碳纤维加固技术

武汉理工大学交通运输工程陶金光王秋燕彭龙帆背景知识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。自1997年国内第一个碳纤维加固混凝土梁的试验以来，FRP材料应用技术在我国迅速发展，2003年正式出台了中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，外贴FRP片材加固技术已经成为钢筋混凝土结构加固的主要方法之一。作为传统建材的一个重要补充，FPR具有巨大的发展潜力。碳纤维的主要组成成分碳纤维的主要组成成分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)。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5—8微米之间，并合成含3000～18000根的长丝束。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。碳纤维的力学性能表1碳纤维的主要力学性能要求性能CFRP板CFRP布抗拉强度（MPa）≥2000≥3000弹性模量（GPa）≥140≥210伸长率（%）≥1.4≥1.4碳纤维的力学性能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。所以是旧桥加固补强的理想材料。优点：高强、轻质、耐腐蚀、耐疲、现场施工便捷。所以是旧桥加固补强的理想材料。较高的防磁、防辐射性能。缺点：由于碳纤维片材受拉时呈线弹性性能直至破坏的性质，所以在粘贴碳纤维片材的结构设计中不能将碳纤维片材作为钢筋的替代物。而且三种FRP中，CFRP是电导体。原因：1.碳纤维片材不具备钢筋的延性，加固后结构的延性将受到限制；2.由于碳纤维片材的延性缺乏，构件中的应力重分布将受到约束。因此在设计时，必须考虑碳纤维片材的脆性特点。粘贴高强度复合纤维加固法的构造原理及应用•粘贴高强度复合纤维加固法是将高强度复合纤维布直接粘贴在被加固混凝土结构的薄弱部分，与被加固结构形成整体，共同受力，以限制裂缝的发展，提高结构的承载力。后粘贴的的高强度复合纤维可以限制裂缝的开展，提高梁的抗弯和抗剪承载力。碳纤维布碳纤维布3k碳纤维布平纹200克/平米3k碳纤维布斜纹200克/平米碳纤维板粘结材料粘结材料是指能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材料，其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。它主要包括三类材料：底层涂料、整平材料、浸渍树脂和防护材料。底层涂料(底涂胶)在处理好的混凝土表面上，涂一层很薄的底层胶，目的是使其浸入混凝土层，强化混凝土表面强度，改进胶结性能，提高混凝土与碳纤维布之间的粘接性能。要求：1.很低的粘度，使其能渗入混凝土内部。2.与混凝土有良好的粘结性能，有利于纤维布的粘贴。整平材料(找平胶)工程实践表明，碳纤维布只有与被加固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干燥后，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。要求：1.优良的塑性触变性能。2.较高的韧性和粘结性能。3.施工时易于干燥固化，随时间的延长不会出现明显的变形，防止胶的滴挂。浸渍树脂(粘贴主胶)浸渍树脂是粘结材料的主体，它连接底胶与碳纤维布。它的作用是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，与混凝土形成一个整体，共同抵抗外力作用。要求：1.良好的渗透性，利于浸透碳纤维布.2.一定的初粘力，防止粘贴的碳纤维布塌落形成空洞或空隙。3.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。防护材料(罩面胶)主要目的：1.保护碳纤维布，防止粘贴层的老化。2.美化施工表明。基本要求：1.不脱层、不掉落，能长期在冷热干湿的空气中保持稳定。2.防止紫外线对粘贴层的直接照射。它的选择范围较大，丙烯酸体系、聚氨脂体系、不饱和聚酯体系、有机硅、有机氟体系等都适合。实际工作中，纤维布厂商会提供相应的系列粘结材料，设计者很少自行选择。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。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。适合加固的桥梁类型可用于混凝土梁、桥板的抗弯、抗剪加固；对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥，加固效果有位显著。还适用于混凝土墩柱的抗剪抗压（变心受压）补强，抗震延性补强及地震破坏后的修复等。适合加固的桥梁类型表2CFRP片材对于各种加固类型的适应性CFRP片材加固类型CFRP板CFRP织物桥梁加固抗弯最佳适用适用抗剪适用最佳适用板梁加固抗弯最佳适用适用抗剪墩柱加固抗剪适用最佳适用抗偏压适用最佳适用抗震适用薄壁板抗弯最佳适用适用抗剪最佳适用抗震适用适用加固受力特点分析(1)与传统的其他加固方法相比，采用碳纤维布加固旧桥能最小程度地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。加固受力特点分析(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布有单向碳纤维布、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。