟了受压区混凝土的压碎，充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能，显著改善了构件的延性。
3、碳纤维材料与要求
3.1碳纤维复合材料
    碳纤维复合材料通常由纤维和基体组成。加固混凝土结构用的纤维材料目前主要有三种：玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFPR)。纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及现场施工便捷，所以是旧桥加吲补强的理想材料。
    普通碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)或中间相沥青(MPP)纤维为原料经高温碳化制成，碳化程度决定着诸如弹性模量、密度与导电性等性能。碳纤维长丝直径通常在5μm至8μm之间，并台成含3000到18000根的长丝束。为改善碳纤维与基体的亲和性，纤维本身要经表面处理，形成能与基本反应的活性基团。
    加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。
碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个书方向均匀平铺，用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。
加固混凝土构件时，按构件的不同受力特点用粘结材料将碳纤维布有序地缠绕粘贴于构件表面，实现对构件变形的约束并因此提高构件的极限强度和承载能力。
磷纤维布的抗拉强度一般为3550MPa，弹性模量为235×105MPa。根据碳纤维布的品质不同．其厚度在0.11~0.43mm，幅宽在20~100cm，卷材长度为50~100m。
3.2粘结材料
粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键，也是两者之间传力途径中的薄弱环节。因此，粘结材料应有足够的刚度与强度保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应有足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。此外，由于旧桥加固均在野外，所以粘结材料还应能在一般气候条件下固化，且固化时间合适(一般保证有3小时左右)，对组分含量不敏感，具有适宜的流动性和粘度，固化收缩率小。
粘结材料是将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又与混凝土表面粘合的系列粘接材料。它主要包括三类材料：底层涂料、整平材料和浸渍树脂。
1、底层涂料(底涂胶)
在处理好的混凝上表面上，涂一层很薄的底层胶，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶接性能，从而使混凝土与碳纤维布之问的粘接性得以提高。因此要求底涂胶必须具有很低的粘度，以及与混凝土良好的粘结性能，以便于涂刷在混凝土表面后，胶粘剂能渗入混凝上结构中。为保证性能，应尽量避免使用溶剂型胶。
2、整平材料(找平胶)
碳纤维布只有与所加固补强的混凝土表面紧密接触，才能产生良好的补强效果。但混凝土表面的锐利突起物、错位和转角部位等都可能使碳纤维布产生损伤，并引起强度降低。混凝土表面小的模板错位及混凝土气孔很难通过基底处理一道工序彻底清理。因此，在涂敷的底层涂料指触下燥后，必须用找平胶进行找平，同时将矩形断面直角打磨后补成圆弧状。
找平胶应具有优良的力学性能，以及良好的施工性能与触变性能。在施工过程中，找平胶应易于操作，且不随时间的延长出现明显的变形，防止胶的滴挂。一般的普通环氧树脂的粘接强度和强韧性都达不到找平胶的要求，不应调配使用。
3、浸渍树脂(粘贴主胶)
浸渍树脂在粘结材料中起着至关重要的作用，它连接底胶与碳纤维布。它的粘度应控制在一定范围，有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维布粘附于混凝土表面，经过碾压，使浸渍树脂很容易浸透碳纤维布，形成一个复合性整体，共同抵抗外力作用。
浸渍树脂不仅应具有良好的渗透性以利于浸透碳纤维布，同时还应具有一定的初粘力，防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙。并且本身具有良好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象。另外，胶粘剂与碳纤维的相容性和粘接力必须极好，才能满足碳纤维布和混凝土形成预定的复合材料。
4、防护材料(罩面胶)
罩面胶主要是为了施工表面的美观和保护碳纤维布。只要求材料能涂敷在碳纤维布表面，并不脱层，不掉落，能长期在冷热下湿的空气中稳定，防止复合材料被紫外线直接照射。它的选择范围较大，丙烯酸体系、聚氨脂体系、不饱和聚脂体系、有机硅、有机氟体系等都适合。
5、胶与胶的相容性
碳纤维布加固补强施工过程中，胶是一层一层叠加上去复合而成的，与混凝土直接接触的只有底涂胶，找平胶与底涂胶、碳纤维和粘贴主胶粘接，而粘贴主胶与底胶、找平胶、碳纤维布和罩面胶相连。因此不同胶粘剂之间的相容性、粘接性问题应予以充分考虑。一般来讲，同一类型的胶粘剂粘接性较好，不同类型的胶粘剂粘接相容性就需做预先的实验加以论证。
