浅谈在桥梁梁体加固中碳纤维复合材料的应用
摘要：纤维复合材料是一种高强、轻质、耐腐蚀的新型高性能结构材料。近十年来碳纤维复合材料加固补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用，尤其在桥梁加固方面，具有重要理论意义和广阔应用前景。
关键词：碳纤维复合材料；加固；施工
1.桥梁加固的重要性和意义:
交通设施是保证国民经济和社会健康发展的重要基础设施，钢筋混凝土桥梁作为交通设施的重要组成部分，起到至关重要的作用。我国中小型桥梁建设过程中，20世纪60年代以析架桥为主，70年代以双曲拱桥为主，80年代以T型、桥面板的拼装桥为代表，其中要以90年代初建设的桥梁质量最差，由于勘察、设计、施工、时间等等原因，加上公路交通量不断增加，代表车型不断趋于重型化，公路桥梁负荷日趋加重;加之旧桥部分老化，破损或受原设计荷载标准的限制，普遍存在桥梁承载力不足的情况，许多现有桥梁已经不能满足现代交通的要求，这些问题不仅影响到桥梁的正常使用，严重的还会给国家和人民带来巨大的损失，为了适应现代交通的需要，满足桥梁设计规范要求，必须对桥梁进行加固补强。
全国现有大中型钢筋混凝土桥梁、高层建筑数以万计，需要加固维修的也成千上万。截止1998年底，我国共有公路桥210822座，其中临时桥梁3053座，危桥4105座，而位于国、省道上的临、危桥分别为405座和1253座，分别占临时桥梁、危桥总数的13%和31%。与交通部《公路科学养护和规划化管理》(1991-2000)要求有很大的差距。这些有问题的结构急需诊断与维修加固。据不完全统计，仅广东省就有大中型钢筋混凝土桥梁20000多座，现在需要加固的旧危桥就有2500多座。
新世纪土木工程的发展在很大程度上依赖于性能优异的新材料的应用和发展。对于传统的钢筋增强材料，应寻找一种强度高、重量轻、耐腐蚀和耐久性好的新材料;对于既有结构的加固、维修和改造，应以具有比强度大、施工快捷、施工后结构承载力明显提高等优异的物理力学性能材料代替传统的钢材。因此，利用性能优异的纤维复合材料对土木工程结构进行改造加固是21世纪土木工程领域可持续发展的重要研究课题。FRP用于土木建筑己是国际土木工程界的一个热点，由于其优异的材料及其使用性能，其应用范围与使用量正以惊人的速度增长。FRP作为一种新型的有发展潜力的建筑材料，并不是要取代传统的建筑材料一钢材与混凝土，而是作为传统建材的一个重要补充，CFRP也同样如此。
2传统加固方法简介
传统的加固方法主要有:1.粘贴钢板加固法;2.增大截面加固法;3.体外预应力加固法;4.改变结构受力体系加固法。
2.1粘贴钢板加固法
桥梁梁体出现承载力不足或纵向主筋出现严重腐蚀的情况下，主梁一般会产生严重的横向裂缝。采用锚栓及粘结剂，将钢板锚固并粘贴在混凝土结构的受拉区边缘或薄弱部位，使钢板与桥梁结构成为整体，形成一个由混凝土、粘结剂及钢板组成的了相复合系统以共同受力，达到提高桥梁承载力的目的。
这种加固方法的特点是:(1)不需要破坏被加固的原结构的尺寸;(2)施工工艺简单，施工质量较容易控制;(3)施工工期短。
2.2增大截面加固法
当梁柱等构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时，通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。此法即在梁底面或侧面加大钢筋混凝土截面(增配主筋)，柱的截面加大(增加柱截面钢筋)，使梁抗弯截面加大，柱承压面积加大，提高梁、柱等的承载力。该法广泛用于梁桥及拱桥拱肋的加固。
2.3体外预应力加固法
对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板，采用对受拉区施以体外预加力加固，可以抵消部分自重应力，起到卸载的作用，从而能较大幅度地提高粱的承载力。
体外预应力加固法优点是:
(1)在自重增加很小的情况下，能够大幅度改善和调整原结构的受力状态，提高承重结构的刚度、抗裂性能;
(2)由于承重结构自重增加小，故对墩台及基础受力状况影响很小。可节省对墩台及基础的加固;
(3)对桥梁营运影响较小，可在不限制通行的条件下加固施工;
(4)预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。
1.4改变结构受力体系加固法
这类方法是通过改变桥梁的受力体系，达到提高承载力的目的。例如在简支梁桥下增设支架或桥墩，或将简支梁间加以连接以形成连续梁体系梁，以及在梁体下增设叠合或加劲梁等方法，都可达到提高承载力的目的。该法机动性能好，是解决临时通行超重车辆常用的加固方法。
2碳纤维加固技术
碳纤维增强复合塑料加固法是将碳纤维片材浸含在树脂系粘贴剂中，粘贴于混凝土构件受拉区表面，使其与混凝土基体成为整体，共同变形和受力，从而达到提高结构承载能力的目的。
2.1碳纤维的性能
2.1.1碳纤维的分类
碳纤维有以下两种分类方法:
1按力学性能划分类:
(1)高模量(I型)碳纤维拉伸模量很高，可达380-640GPa，但极限伸长率较低，约0.3%-0.5%。
(2)高强度(II型)碳纤维拉伸强度在3000MPa左右，工艺好的产品拉伸强度可达4000MPa以上。
(3)中等模量((III型)碳纤维拉伸模量一般在200-300GPa之间，极限伸长率在1.5%-2.0%，综合力学性能适于加固混凝土结构，在加固工程中最为常用。
2按纤维材料不同分类:
(1)碳纤维(CFRP);
(2)玻璃纤维(GFRP);
(3)芳纶纤维(AFRP)o
3按排列方向不同分类:
(1)单向纤维片材;
