粘貼纖維復(fù)合材料加固法

纖維復(fù)合材料加固法〖知識(shí)目標(biāo)〗1.了解纖維加固材料的特性;2.理解纖維加固法的基本原理3.掌握纖維加固法的施工工藝。〖能力目標(biāo)〗1.能正確運(yùn)用纖維加固法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的加固；2.能準(zhǔn)確對(duì)纖維加固法進(jìn)行施工質(zhì)量控制。一、概述隨著社會(huì)的發(fā)展人們對(duì)已建及在建的基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求現(xiàn)有的道路橋梁一般都是在超負(fù)荷運(yùn)行加上其他方面的影響致使橋梁面臨多種結(jié)構(gòu)性或非結(jié)構(gòu)性的破壞，如承載力不足、設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低、年久失修等，使得這些結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)有交通的要求所以對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固已是當(dāng)務(wù)之急相對(duì)于傳統(tǒng)的加固方法，用纖維加固橋梁構(gòu)件，不僅具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、耐腐蝕、耐久性好、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，而且擁有施工便捷、無(wú)需大型機(jī)械、工期短等優(yōu)勢(shì)。碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維布已應(yīng)用于橋梁維修加固工程中。自20世紀(jì)70年代末，歐洲進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP)在土木工程中的應(yīng)用研究以來(lái)，具有極好的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)秀耐腐蝕性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，己廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼加固工程中成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固已有混凝土橋梁的新技術(shù)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP)應(yīng)用最多。下面根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳纖維芳綸纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固的工程研究介紹這一新技術(shù)的材料特性、施工方法和技術(shù)措施。二、碳纖維布加固舊橋施工在橋梁加固工程中纖維布材主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固補(bǔ)強(qiáng)其加固的效果主要是提高構(gòu)件的抗彎承載力抗剪承載力以及受壓構(gòu)件的軸向抗壓承載力;提高件的剛度以及延性。除此之外，許多室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，碳纖維片材加固的混凝土構(gòu)件裂縫寬度發(fā)展可以得到控制。（一）碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)受力分析與設(shè)計(jì)計(jì)算(1)加固受力特點(diǎn)分析①與傳統(tǒng)的其它加固方法相比用碳纖維布加固舊橋能最小程度的改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。②將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布，用粘結(jié)材料粘貼到梁體底面或箱梁內(nèi)壁上，使其與原結(jié)構(gòu)一起參與受力碳纖維布可以與原結(jié)構(gòu)內(nèi)布置的鋼筋一道共同承受拉力，以提高舊橋的承載能力。③沿主拉應(yīng)力方向，或與裂縫正交方向，粘貼碳纖維布，兩端分別設(shè)置錨固端據(jù)此可約束混凝土表面裂縫防止裂縫再擴(kuò)展從而達(dá)到提高構(gòu)件抗彎剛度減少構(gòu)件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的。④目前，用于加固用的碳纖維有單向碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單向碳纖維層壓材料等據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力特性與方向等，選擇相應(yīng)的碳纖維布進(jìn)行加固。⑤碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，在提高其抗彎承載力時(shí)，還可能對(duì)抗彎構(gòu)件破壞形態(tài)產(chǎn)生影響當(dāng)碳纖維布用量過(guò)多時(shí)構(gòu)件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷帘煌蝗粔核槠茐?。與此同時(shí)由于碳纖維為完全彈性的材料它與鋼筋的共同工作會(huì)減弱鋼筋塑性性能對(duì)構(gòu)件延性的影響碳纖維布用量過(guò)多構(gòu)件延性將有所降低因此碳纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋的加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理使用。

eq\o\ac(○,6)

用碳纖維布加固的舊橋，一旦發(fā)生破壞如拉斷或剝離等脆性破壞，具有突發(fā)性因此其承載力極限狀態(tài)不能按普通鋼筋混凝土的定義一般應(yīng)按碳纖維抗拉強(qiáng)度的三分之二進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算。⑦試驗(yàn)研究證實(shí)，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機(jī)理與箍筋類似，同時(shí)還能明顯改善構(gòu)件的變形性能，增強(qiáng)構(gòu)件抗變形能力。eq\o\ac(○,8)

碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個(gè)界面區(qū)，即混凝土基層與粘結(jié)樹(shù)脂界面區(qū)、粘結(jié)樹(shù)脂與碳纖維布界面區(qū)粘結(jié)性能的本質(zhì)是接觸面間的相互作用宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚合物浸潤(rùn)表面后形成的機(jī)械鎖結(jié)微觀上表現(xiàn)為分子擴(kuò)散后相互纏結(jié)作用，或化學(xué)鍵作用，或靜電吸引作用，或其復(fù)合作用。（2）碳纖維布力加固設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)①采用碳纖維布加固舊橋，目前，其計(jì)算方法一般是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)例如:允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，近似換算成一定用量的鋼筋，然后，按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進(jìn)行理論分析雖然是近似計(jì)算方法但是理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合。因此在一般情況下是適用的。②碳纖維布加固用量可按下式估算cf

g

cfR

——碳纖維布用量（面積——為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積；——鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；cf

——碳纖維布抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。③除按上式估算的碳纖維布加固用量面積)外還必須考慮必要的錨固長(zhǎng)度和搭接長(zhǎng)度所需面積，以及必要的邊、角廢料等裁剪損耗等。粘貼碳纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)材料其主要力學(xué)性能和指標(biāo)加固設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求及計(jì)算方法可參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。(3)碳纖維布加固舊橋特點(diǎn)①不增加恒載及斷面尺寸:碳纖維布的自重僅為200-300

2

，設(shè)計(jì)厚度為0.111--0.167mm，加上環(huán)氧樹(shù)脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響微乎甚微，可忽略不計(jì)。同時(shí)，碳纖維布可以多層粘貼。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)的要求碳纖維布可以再一個(gè)部位重疊粘貼充分滿足補(bǔ)強(qiáng)的要求該優(yōu)點(diǎn)更是傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方式所難以比擬的。②可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型方便斜、彎、坡及異型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度極大，采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)法，因碳纖維布的隨型性極強(qiáng)，可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期，

