要CEFP材料具有高強(qiáng)質(zhì)輕

1、摘 要：CEFP材料具有高強(qiáng)質(zhì)輕、抗腐蝕、耐老化等卓越且的性能且施工便利，逐漸在橋梁維修加固中得到廣泛應(yīng)用。介紹了CEFP材料的制造工藝、特點(diǎn)，通過(guò)工程實(shí)例詳細(xì)分析CFS在橋梁加固工程中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：碳纖維 橋梁 加固 1、碳纖維概況CFRP 是英文Carbon Fiber Reinforced Polymer的首字母縮寫(xiě)，意為碳纖維增強(qiáng)材料。碳纖維是由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500所形成的纖維狀碳材料，纖維的碳含量在90%以上，其碳原子沿原有纖維長(zhǎng)度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲由3000個(gè)12000個(gè)碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細(xì)僅相當(dāng)于人的1根頭發(fā)絲。全世界

2、碳纖維每年全部產(chǎn)量，包括長(zhǎng)絲束，短絲束，才3萬(wàn)多噸。碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等優(yōu)良特性，此外，還具有纖維的柔曲性和可編性，比強(qiáng)度和比模量?jī)?yōu)于其它纖維增強(qiáng)體。由于碳原子排列整齊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此碳原子構(gòu)成的金剛石便成為世界上最為堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。同樣道理，早在20世紀(jì)60年代人們就發(fā)現(xiàn)，碳素纖維具有驚人的抗拉強(qiáng)度。應(yīng)此，碳素纖維很快被應(yīng)用于宇航、軍工、工業(yè)、民用領(lǐng)域。碳纖維成品可以制成不同的型材纖維布、纖維板、棒材等，在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用量最大和最普通的還是碳纖維片材，即碳纖維布CFS（Carbon Fiber Sheet）和碳纖維板

3、CFP（Carbon Fiber Plate），其中碳纖維布近兩年在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。本文將就某高速公路某橋的工程實(shí)例，介紹碳纖維片材在橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用情況。2、碳纖維片材補(bǔ)強(qiáng)加固原理碳纖維片材加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，其用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于20世紀(jì)80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起步很晚，國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心引進(jìn)開(kāi)發(fā)了此項(xiàng)目，并在1998年的全國(guó)建筑加固與鑒定第四屆學(xué)術(shù)會(huì)議上獲獎(jiǎng)。碳纖維片材加固混凝土是指在混凝土構(gòu)件表面粘貼碳纖維片材，利用樹(shù)脂類材料把碳纖維片材和待加固構(gòu)件粘固在一起，形成復(fù)合材料，利用碳纖維材料良好的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)其與所加固

4、的構(gòu)件的協(xié)同工作，起到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的作用，達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力即剛度的目的。3、理論研究 近年來(lái)國(guó)內(nèi)科技工作者研究了粘貼碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)對(duì)混凝土梁撓度的影響，如圖1所示為三種試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線，其中BI0為對(duì)比梁，不粘碳纖維布，BI1在梁底粘一層，BI2在梁底粘兩層，以上三種BI試件的截面均為:bh=100200mm，梁底縱筋均為28；此外B1試驗(yàn)梁，截面與BI相同，縱筋為2 12，梁底粘貼一層碳纖維布，以上每種工況都準(zhǔn)備兩根試件。進(jìn)行承壓試驗(yàn)，得出：3.1、在荷載相同的情況下,對(duì)比梁比粘貼碳纖維布梁的跨中撓度大；3.2、碳纖維布用量越多,構(gòu)件的撓度越??；3.3、在前期

5、,構(gòu)件剛度的增長(zhǎng)幅度稍小，但在縱向受拉鋼筋屈服之后，剛度增長(zhǎng)非常明顯，這說(shuō)明碳纖維布不但能提高構(gòu)件的前期剛度更能有效提高受彎構(gòu)件的后期剛度。圖1 BI0、BI1、BI2 荷載撓度曲線4、工程實(shí)例本文以某高速公路某橋?yàn)槔?，?jiǎn)要說(shuō)明碳纖維片材的使用情況。因該高速公路進(jìn)行瀝青面層加鋪改造，即在原混凝土面層上再鋪15cm左右的瀝青面層，按設(shè)計(jì)文件要求，在加鋪瀝青前，對(duì)橋梁空心板粘貼碳纖維布（CFS）進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，提高橋梁的承載能力。施工前，對(duì)所使用的CFRP材料和樹(shù)脂進(jìn)行了抽樣，送有資質(zhì)的國(guó)家法定檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)出具了CFRP材料與樹(shù)脂相匹配的報(bào)告和檢測(cè)結(jié)果（如表1和表2），各項(xiàng)指標(biāo)均滿足和優(yōu)于

