碳纖維加固技術在文物保護中的應用

碳纖維加固技術在文物保護中的應用

0碳纖維在加固、修復工程中的應用與其他古代建筑材料相比，石材材料的環(huán)境敏感性較低，因此保存了更豐富、更完整的歷史信息，這也決定了石材文物在科學研究中的重要地位。然而，由于自身材料的退化和環(huán)境的影響，石頭文物的破壞和風化也非常嚴重。在實際工程中,也不時會遇到一些體塊較大、年代久遠、斷裂破損比較嚴重的實例,讓技術人員束手無策?，F代結構加固修復技術的不斷發(fā)展以及新材料、新工藝的出現,為古建筑加固新技術、新方法的出現提供了契機。碳纖維材料是目前結構加固中最為新興的材料,具有高強、輕質、體積小、耐腐蝕以及操作可逆等優(yōu)點,在現代各種建筑物、構筑物加固中得到了廣泛的應用,在古建筑的保護中也有一些應用,尤其在石質建筑保護方面,保存在重慶三峽博物館中的部分石質古建筑和石質器物,在加固、修復保護過程中使用了碳纖維材料,如烏楊漢闕、漢碑、皇宋中興圣德頌碑等,取得了很好的保護效果。本文結合西岳廟“少昊之都”石牌坊修復工程,采用碳纖維布加固技術,對石質文物的抗彎性能進行了試驗研究,旨在為石質文物的加固、設計提供一定的理論支持。1試驗總結1.1密度和彈性模量本次試驗選用與西岳廟“少昊之都”石牌坊材質相同的砂巖,試件是將同一塊石材切割而成,保證材料的均質同一。經試驗,其彈性模量為0.72×105MPa,抗折強度為20.5MPa,抗壓強度為236.2MPa,密度為23.5kN/m3。碳纖維布選用臺灣巨瀚公司生產的UCP-200型和UCP-300型碳纖維布及其配套使用的樹脂膠接材料GEP580和GEL600,材料性能見表1。1.2碳纖維布的安裝按照《公路工程石料試驗規(guī)程》(JTJ054-94),且考慮到原石材的形狀大小,將其切割成850mm×150mm×70mm的試件6個,試件表面打磨平整,各邊互相垂直且無明顯層理或紋理。在試件底部沿長度方向粘貼碳纖維布,兩端采用U型箍錨固。粘貼時嚴格按照碳纖維施工工藝,保證碳纖維布與試件表面的緊密粘結。放置于通風干燥的環(huán)境中,使其自然固化。各試件編號及加固方式見表2。1.3試驗測量內容圖1為試驗加載裝置,為保證跨中處于純彎狀態(tài),采用兩點加載方法進行試驗,跨距為250mm,加載時在加載橫梁兩端和石梁兩端支座處分別加設鋼板,以免引起應力集中。采用千斤頂分級加載,初始荷載為1kN,每級增加荷載1kN,直至破壞。試驗測量的主要內容有:1)位移:石梁兩端支點、兩個1/3跨處和跨中共5處;2)應變:石梁跨中截面沿高度3個,上、下緣各1,共5個;3)裂縫:主要觀測純彎曲段出現裂縫的寬度、長度、間距和形態(tài)等。1.4梁后斜裂縫的分布S1、S2:隨著荷載的不斷增大,梁的撓度也緩慢增大,但數值較小;試件破壞前,梁無裂縫出現,沒有明顯的破壞跡象;當達到極限荷載時,在純彎段突然出現一條貫通石梁全截面的裂縫,斷面與石梁基本垂直,破壞時的跨中撓度分別為0.595mm和0.775mm,屬于脆性破壞類型。FS1:首先在純彎段出現一系列垂直裂縫,隨后在左右兩加載點外側、兩個U形箍之間出現斜裂縫;繼續(xù)加載,豎向裂縫發(fā)展較為緩慢,斜裂縫貫通梁全界面,裂縫兩側發(fā)生錯動,跨中撓度增大至8.87mm;加載至24.5kN時,碳纖維布在左側第2道U形箍處被拉斷,梁破壞,破壞時純彎段碳纖維布已在梁底剝離。