產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。③施工簡(jiǎn)便:特別是當(dāng)箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時(shí)，碳纖維布加固方法是可選擇的一種方法。該法工藝簡(jiǎn)便，無(wú)需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐，操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行因而施工時(shí)所需工作面小在作業(yè)空間受限制時(shí)該優(yōu)點(diǎn)是其他加固方法無(wú)法比擬的。④采用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)系采用環(huán)氧樹(shù)脂系列的粘結(jié)材料不需要設(shè)置錨固螺栓及開(kāi)鑿混凝土等因而不會(huì)對(duì)已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞可避免鉆孔時(shí)與結(jié)構(gòu)內(nèi)原有鋼筋和預(yù)應(yīng)力索發(fā)生沖突而引起新的問(wèn)題。⑤能有效地封閉混凝土的裂縫碳纖維布(片)粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫其高強(qiáng)高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成與擴(kuò)展改變了裂縫的形態(tài)使寬而深的裂縫變成分散的細(xì)微裂縫從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。⑥碳纖維布(片)具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性:碳纖維布(片)是一種復(fù)合材料，幾乎無(wú)腐蝕性和磁性以及具有較好的耐熱性不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕而且當(dāng)應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時(shí)其壽命也較長(zhǎng)因而碳纖維布加固法，在不利環(huán)境下較其它方法更顯出其優(yōu)異性。⑦不影響結(jié)構(gòu)的外觀:碳纖維布(片)的厚度很薄，粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原有結(jié)構(gòu)外觀顏色一致的涂料，而不影響結(jié)構(gòu)的外觀。(二)碳纖維布加固舊橋施工工藝與要求(1)一般施工工藝:施工前的準(zhǔn)備作業(yè)、基面處理混凝土表面的劣化層(如浮漿、風(fēng)化層等)要用砂輪機(jī)迸行清除和打磨;基面的錯(cuò)位與凸出部分要磨平，轉(zhuǎn)角部位要進(jìn)行倒角處理裂縫部分要注入環(huán)氧樹(shù)脂漿進(jìn)行修補(bǔ)。基面的清洗:先用鋼絲刷將表面松散浮渣刷去，然后用壓縮空氣除去粉塵用丙酣或無(wú)水酒精擦試表面也可用清水沖洗但必須保證其充分干燥后才能進(jìn)行下一道工序的施工。涂刷底膠:按比例準(zhǔn)確配制好底膠并攪拌均勻，注意一次調(diào)和量在可使用時(shí)間內(nèi)用完，超過(guò)時(shí)間的絕對(duì)不能使用，以確保粘接質(zhì)量用滾筒或刷子均勻地涂抹在基面上，注意直橫均勻涂抹，自然風(fēng)干。如在冬季施工，膠的粘度較高，不能涂得太厚，底膠硬化后，在表面有凸起部分時(shí)，要用磨光機(jī)或砂紙打光待底膠指觸干燥后，進(jìn)入下道工序。粘貼面的修補(bǔ):若發(fā)現(xiàn)粘貼面上有凹人部位，應(yīng)用找平膠進(jìn)行修補(bǔ)，保證粘貼面的平整，以確保加固效果;待找平膠干燥后進(jìn)入下一道工序。粘貼碳纖維布:在待粘貼面上劃出各層位置;依設(shè)計(jì)尺寸裁剪碳纖維布根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)和作業(yè)空間確定下料長(zhǎng)度若需要進(jìn)行接長(zhǎng)時(shí)接頭的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，一般不得小于15cm;下料數(shù)量應(yīng)以當(dāng)天能用完為準(zhǔn);粘貼碳纖維布時(shí)，應(yīng)依設(shè)計(jì)位置由上而下，由左至右有秩序地粘貼，并以滾筒壓擠貼片，使碳纖維布與浸漬樹(shù)脂充分結(jié)合時(shí)以壓板去除氣泡汶口時(shí)觀察貼片是否粘貼密實(shí)，若發(fā)現(xiàn)有間隙或氣泡，應(yīng)及時(shí)處理。罩面防護(hù)處理:粘貼完碳纖維布后，即時(shí)在其表面再直橫均勻涂抹一層浸漬樹(shù)脂，自然風(fēng)干;確保帖片表面已充分風(fēng)干結(jié)合后，在其表面涂抹罩面膠或采取其他措施處理，以保證各層膠的耐久性。