(2)双向纤维片材。
表2.1纤维材料表
2.1加固用碳纤维的力学性能指标
碳纤维片材的主要力学性能指标可参照现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定，主要力学性能指标应满足下表的要求:
表2.2碳纤维片材主要力学性能指标
尽管纤维的种类和成型工艺不同，所有纤维复合材料的应力一应变关系是相同的:受拉时弹性上升直至脆裂，这个是CFRP材料的一个重要特征。
由图2.1可以看出，纤维复合材料是脆性材料，而我们知道钢筋是延性材料，用于对钢筋混凝土结构加固时，纤维复合材料的脆性性能会对结构性能产生以下两点重要影响:
第一，纤维复合材料不像钢筋那样具有延性，其脆性性能会限制加固后钢筋混凝土结构的延性:第二，FRP材料的脆性性能限制了应力重分布。这些因素影响外贴FRP材料的加固设计，不能简单和钢筋等强度代换。要深入研究并考虑FRP材料的脆性性能，对现有钢筋混凝土结构的设计方法进行修正。
2.2粘结剂等粘结材料的性能
用于碳纤维加固中的粘结材料应包含底层树脂、整平材料及浸渍或粘贴树脂。粘结材料的性能必须满足规程要求，粘结材料的性能与粘结质量与加固效果密切相关，如粘结材料的性能达不到要求，必然导致加固效果降低，甚至会引起加固失效。
底层树脂的作用是增强混凝土表面层，提高混凝土与找平材料或粘结树脂界面的粘结强度，其正拉粘结强度应大于2.5MPa，且不应小于被加固混凝土的抗拉强度标准值几。找平材料的作用是填充混凝上表面的空洞、裂隙等，使加固表面平整度符合工艺要求，并与底层树脂及浸渍树脂具有可靠的粘结强度，形成整体粘结体系，正拉粘结强度应大于2.5MPa，且不应小于被加固混凝土的抗拉强度标准值几。当混凝土表面平整度满足要求时，可适量减少找平材料的用量。
浸渍树脂是粘贴碳纤维布的主要粘结材料，其作用是使碳纤维丝束之间以及与混凝土之间充分粘结，以共同承受混凝土结构的荷载。树脂兼作FRP复合材料的基体和FRP与混凝土之间的胶粘剂，胶粘剂的作用特别值得关注，若粘结过弱会引起界面的破坏。当树脂的粘结作用及其重要时，如梁的受弯、受剪加固，一般选用环氧树脂作为胶粘剂，需要进行加固的混凝土结构，其混凝土强度往往相对较低，而环氧树脂的强度较高，因此界面的破坏往往发生在混凝土中。粘结树脂是粘贴碳纤维板的主要粘结材料。
3碳纤维复合材料加固的施工工艺介绍
碳纤维复合材料的加固施工工艺是非常重要的。因为施工质量直接影响加固效果，施工质量的优良与否，体现材料的参数指标是否达标，纤维复合材料跟混凝土表面是否粘结牢固，变形是否协调，边界条件的差异大小，对加固的效果影响非常大。
3.1一般施工工艺流程如下:
1施工准备阶段
认真阅读设计施工图，根据施工现场和被加固混凝土结构的实际情况，拟定出施工方案和施工计划;对使用的碳纤维片材配套树脂和机具等做好施工前的准备工作。
2表面处理
应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整，并按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝上结构新面。转角粘贴处应进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm，混凝土表面应清理干净并保持干燥。
3涂刷底层树脂及找平处理
严格按照产品生产商提供的工艺规定配制底层树脂，采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。严格按照产品生产商提供的工艺规定配制找平材料。对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧，圆弧半径不应小于20mm。
4粘贴碳纤维布材
(1)按照设计要求的尺寸裁剪碳纤维布;
(2)根据产品供货方的工艺规定配制浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位;
(3)将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布;
(4)多层粘贴时应重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴;
(5)粘贴结束后，在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
5表面防护
按照相关标准的规定做好表面防护的处理工作，并确保防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘结。
3.2施工注意事项
(1)气温在5℃以下、相对湿度RH>85%、混凝土表面含水率在8%以上、有结露的可能时，无有效措施不得施工;
(2)由于碳纤维片为电的良导体，应使其远离电源;
(3)施工用各种树脂远离明火，并避免阳光直射;
(4)施工及检查人员应穿防护工作服，配戴口罩、手套、防护眼镜等防护用品;
(5)施工现场通风情况良好;
(6)当各种胶附在皮肤上时，用肥皂水冲洗，若进入眼内要立即用水冲洗或接受医生治疗;
(7)现场需做好防火等安全消防措施。
4小结
纤维材料结合环氧树脂集体材料和粘结材料而成的FRP能充分发挥其质轻高强的特点，同时施工工艺较传统施工方法方便，缩短工期，在混凝土结构加工的应用前景相当好。未来纤维材料和环氧树脂的价格下降，FRP在土木工程中的应用将更加广泛，使用量更加大。
参考文献
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