6、碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS146:2003）要求。表1 CFS的力學(xué)性能性能項(xiàng)目CFSCFP抗拉強(qiáng)度（MPa）指標(biāo)值30002000實(shí)測(cè)值34902830彈性模量（MPa）指標(biāo)值2.11051.4105實(shí)測(cè)值228142168000伸長(zhǎng)率（）指標(biāo)值1.51.5實(shí)測(cè)值5.41.82表2 配套樹(shù)脂的力學(xué)性能性能項(xiàng)目CFS浸漬樹(shù)脂CFP粘結(jié)樹(shù)脂拉伸剪切強(qiáng)度（MPa）指標(biāo)值1010實(shí)測(cè)值21.520.5拉伸強(qiáng)度（MPa）指標(biāo)值3030實(shí)測(cè)值38.749壓縮強(qiáng)度（MPa）指標(biāo)值7070實(shí)測(cè)值85.182正拉粘結(jié)強(qiáng)度（MPa）指標(biāo)值2.52.5實(shí)測(cè)值4.77（混凝土破壞）3.1(混凝土破壞

7、)彎曲模量（MPa）指標(biāo)值4040實(shí)測(cè)值72.271彈性模量（MPa）指標(biāo)值15001500實(shí)測(cè)值20953090伸長(zhǎng)率（）指標(biāo)值1.51.5實(shí)測(cè)值2.12.44.1、空心板橋粘貼CFS城南河中橋全長(zhǎng)42m，雙幅，共3跨，跨徑為133m，單幅橋面寬12m，每塊跨共11片空心板，如圖2所示，在每片空心板底面粘貼兩條30cm寬的CFS，雙面網(wǎng)格型編織工藝，使用配套的粘結(jié)樹(shù)脂。CFS名義厚度為0.167mm，密度為300g/m2，雙面網(wǎng)格型編織工藝。用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成CFS后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承

8、受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳CFS的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使CFS中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對(duì)CFS的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保CFS與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的。粘貼施工中應(yīng)密切關(guān)注浸漬樹(shù)脂是否浸透CFS，確保粘結(jié)施工質(zhì)量。、CFS粘貼施工的特點(diǎn)（1） 加固鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)，按照同方向粘貼高強(qiáng)度和高彈性模量的碳纖維，能夠取得類似于鋼板的同樣加固效果，其結(jié)構(gòu)未增加重量，外表輕巧美觀。（2）有極好

9、的耐久性，由干加固只使用碳纖維和配套樹(shù)脂，因而不會(huì)生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能。（3）碳纖維布重量輕，施工時(shí)不用任何重型設(shè)備，捆包緊湊，輕便，可卷包，便攜。由于很薄不需要較大的空間，尤其在橋梁加固空間有限的情況下，充分顯示了這一優(yōu)越性.（4）與混凝土共同工作效果良好，粘貼隨意性，對(duì)凹凸面的附著性優(yōu)良，沿碳纖維方向裁減，纖維不會(huì)亂。優(yōu)越的浸漬性，樹(shù)脂易浸漬CFS，易除氣泡。（5）對(duì)原構(gòu)件結(jié)構(gòu)損壞很小，且外形美觀。、施工工藝流程 工藝流程為：施工放樣混凝土基底處理涂刷底膠涂抹找平膠涂刷浸漬樹(shù)脂與貼上CFSCFS面涂刷浸漬樹(shù)脂保護(hù)。（1） 基底處理 混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐

10、蝕等劣化現(xiàn)象的部予以鑿除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)。用角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面浮漿，油污等雜志，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R20mm）。 （2）涂底層涂料根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用量，算出所涂布面積的底膠用量，視現(xiàn)場(chǎng)氣溫等實(shí)際情況，確保在適用期內(nèi)一次用完，按底膠規(guī)定的比例把底膠主劑和固化劑置于配膠容器中，用電動(dòng)攪拌器攪拌均勻。用滾筒刷或毛刷均勻、無(wú)遺漏地將底膠涂在需補(bǔ)強(qiáng)的混凝土表面，底膠涂布面邊界應(yīng)不小于所粘貼的碳纖維布大小。等底膠至指觸干燥（視施工現(xiàn)場(chǎng)氣溫情況，一般需1小時(shí)左右）后，如發(fā)現(xiàn)表面有突起毛刺，應(yīng)用

11、砂布打磨光順，注意不能將底膠層打磨穿。如有打磨穿的局部應(yīng)重復(fù)操作步驟。（3）表面的殘缺修補(bǔ)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇?，修?fù)至表面平整（整平材料的調(diào)制和使用注意事項(xiàng)與底膠相同）。內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)，使之平順。在相對(duì)濕度RH85%以下時(shí)，才使用環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)混凝土的殘缺表面。膩?zhàn)油抗魏?，表面仍存在的凹凸糙紋，再用砂紙打磨平整。（4）粘貼CFS按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪CFS。根據(jù)粘接膠的標(biāo)準(zhǔn)用量，計(jì)算出所涂布的面積的需用量，視現(xiàn)場(chǎng)氣溫等實(shí)際情況，確保在適用期內(nèi)一次用完，按粘接使用說(shuō)明規(guī)定的比例把粘接膠生劑和固化劑置于配膠容器中，用電動(dòng)攪拌器攪拌均勻。應(yīng)注意：已配好的粘接膠如超過(guò)適用