(2)粘貼施工要求①對(duì)被加固構(gòu)件的基面要求:因?yàn)橛锰祭w維布加固混凝土構(gòu)件是依賴于碳纖維布與構(gòu)件表面的粘貼效率，所以要求基面的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于CI5。同時(shí)要求被加固構(gòu)件應(yīng)具有良好的保護(hù)層即基面平整且具有一定強(qiáng)度對(duì)于構(gòu)件有剝落、起皮、腐蝕、裂縫及嚴(yán)重碳化等表面缺損，必須先進(jìn)行修復(fù)，并應(yīng)將粘貼基面打磨平整清理干凈且不應(yīng)存在尖銳楞角和浮灰粉塵防止碳纖維布的局部剝斷破壞和粘貼失效。②碳纖維布的粘貼:用碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，宜采用薄布多層的粘貼方法，使其與粘結(jié)材料充分浸潤(rùn)，確保粘結(jié)效率。對(duì)于受彎構(gòu)件，宜在受拉區(qū)沿軸向平直粘貼碳纖維布進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，并在主纖維方向的斷面端部進(jìn)行附加錨固處理。③碳纖維布的搭接與截?cái)?加固用的碳纖維布一般不宜采取沿主纖維方向的搭接尤其是對(duì)受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件受拉區(qū)的加固根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維布與混凝土間粘結(jié)錨固的實(shí)驗(yàn)結(jié)果粘結(jié)應(yīng)力主要集中于端部范圍內(nèi)粘結(jié)破壞是脆性的，且粘結(jié)應(yīng)力一般不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)展。因此，若碳纖維布確需搭接時(shí)，其搭接部位應(yīng)避開(kāi)構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)段，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于，且搭接端部應(yīng)平整元翹曲。多層搭接的各層接口位置，不應(yīng)在同一截面，每層接口位置的凈距宜大于200mm。④施工時(shí)其他應(yīng)注意的事項(xiàng):現(xiàn)場(chǎng)氣溫底于5℃、雨天，應(yīng)停止施;在施工現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)做好防火等安全措施;各種膠粘附在皮膚上時(shí)，要用肥皂水沖洗，特別是進(jìn)入眼內(nèi)，要立即用水沖洗，或接受醫(yī)生診治。⑤加固所用的碳纖維布及其配套粘結(jié)材料應(yīng)有廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明和合格證。（3）施工控制流程圖如圖1(三)粘貼芳綸纖維布加固舊橋施工工藝與要求（1）芳綸纖維布加固施工控制流程如圖1（2）施工前準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作包括:準(zhǔn)備材料、場(chǎng)地、工具及保管工作。1）準(zhǔn)備材料。芳綸材料系統(tǒng):根據(jù)加固設(shè)計(jì)準(zhǔn)備相應(yīng)型號(hào)的芳綸纖維布。樹(shù)脂系統(tǒng):底膠、整平樹(shù)脂和浸漬樹(shù)脂。2）準(zhǔn)備場(chǎng)地①搭建工作臺(tái)、保護(hù)設(shè)施。當(dāng)修補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)是在高處時(shí)，周?chē)话阋O(shè)置腳手架。為了防止粉灰樹(shù)脂的飛散，防止雨浸、風(fēng)吹，防寒，要搭設(shè)防護(hù)布。②妨礙施工的現(xiàn)存設(shè)施要去除移在補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后要將原設(shè)施復(fù)位時(shí)，應(yīng)事先記下螺釘孔、埋設(shè)金屬等部件的位置。3）準(zhǔn)備纖維加固工具4）保管工作①芳綸纖維布必須存放于不受水、灰塵污染的干燥暗處在施工前不要長(zhǎng)時(shí)間放置在陽(yáng)光直射、高溫等處。②底膠及浸漬樹(shù)脂必須存放于不受水、灰塵污染的干燥、陰暗處。（3）混凝土處理擬加固的構(gòu)件混凝土必須完整無(wú)缺?；炷劣芯植科茡p、剝落、開(kāi)裂的，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修補(bǔ);寬度大于2mm的裂縫采用化學(xué)膠先行閉合處理。

