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碳纤维桥梁加固应用【 凯里】

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第一章 绪论

加固维修工程在当代经济建设中的作用

各国建筑维修改造业的发展

世界经济发达国家的工程建设大都经历了三个阶段:大规模新建;新建与维修改造并举;除部分新建外,重点转向维修改造。20世纪70年代,建筑维修改造业的发展速度开始加快,各国相应加大了建筑物维修改造的投资比例,行业规模迅速扩大。

维修改造具有突出的经济和社会效益

维修改造能够以经济的技术手段保证已有建筑物,包括老旧建筑物,不断适应人类社会的发展。与新建建筑物相比维修改造具有三个突出的优点:投资少,工期短,省空间。这些都会带来显著的 经济效益,特别是时间和空间的节约,对工业生产和商业活动来讲,在效益方面往往起着决定性的作用。

建筑物加固工程是建筑物维修改造工程中重要的组成部分,因此它具有以上介绍的众多优点,对当代世界以及我国的经济建设起着举足轻重的作用。

1.2 本文主要介绍对象及内容

本文主要介绍粘贴碳纤维加固,其中包括碳纤维加固的适用范围,碳纤维材料及粘贴胶的各项技术指标以及碳纤维设计加固中的注意事项和粘贴碳纤维的施工工艺,并结合XX大桥维修加固工程具体、详实介绍碳纤维在土木工程工程中的实际应用。

第二章 碳纤维在土木工程中的应用

2.1 碳纤维发展的社会背景

随着建筑业的发展,原有的房屋、桥梁、特别是大型的基础设施工程在使用一段时间后,出现老化和破损,不得不再花巨资进行加固和修复。据专家预测,如果没有根本性的技术革新,社会将负担庞大的基础设施的维修和管理费用。[11]目前,一种新兴的加固技术——碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP)加固修补混凝土结构技术,将有效地解决上述问题。

碳纤维技术在结构加固中的应用,首先由瑞典人Meier用来加固桥梁,然后由日本人在80年代发展起来的。起因是80年代初,日本政府强制要求提升路桥运载能力,组织专家组进行调查,发现大量的桥梁需要加固。90年代初,日本人已成功地将这项技术用于上千个工程项目中。1995年,阪神大地震后,日本的碳纤维布用量已达到数百万平方米[2]。

2 .2碳纤维加固基本原理、适用范围及特点

2.2.1碳纤维加固基本原理

该方法采用同一方向排列的碳纤维织物,在常温下用环氧树脂胶预浸,沿受力方向或垂直于裂缝方向紧密粘贴在需要补强的混凝土结构表面,形成复合材料体,二者作为一个新的整体,使增强贴片与原有的钢筋混凝土共同受力,增大结构的抗弯或抗剪能力,提高强度、抗裂性和结构的延性,控制裂缝的继续发展,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2.2.2碳纤维加固适用范围

碳纤维在土木工程的应用主要有碳纤维布、碳纤维板、碳纤维型材、短碳纤维等,而当前用量最大和最普遍的是碳纤维布。由于结构加固主要利用碳纤维布的高抗拉性能,因此它主要用于桥梁、工业与民用建筑中的钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙,涵洞、隧道、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、水池侧壁等,这些都可采用碳纤维进行修复、补强、加固,而且也很适用于古建筑物或砌体结构的维修加固、恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能。

2.2.3碳纤维加固特点

碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)这种高性能材料较其它传统加固法(如加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、裂缝修补法、喷射混凝土加固法、缠绕钢丝加固法等)有着独特的优越性,这种新兴的加固技术脱颖而出,较好地解决了上述传统加固方法的问题,已被人们认识,并逐渐应用于钢筋混凝土梁、柱、桥墩等各种混凝土结构的加固改造中。碳纤维增强复合材料具有轻质高强、抗腐蚀、耐久性好、施工简便、不影响结构的外观等优异特性,该项加固技术较之传统的修复补强施工工艺具有明显的优越性。

a)  材料轻质高强。碳纤维片材的抗拉强度比同截面钢材高 7 ~ 10 倍,而结构自重的增加几乎可以忽略。

b)  抗腐蚀。碳纤维片材与环氧树脂胶结合附于混凝土表面,能有效地防止混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。使用这种方法对结构进行加固处理后,不仅不需要如粘钢板加固法所需的定期防锈维护,节省了大笔维修费用,而且其本身可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重目的。

c)  耐老化。碳纤维片材与环氧树脂胶结材料本身及经其补强的混凝土构件可以长期承受紫外线、核幅射。

d)  耐热性。碳纤维片本身具有非常优异的耐热性能,但因为环氧树脂在接近 80 ℃ 时发生软化,所以碳纤维增强复合材料的耐热温度为 80 ℃ 。

e)  保持结构原状,外形美观。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形,加固后均可保持物体原状,不影响表面装饰。