FS2:首先在純彎段兩側靠近U形箍的部位出現垂直裂縫,隨后純彎段多處開裂;繼續(xù)加載,斜裂縫發(fā)展加快,加載至47kN時,梁底碳纖維布在左側加載處U形箍外側斷裂,梁斷為兩半,跨中極限撓度達到7.92mm。FS3:首先在純彎段出現裂縫,石梁變形較小;荷載增大,左右加載點外側兩U形箍間出現斜裂縫,純彎段裂縫發(fā)展迅速;加載至51.5kN時,跨中撓度11mm,梁右端外側兩個U形箍被拉斷,梁底碳纖維布在左端加載點U形箍外側與梁剝離,梁破壞。FS4:初次加載時,在純彎段靠近加載點部位出現垂直裂縫;繼續(xù)加載,兩加載點外側U形箍間出現斜裂縫,變形不大,隨著荷載的增大,兩側斜裂縫快速發(fā)展;加載至57.6kN時,左側斜裂縫迅速發(fā)展,梁斷開,發(fā)生上下錯動,左側加載點處U形箍剝離,跨中撓度為5.94mm,繼續(xù)加載,梁底碳纖維布在裂縫處剝離,梁破壞。2試驗結果及分析2.1碳纖維布粘貼量對加固前后荷載對比各梁的極限荷載與碳纖維布用量關系曲線如圖2所示。由試驗知,與未加固石梁相比,用碳纖維加固石梁的承載力都有很大的提高,其加固前后荷載對比見表3。隨著碳纖維布粘貼量的增加,極限荷載也在不斷增大,但與碳纖維布的用量并不成直線性的正比關系,當碳纖維布用量較大,分多層粘貼時,各層協(xié)同工作的效率就會降低,其強度有所折減;另外,施工質量也是影響加固后石梁極限承載力的重要因素,多層粘貼時的施工質量也難以保證,因此,隨著碳纖維布用量的增加,極限荷載增加有所減緩。2.2碳纖維布對梁剛度的影響在同一荷載作用下,對未加固梁和加固后梁的撓度進行對比,圖3是不同荷載作用時各梁跨中荷載-撓度曲線?？梢钥闯?荷載較小時,加固后梁的撓度比未加固梁的撓度略小,說明碳纖維布使石梁的剛度略有提高,當荷載較大時,碳纖維布對梁剛度的提高作用比較明顯,碳纖維布用量越大,提高作用越強,這是因為碳纖維布可以限制受拉區(qū)裂縫的向上擴展和裂縫寬度的發(fā)展,使梁的剛度分布比較均勻,從而改善了梁的整體性。圖4為荷載23kN時,各加固梁的度撓曲線圖。從圖中可以看出,隨著碳纖維布用量的增加,梁的變形不斷減小。未經碳纖維布加固的石梁,在加載至破壞的過程中,剛度基本上沒有變化;而粘貼碳纖維布加固后的石梁則表現出不同的情形:荷載較小時,撓度曲線基本上保持在一條斜直線上,剛度基本沒有變化,隨著荷載的增大,撓度曲線出現明顯的轉折,斜率增大,如FS1、FS3,說明梁的剛度有所退化,這是由于荷載增加到一定程度時裂縫的出現和發(fā)展造成石梁的剛度降低引起的。2.3石梁截面應變分析未加固石梁的跨中截面應變與加固石梁相比,也有許多不同之處,截面應變基本符合平截面假定,荷載較小時,中和軸位于石梁截面中央,隨著荷載的增加,中和軸逐漸向上移動,截面受壓區(qū)高度逐漸減小,受拉區(qū)下邊緣應變遠遠大于受壓區(qū)上邊緣應變,達到極限荷載時,最大拉應變?yōu)樽畲髩簯兊?.6倍~2.2倍。加固后石梁的截面應變發(fā)生了變化,圖5和圖6分別給出了S1和FS1石梁的跨中截面應變分布?？梢钥闯?1)加載過程中,石梁截面應變仍基本符合平截面假定;裂縫出現并有一定發(fā)展時,有異?，F象出現,截面應變不再符合平截面假定。2)從開始加載到梁破壞的整個過程,中和軸上移趨勢減緩。3碳纖維布的用量根據碳纖維布加固石梁的試驗結果和分析,歸納出如下結論:1)加固后石梁的承載力得到了較大的提高,提高量