在病害處理完成后，再做混凝土表面處理。1）基面處理①混凝土表面的一般處理。剪切補(bǔ)強(qiáng)、韌性補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，原則上應(yīng)除去表面的涂層、灰塵、油污及混凝土浮漿;彎曲補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，原則上要打磨到細(xì)集料露出為止。②基面輕微的模板對(duì)接凸起或錯(cuò)位，要打磨平。轉(zhuǎn)角部分要進(jìn)行倒角處理。芳綸纖維同其他高性能纖維相比對(duì)彎曲的追隨性較好角處的圓弧原則上處理成相當(dāng)于半徑IOem的圓角即可，所以不必加工或只打一遍砂紙就行了O③脫落、剝離、裂縫的地方，要注入樹(shù)脂或填充砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。用砂漿或膩?zhàn)舆M(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，為了確保與混凝土的結(jié)結(jié)性，要事先涂教結(jié)劑。④用丙自同或無(wú)水酒精擦拭表面。也可以用清水沖洗，但必須保證其充分干燥后，才能進(jìn)入下一道工序。2）病害處理結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)要求混凝土必須有一定的強(qiáng)度(原則上不低于原構(gòu)件混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，且不低于。如果達(dá)不到，則必須剔除或注漿處理，同時(shí)必須進(jìn)行裂縫注膠。注膠存在的問(wèn)題:①混凝土表面的一般處理，有些黏結(jié)材料不能滲透進(jìn)入非常細(xì)但又具有破壞力的裂縫，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制②由于裂縫的內(nèi)部條件不同，注入的樹(shù)脂會(huì)因?yàn)橐莆换虮晃斩そY(jié)不完全。解決方案:采用裂縫注射工法。此方法為一種低壓低速連續(xù)自動(dòng)注射的施工法使裂縫修補(bǔ)達(dá)到很好效果從而恢復(fù)建筑的耐久性同時(shí)也提高了施工時(shí)的工作效率。①裂縫注射工法的質(zhì)量控制方法裂縫注膠時(shí)一般每選擇一個(gè)注射點(diǎn)注射點(diǎn)用電鉆打孔一般要求有6的深度;同時(shí)孔的方向最好跟注射面有一個(gè)角度，以利于重力的作用。②裂縫注膠的特點(diǎn):裂縫注射工法運(yùn)用了橡膠來(lái)確保了在低壓低速的條件下進(jìn)行流暢勻速、穩(wěn)定地注射這使注射物能夠更深更有效地滲入裂縫注射壓力的控制只需通過(guò)簡(jiǎn)單地增加或減少橡皮筋的數(shù)量來(lái)解決。注入量由透明的圓管上的容量刻度控制，以毫升為單位。注入量一目了然，可以準(zhǔn)確容易地控制注入量。殘留在圓管注射器里的材料的固化速度和注入裂縫里的材料固化速度是一樣的。通過(guò)檢查圓管注射器里殘留材料的固化速度，可以確定裂縫的固化程度。因此，固化情況的檢查非常簡(jiǎn)單，即檢查注射筒里的樹(shù)脂硬化情況就可以了。裂縫注射工法可使很多個(gè)注射器同時(shí)工作需要大量的技術(shù)人員各自去逐個(gè)修補(bǔ)裂縫，因而提高了工效。裂縫注射工法解決了傳統(tǒng)的施工法采用高速?gòu)?qiáng)壓的手段注膠也有不能確保穩(wěn)定地完成注射工作的缺陷。裂縫注射工法則可以用于-2mm的裂縫。（4）涂底膠涂底膠旨在確?；炷僚c纖維布及浸漬樹(shù)脂有高度的黏結(jié)力一般來(lái)說(shuō)膠可以滲透到2-3cm深度的混凝土里面，從而增強(qiáng)表面混凝土的一體性。1）涂抹原則①涂抹底膠前，要確認(rèn)混凝土的表面干燥。潮濕狀態(tài)下，要進(jìn)行干燥處理或采用濕潤(rùn)底膠。②底膠在指觸硬化前，外界溫度若在5以下，要采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┗?/p>

者采用低溫型底膠。③底膠要按照一定的比例混合，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?。每次調(diào)和的樹(shù)脂都要盡可能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完。④用滾筒將底膠均勻地涂在施工面上膠的使用量要以產(chǎn)品的規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，不過(guò)還應(yīng)根據(jù)外界溫度和混凝土表面狀況等因素做適當(dāng)調(diào)整。2）涂抹底膠操作方法①施工面的污漬需除去，清洗干凈并使之干燥②主劑和硬化劑應(yīng)嚴(yán)格按5：2（質(zhì)量比）調(diào)配，并充分混合。③每次調(diào)配的量不要太多，應(yīng)盡量在可用時(shí)間內(nèi)用完。④施工后24h內(nèi)應(yīng)注意養(yǎng)護(hù)。⑤容器上若附著樹(shù)脂，應(yīng)在硬化前用有機(jī)溶劑洗去。⑥40CC以下密封儲(chǔ)藏。低溫時(shí)硬化會(huì)變緩，應(yīng)在以上環(huán)境下使用。為保證材料的附著性，應(yīng)在底膠