加固受力特点分析(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压碎破坏。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)由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2／3进行抗弯承载力计算。加固受力特点分析(7)试验研究证实，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)碳纤维布与混凝土基层界面，可分为两个界面区。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间的相互作用，宏观上表现为液态聚合物浸润表面后形成的机械锁结，微观上表现为分子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。抗弯加固构造要求1、粘贴多条CFRP片材时，应尽量并列布置CFRP片材条带，条件不允许时可重叠粘贴。当重叠粘贴CFRP片材条带时，对于CFRP板不宜超过3层，对于CFRP布或织物不宜超过5层；2、尽量避免CFRP片材间的搭接。必须搭接时，CFRP片材纤维受力方向搭接长度应不小于100mm。当平行布置多条或多层CFRP片材加固时，各条或各层CFRP片材的搭接位置应相互错开；抗弯加固构造要求3、CFRP片材端部宜采取可靠的锚固措施；4、当在梁、板的正弯矩区粘贴CFRP片材加固时，对于跨径20m以内，宜将CFRP片材末端延伸至支座边缘。跨径大于20m时，CFRP片材截断位置应满足锚固长度的要求：CFRP片材充分利用截面（即计算控制界面）至CFRP片材末端的距离应小于ld，且CFRP末端至不需要CFRP片材加固界面的距离不应小于200mm，CFRP片材截断位置示意图如下。抗弯加固构造要求抗弯加固构造要求Ld按下式计算：式中：Ecf、Acf——分别为CFRP片材的弹模和截面面积；εcf——CFRP片材充分利用截面处CFRP片材的应变；τcf——CFRP片材与混凝土之间的粘结强度，近似去0.5MPa；bcf——CFRP片材的宽度，对于板取1000mm板宽内粘贴的CFRP片材的总宽度。抗弯加固构造要求5、对于T形或箱形连续梁，可在翼板（顶板）底面粘贴CFRP片材进行负弯矩区的加固；此时CFRP片材应紧靠梁肋粘贴，其粘贴范围宜在4倍翼板厚度以内；6、当CFRP用于侧面粘贴时，粘贴区域宜在距受拉边缘1/4梁高范围内；7、板的抗弯加固时，CFRP片材宜采用多条密布方案，条带宽度对于CFRP板，建议在100-200mm之间，对于CFRP布或织物，建议在150-300mm之间，且宜均布粘贴于板宽内。抗剪加固构造要求1、在截面上的转弯处粘贴CFRP片材时，转角的最小半径应不小于30mm；2、抗剪加固最好采用封闭粘贴或U形粘贴，条件不允许时也可采用侧面粘贴，且宜设置端部锚固措施；3、当采用CFRP片材条带间隔粘贴时，其净间距Wcf不应大于现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）规定的最大鼓劲间距的0.7倍；4、为提供水分散发的路径，不提倡CFRP片材的大面积粘贴。墩柱加固构造要求1、当采用CFRP片材加固矩形柱时，应将转角修成圆角；2、当采用CFRP板套筒进行加固时，预制套筒的尺寸应略大于加固构件的尺寸，并用水泥浆灌填期间空隙；3、CFRP片材接缝处应采用可靠的连接，当粘贴CFRP布时，最外一层结合处应保证有足够的重叠长度；当采用CFRP板套筒时，接缝处应采用CFRP条带粘贴连接。碳纤维布加固旧桥的特点1、不增加恒载及断面尺寸碳纤维布的自重仅为200～300g／m2，设计厚度为0．111～0．167mm，加上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。碳纤维布加固旧桥的特点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，采用碳纤维布补强法，因碳纤维布具有随形性极强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，能产生巨大的社会效益及经济效益。碳纤维布加固旧桥的特点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，该优点是其他加固方法所无法比拟的。碳纤维布加固旧桥的特点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。碳纤维布加固旧桥的特点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，不仅封闭了混凝土的裂缝，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。碳纤维布加固旧桥的特点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，并且具有较好的耐热性，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，在不利环境下较其他方法更显出其优越性。碳纤维布加固旧桥的特点7、不影响结构的外观碳纤维布(片)的厚度很薄，粘贴固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。加固施工工序粘贴CFRP片材加固的一般施工工艺流程为：构件表面处理涂刷底层树脂找平修补粘贴CFRP贴片表面防护加固施