施工简便、快捷。不需要大型施工机具,施工占用场地少,有时还可以在生产和设施正常运营的条件下施工,避免停产、停运的困难和损失,而且一般只需手工操作,施工进度快。

g)  碳纤维复合材料的疲劳强度高。再循环次数为两百万次,碳纤维复合材料的强度能达到其一次抗拉强度的70%。

h)  适用面广。粘贴碳纤维布加固修补混凝土结构可以广泛应用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等)、各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构)、各种结构部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)的加固补修,而且不改变结构形状及不影响结果的外观,尤其对于大型土木工程结构,采用碳纤维布加固法效果比较好。

2.3碳纤维的规格、性能及相关材料技术指标

2.3.1 碳纤维的规格及材料性能

碳纤维片材修复补强混凝土结构所用材料,可以分为碳纤维片材和与其相配套的专用环氧树脂两大类。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍左右,而弹性模量与钢材相当,某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上,且施工性能和耐久性良好,是一种有效的加固修复材料。

2.3.2碳纤维胶结材料性能指标

采用碳纤维片材对混凝土结构加固时,应采用与碳纤维片材配套的底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘结树脂。配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成;分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装,在现场使用时,应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀,以形成所需要的底涂树脂、找平树脂、粘结树脂。

2.4 粘贴碳纤维的施工工艺及施工要求

2.4.1粘贴碳纤维的施工工艺

进行修补;对混凝土表面轻微气泡孔或模板棱可由底涂找平处理。

粘。

粘贴碳纤维布:将裁剪好的碳纤维布用粘贴树脂浸渍,用手轻压粘贴于需要粘贴的部位,采用滚筒顺碳纤维布方向多次滚压、挤除气泡,使粘贴树脂充分浸透碳纤维布,滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴时需等上层碳纤维布表面的粘贴树脂干燥后进行。最后在粘贴好的碳纤维布表面均匀涂刷粘贴树脂。

粘贴碳纤维的施工要求

1、涂粘结树脂前必须先确认底漆状况为指触干燥。

2、碳纤维布预先以剪刀或刀片依所设计尺寸裁剪,下料准确,宽度不得有下差。

3、主剂及硬化剂必须配比准确称重后置于搅拌器中搅拌,一次搅拌量为在可使用时间内用完之施工量,超过使用时间的材料不能再用。

滚筒毛刷将树脂均匀涂布饱满。

5、纤维布平顺的贴合在涂布树脂的结构层上,并用刮刀沿纤维方向用力刮平除去气泡。

6、 贴好的碳纤维布上,再用滚筒毛刷将树脂均匀涂布。30分钟后进行上层树脂涂布。

7、 上积层,重复上述4~6步骤,但需等上层碳纤维布表面的粘贴树脂干燥后进行。

8、 贴片搭接时,纤维方向交接处搭接长度须大于100mm。

9、 保证浸渍树脂充分浸透在碳纤维布中否则对粘贴质量有不利影响

10、用专业滚筒滚压碳纤维布时,可以向一个方向滚动,也可以从中间向两个方向滚动,但不允许来回反复滚动,以免损伤碳纤维影响粘结质量。

2.5碳纤维加固技术展望

碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料,属于高新技术产品,它是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料,具有高比强度,高比模量,耐高温,耐腐蚀,耐疲劳,抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,它可作为结构材料承载负荷。因此其近年来发展十分迅速,在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域

得到了广泛的应用。

在土木工程领域,碳纤维这种新型的加固方法因其优异的物理力学性能、施工便捷、工期短、极佳的耐久性能及粘贴后基本不增加原结构自重及构件尺寸、外观影响最小等独特的优点脱颖而出,已经被逐渐认可,大量用于工程实际中。碳纤维材料在结构加固领域潜力极大,近十年来碳纤维材料加固的发展已经充分证实了这一点。从目前国内外的发展情况看,碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正呈积极的态势。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需维修与加固,碳纤维加固技术作为一种新兴的、技术含量高的加固技术,具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。[6]