4、碳纤维布加固补强受力分析与设计计算
4.1 加固受力特点分析
(1) 与传统的其它加固方法相比，采用碳纤维布加固旧桥能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力：
(2) 将抗拉性能优良的碳纤维布用粘结材料粘贴到梁体底面或箱梁内壁上，使其与原结构一起参与受力，即碳纤维布可以与原结构内布置的钢筋一道共同承受拉力，以提高旧桥的承载能力；
(3) 沿桥梁的主拉应力方向(或与裂缝正交方向)粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端，据此可约束混凝土表面裂缝、防止裂缝再扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的；
(4) 目前可用于旧桥结构加固用的碳纤维有单向碳纤维和、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等，可根据不同的结构部位和受力特性与方向等，选择相应的碳纤维布进行加固：
(5) 碳纤维布加固混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然鹾碎破坏。与此同时，由于碳纤维为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多，构件延性将有所降低。因此，碳纤维布用于钢筋混凝土梁式桥的加固补强时，应根据实际情况合理使用；
(6) 于碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性(拉断或剥离等脆性破坏)，其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2/进行抗弯承载力计算；
(7) 经研究证实，碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力，其作用机理与箍筋类似，同时还能明显改善构件的变形性能，增强构件的变形能力；
(8) 纤维布与混凝土基层界面，可分为四个界面区，即混凝土基层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区。粘结性能的本质是接触面问的相互作用，宏观上表现为液态聚台物澄润发面后形成的机械锁结，微观上表现为分予扩散后相互缠结作用、或化学键作用、或静电吸引作用．或其复合作用。
4.2 碳纤维布加固设计计算要点
(1) 采用碳纤维布加固旧桥，目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准(例如强度或允许应力)近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法，但理论分析结果与实验数据吻合得很好，因此在一般情况下是适用的。
(2) 碳纤维布回固用量，可按式(6-1-1)估算
Acf=As(Ry/Rcf)                   (6-1-1)
式中：Acf——碳纤维布用量（面积）；
      As——为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积；
 Ry——钢筋的抗拉设计强度；
 Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。
(3) 除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积)外，还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积，以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。
4.3 碳纤维布加固旧桥特点
    1、不增加恒载及断面尺寸
    碳纤维布的自重仅为200~300g/㎡，设计厚度为0.111~0.167mm，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响微乎甚微，可忽略不计。同时，碳纤维布可以多层粘贴。根据补强的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足补强的要求。这一优点更是传统补强方式所难以比拟的。
    2、可适应不同构件形状，成型很方便
    斜、弯、坡及异型结构的补强，采用传统的方法，施工难度极大，采用碳纤维补强法，因碳纤维布的随型性极强的特点，可以随结构外形变化任意施已从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，产生巨大的社会及经济效益。
    3、施工简便
    特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时，碳纤维布加固方法是可选择的一种方法。该法工艺简便，无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行，因而施工时所需工作面小，在作业空间受限制时，该优点是其它加固方法无法比拟的。
4、采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤
碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏，更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。
    5、能有效地封闭混凝土的裂缝
    碳纤维布(片)粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝上的裂缝，其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
    6、碳纤维布(片)具有优良的耐化学腐蚀性
    碳纤维布(片)是一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性以及具有较好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时，其寿命也较长。因而碳纤维布加固法，在不利环境下较其它方法更显出其优异性。
7、不影响结构的外观
碳纤维布(片)的厚度很薄，粘贴尉化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。
5、碳纤维布加固旧桥施工工艺与要求
5.1施工工艺
1、施工前的准备作业
2、基而处理
(1) 混凝土表面的劣化层(如浮浆、风化层等)要用砂轮机进行清除和打磨；
(2) 基面的错位与凸出部分要磨平，转角部位要进行倒角处理：
(3) 裂缝部分要注入环氧树脂浆进行修补。
3、基面的清洗
(1) 先用钢丝刷将表面松散浮渣刷去，然后用压缩空气除去粉尘；
(2) 用丙酮或无水酒精擦试表面，也可用清水冲洗，但必须保证其充分干燥后才能进行下一道工序的施工。
4、涂刷底胶
(1) 按比例准确配制好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量在可使用时间内用完，超过时间的绝对不能使用，以确保粘接质量；
(2) 用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上，注意直横均匀涂抹，自然风干。如在冬季施工，胶的粘度较高，不能涂得太厚；
(3) 底胶硬化后，在表面有凸起部分时，要剐磨光机或砂纸打光；
(4) 待底胶指触干燥后，进入下道工序。
5、粘贴面的修补
(1) 若发现粘贴面上有凹入部位，应用找甲胶进行修补，保证粘贴面的平整，以确保加固效果。
(2) 待找平胶指触干燥后进入下一道工序。
6、粘贴碳纤维布
(1) 在待粘贴面上划出各层位置：
(2) 依设计尺寸裁剪碳纤维布，应根据现场施丁经验和作业空间确定下料长度，若需要进行接长时，接头的长度应根据实际情况而定，一般不得小于15cm；
(3) 下料数量应以当天能用完为准；
(4) 粘贴碳纤维布时，应依设计位置由上而下，由左至右有秩序地粘贴，并以滚筒压挤贴片，使碳纤维布与浸渍树脂充分结合，同时以压板去除气泡；
(5) 即时观察贴片是否粘贴密实，若发现有间隙或气泡，应及时处理。
7、罩面防护处理
(1) 粘贴完碳纤维布后，即时在其表面再直横均匀涂抹一层浸渍树脂，自然风干；
(2) 确保贴片表面已充分风干结合后，在其丧丽涂抹罩面胶或采取其它措施处理，以保证各层胶的耐久性。
5.2 粘贴施工要求
1、对被加固陶件的整面要求
    因为用碳纤维布加固混凝土构件是依赖于碳纤维布与构件表两的粘贴效率，所以要求基面的混凝上强度等级不低于C15。同时要求破加固构件应具有鬼好的保护层，即基面平整且具有一定强度。对于构件有剥落、起皮、腐蚀、裂缝及严重碳化等表面缺损，必须先进行修复，并应将粘贴基面打磨平整、清理干净，且不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘，防止碳纤维布的局部剥断破坏和粘贴失效。
    2、碳纤维布的粘贴
    用碳纤维布加固混凝土构件宜采用薄布多层的粘结方法，使其与粘结材料充分浸润，确保粘结效率。
    对于受弯构件宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤维布进行加固补强，并在主纤维方向的断面端部进行附加锚固处理。
3、碳纤维布的搭接与截断
    加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。根据国内外对碳纤维布与混凝土问粘结锚固的试验结果，粘结应力主要集中于端部100mm范围内，粘结破坏是脆性的，且粘结应力一般不会产生扩展。因此，若碳纤维
布确需搭接时，其搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100mn，且搭援端部应平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。
    4、施工时其它应注意的事项
    (1) 现场气温低于5℃及雨天或可能结露时，应停止施工；
    (2) 在施工现场，应做好防火等安全措施；
    (3) 各种胶粘附在皮肤上时，要用肥皂水冲洗，特别是进入眼内，要立即用水冲洗，或接受医生诊治。
5、加固所用的碳纤维布及其配套粘结材料均应有厂家所提供的材料检验证明和合格证。

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