12、期后不能使用。用滾刷或毛刷均勻、無(wú)遺漏地將粘接膠涂在選定的混凝土表面，粘接膠涂布面應(yīng)不小于所粘貼的碳纖維布大小。應(yīng)注意：在模板接頭處出現(xiàn)的高度差位置和拐角以及碳纖維布搭接部位處應(yīng)多涂一些。已涂好粘接膠的混凝土表面鋪覆碳纖維布，碳纖維布的鋪覆方向符合設(shè)計(jì)要求，一層中各張布之間的搭接應(yīng)在纖維方向進(jìn)行，并且搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于10cm。用專用膠輥或刮板在CFS上沿纖維方向施加壓力并向一個(gè)方向或從中間向兩個(gè)方向滾動(dòng)碾壓，但不允許來(lái)回反復(fù)滾動(dòng)，使樹(shù)脂膠液充分浸漬碳纖維布，形成復(fù)合材料，消除氣泡和除去多余樹(shù)脂，使CFS和底層充分粘接。嚴(yán)禁交叉垂直于碳纖維方向滾動(dòng)碾壓施工，以免出現(xiàn)折絲彎絲現(xiàn)象。對(duì)粘貼施工完成后

13、的復(fù)合材料層，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)至粘接完全固化后，對(duì)碳纖維布粘貼面仔細(xì)檢查，如果碳纖維布貼層有空鼓或氣泡，可以用刀片將碳纖維布劃開(kāi)（注意不要?jiǎng)潝嗟锰L(zhǎng)），然后采用注射器針管將調(diào)制好的粘接膠注入空鼓或氣泡內(nèi)填充至密實(shí)，應(yīng)保證密實(shí)粘貼面積達(dá)到目的100%。另外，根據(jù)實(shí)際情況采用補(bǔ)丁修補(bǔ)法。（5）外觀防護(hù)待粘結(jié)樹(shù)脂固化、24小時(shí)后，拆除壓條，進(jìn)行外觀防護(hù)，可在CFS表面應(yīng)采取抹水泥漿或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。、施工時(shí)的注意事項(xiàng)（1）裁剪碳纖維布時(shí)，注意碳纖維板布的保護(hù)。碳纖維布為導(dǎo)電材料，使用碳纖維布時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電氣設(shè)備及電源。使用中應(yīng)避免碳纖維布的彎折。（2）粘貼過(guò)程中，及時(shí)觀察碳纖維布的走向，避免偏位。（3

14、）避免樹(shù)脂直接接觸皮膚需帶橡樹(shù)脂手套操作。碳纖維布配套樹(shù)脂的原料應(yīng)密封儲(chǔ)存，遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射。 （4）氣溫在5以下或空氣濕度超過(guò)85時(shí)，停止粘貼施工。、施工控制要點(diǎn)（1）混凝土基面要打磨干凈、外觀平整。（2）粘結(jié)樹(shù)脂配置時(shí)稱量準(zhǔn)確，攪拌均勻。（3）橋梁施工時(shí)應(yīng)封閉交通，待施工完成后，自然養(yǎng)護(hù)24小時(shí)內(nèi)應(yīng)確保不受外力硬性沖擊等干擾；（4）、每道工序過(guò)程中及完工后，均應(yīng)采取適當(dāng)措施保證不受污染或雨水浸襲。、施工質(zhì)量檢驗(yàn)碳纖維布粘貼的施工質(zhì)量檢驗(yàn)按照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS146:2003）進(jìn)行。主要檢測(cè)項(xiàng)目有：外觀尺寸、粘結(jié)位置、粘結(jié)空洞率、正

15、拉粘結(jié)強(qiáng)度（共分Af、Bf、Cf、Df四種破壞形式）。、理論研究表明（1）加固后的加載過(guò)程中,碳纖維布應(yīng)力與鋼筋應(yīng)變一致,說(shuō)明碳纖維布與空心板能夠共同協(xié)調(diào)受力。（2）加固后各板跨中截面鋼筋應(yīng)力平均降低23.7%,各板L/4截面鋼筋應(yīng)力平均降低12.0%，說(shuō)明粘貼碳纖維布能夠顯著降低空心板應(yīng)力,提高結(jié)構(gòu)的承載力。（3）加固后跨中截面撓度平均下降48.7%,說(shuō)明粘貼碳纖維布可明顯提高空心板的剛度。5、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)高速公路橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)的施工操作，深深體會(huì)到CFS加固技術(shù)的先進(jìn)性和各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。粘貼碳纖維片材加固技術(shù)與傳統(tǒng)加固修補(bǔ)方法及粘貼鋼板、噴射混凝土加固技術(shù)相比，應(yīng)用碳纖維加固修復(fù)橋梁，能夠大大延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，提高橋梁承載力，避免了唧咕施工對(duì)橋面正常行車的影響，工期短，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)有大