碳纤维材料加固修补混凝土结构技术在我国的研究与应用起步较晚。在我国最早并系统地进行研究开发的仅有国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心一个单位。随着人们对碳纤维加固混凝土结构技术优势认识的逐渐提高,现在国内已有越来越多的高校和科研机构开始重视这一新兴加固技术的科学研究和应

用,并投入了大量的资金和人力来发展和完善这一技术。[10]随着研究工作的不断深入、碳纤维布的国产化、碳纤维加固技术的相应标准和规程的出台,这种加固技术在我国也将得到广泛的应用,同时也必将对我国的社会主义现代化建设事业产生积极的推动作用,碳纤维加固技术必将在我国日益增长的结构维修加固工程中得到充分的发挥。

第三章 碳纤维在大桥加固工程中的应用

3.1大桥工程概况[7]

喇嘛湾公路大桥位于呼和浩特~大饭铺公路92公里,在呼和浩特市清水河县喇嘛湾镇下游55公里及鄂尔多斯市准格尔旗前房子村之间,为通向准格尔煤田之交通要道。桥位约成东西向,与水流基本正交。该桥竣工于一九八五年七月。

3.2碳纤维加固原因分析

由于车流量过大且大部分都是超载车辆不仅造成桥面破损严重而且对箱梁底部产生很大拉力作用,从而产生东西走向的裂缝。对这种因拉力过大而产生的东西走向的纵向裂缝采用南北方向横向粘贴措施才能限制裂缝的进一步发展。对于大桥而言要想限制箱梁底部的裂缝进一步发展,粘钢是不可行的。一是钢板自

重大且粘贴面积较大导致成本过高,二是梁下施工困难且加固效果不好,所以采用抗拉强度高、材质轻的碳纤维对箱梁进行粘贴修补是最佳选择,其优点是施工简单快捷只需手工操作便可完成且质量容易保证。

3.3粘贴碳纤维具体施工

3.3.1定位放线

按照设计图纸的要求,对箱梁底板粘碳纤维部位进行放线定位。先从桥东的桥台至第一跨粘起,依次粘贴到桥西。其中搭设脚手架的工期较长一般搭设一跨平均用时为六天,受天气及施工条件影响工人作业必须系戴安全带和安全帽并在脚手架两侧挂防护网;放线时间一般为一天,在打磨混凝土前进行完毕,以免耽误打

磨施工。

3.3.2混凝土表面处理

杂质,直至完全露出混凝土结构基面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20 mm。混凝土表面应清理干净并保持干燥。经充分干燥后方可进行下一道工序。

3.3.3配置并涂刷粘结胶

按照产品厂商提供的工艺规定配制底层树脂。该树脂为A、B双组分材料,要配比准确。用滚刷将底层树脂均匀的涂刷在粘贴碳纤维的混凝土表面,底层树脂涂布面边界应不小于所粘贴的碳纤维布的大小,底层树脂指触不粘方可进行下一道工序。

按照产品厂商提供的工艺规定配制粘贴树脂。该树脂为A、B双组分材料要配比准确,并将配制好的粘贴树脂均匀的涂抹于粘贴部位。用滚刷将粘贴树脂均匀涂刷在要粘贴碳纤维的混凝土表面即底层树脂表面粘贴树脂涂布面边界应不小于所粘贴的碳纤维布的大小。

3.3.4粘贴碳纤维及养护

按照图纸设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。将裁剪好的碳纤维布用粘贴树脂浸渍,用手轻压粘贴于需要粘贴的部位,采用滚刷顺碳纤维布方向多次滚压、挤出气泡,使粘贴树脂充分浸透碳纤维布,滚压时不得损伤碳纤维布。粘第二层时需等上层碳纤维布表面的粘贴树脂干燥后进行。最后在粘贴好的碳纤维布表面均匀涂刷粘贴树脂。

对粘贴好的碳纤维进行保护,在粘结树脂完全固化前不得扰动。待粘贴树脂固化后在碳纤维表面涂刷防腐剂,此项工程防腐剂采用沥青漆覆盖涂刷,防止紫

外线的照射。

3.4粘贴碳纤维具体施工流程

定位防线--下料--砼修补--基层打磨--刷底胶--刷粘贴胶--粘碳纤维--刷面

胶--刷防腐剂

b) 底胶涂刷完毕后,待底胶指触不粘时方可涂刷粘结胶

c) 碳纤维粘贴时,粘贴胶一定要将布渗透

d) 底胶、粘贴胶、面胶、防腐剂的涂刷面积不小于碳纤维布的粘贴面积