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橋梁結構碳纖維加固技術與應用

（一）前言

中國橋梁工程的發展已具有相當規模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國20世紀80年代以前修建的，因其設計荷載標準偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠沒有達到設計壽命時出現耐久性能嚴重退化的現象，影響其承載能力和使用壽命。突出的力學性能是碳纖維雙向布替代鋼材成為體育器材制作的優良材料。因此，采用適當的加固和改造技術措施，恢復和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應現代化交通運輸的需要變得十分迫切。

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區。碳纖維材料具有優異的物理力學性能。加固混凝土構件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強度標準值應大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想大限度地發揮材料自身的優勢，適宜將CFRP材料作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件，特別適用于純受拉構件，工程實踐也證明了這一點。所以用碳纖維加固所能補充的剪力Vj也可以事先計算出來，即Vj=Vmax-V0。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補強的施工工藝

1、根據設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理

(1)將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；

(2)裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫；

(3)將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完為準；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。

3、環氧結構膠對構件表面殘缺的修補

(1)構件表面凹陷部位應用環氧結構膠填平，修復至表面平整；

(2)內角（段差、起拱等）要用環氧結構膠填補使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養護

粘貼碳纖維片后，需自然養護24h達到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據需要可在樹脂固化后加固補強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點

在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。

2、按設計要求對破損面鋼筋處理后用環氧樹脂裂縫膠進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構件加固表面平整、干燥無粉塵。對于配有底膠應按說明進行涂刷和養護，不得擅自免去涂刷底膠工序。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。但市面上很多廠家用15k、18k、24k、36k，甚至48k的碳纖維來冒充12k，致使粘結質量嚴重下降。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時進行表面防護及外觀處理。

（五）注意事項

1、碳纖維片材選擇注意事項

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質的均勻性不好，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質量的關鍵。此外短切玄武巖纖維還具有良好的絕緣性能、高溫過濾、抗輻射、透波性好等特點。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。

②按設計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續粘貼。如不能連續粘貼，則再開始前應對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時應考慮環境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4％。

⑨樹脂配制時應按產品使用說明規定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內不得有油污及雜質。宜根據現場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。

⑩為了保證粘貼的質量，不同季節、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。

（六）對碳纖維加固補強技術的展望

碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，但發展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優點：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設計厚度0.111mm～0.167mm，加上環氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；

3、能適應各種結構外形的補強；

4、可以多層粘貼。可根據設計要求，在一個部位重疊粘貼。

（七）結束語

隨著我國高等級公路的迅速發展，高速公路橋梁通車里程也在不斷增長，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強度降低或需要提高抗震能力和修補橋梁裂縫，都可以應用碳纖維布補強技術。

環氧樹脂玻璃纖維復合筋性能

1、玻璃纖維特性

剝離纖維是以剝離為原料經高溫溶質、拉絲、絡紗、織布等工藝制造成的。除了具有拉伸強度高，抗沖擊性能大燈優異的力學性能，剝離纖維還是的電絕緣材料和工業防腐、防潮材料，更作為增強材料用以制造增強混凝土，增強水泥等制品。

2、環氧樹脂特性

環氧樹脂固化后也具有良好的物理、化學性能，環氧樹脂介點性能良好，制品穩定性好，變定收縮率小，柔韌性較好，硬度高，對堿及大部分溶劑穩定，而且使用環氧樹脂可以加強兩種材料之間的粘結強度。

3、環氧樹脂玻璃纖維復合筋

環氧樹脂玻璃纖維復合筋，其抗拉強度，是同規格普通銅筋、鋼筋的2倍以上；其密度在1.25-2.1g/㎝之間，僅為常規普通鋼筋的1/4左右。

玻璃纖維復合筋的低密度減輕了施工工程自身的重量，使運輸、施工和安裝過程更加方便；環氧樹脂玻璃纖維復合筋抗拉強度極高，在達到抗拉強度的極限時，復合筋也不會產生實質性的變形；碳纖維材料具有優異的物理力學性能，如柔和性好，能靈活地用于抗彎、封閉箍和抗剪等加固。環氧樹脂玻璃纖維復合筋易于切割，施工方便，刀盤可直接切割，可按不同工程要求生產各種不同規格的標準及非標準件。

此外環氧樹脂玻璃纖維復合筋還具有優異的化學性能，其耐酸堿溶液腐蝕性能是其他任何纖維材料制品都不可以比擬的；其熱膨脹系數與混凝土相近，替代鋼筋用于混凝土，握裹力更強。

環氧樹脂玻璃纖維復合筋耐腐蝕性極強，尤其對PH值溶液或腐蝕物質都具有較高的包容度。不論是在露天潮濕會淋雨的地區還是在酸堿環境惡劣的地區，其用于橋梁，路面混凝土結構都具備較好的耐腐蝕性，使用壽命普遍長于傳統鋼筋。

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木結構建筑如何加固我國古代建筑，有著獨特的形式與結構，不同時期的古建筑，不僅反映了各個時期的建筑水平，也是對應時期的歷史縮影，是我國文化的重要組成部分。

現存的古建筑：如故宮、黃鶴樓、岳陽樓、蘇州園林等，大多為木質結構。由于木材本身為有機化合物，易腐爛和蟲蛀。并且在微生物和氣候的長期影響下，木質結構會發生變形、彎曲、龜裂等現象，很難長久保存。固化環節的溫度不低于5℃，環境溫度一般會保持在20-25℃之間時固化時間不會少于3天，假如平均溫度為10℃時固化時間不得少于7天。古建筑對于我們有著重要的意義與價值，那么如何更好的保留古建筑呢？

保護古建筑，好的方法是對其進行加固改造。1992年9月發布的國標《古建筑木結構維護與加固技術規范》中規定“古建筑的維護與加固，必須遵守不改變原狀"的原則。原狀系指古建筑個體或群體中一切有歷史意義的遺存現狀。若需恢復到創建時原狀或恢復到一定歷史時期特點的原狀時，必須根據需要與可能，并具備可靠的歷史考證和充分的技術論證。任何一種加固方法都不是,碳纖維加固與粘鋼加固是在原構件基礎上進行的，原結構的截面尺寸、配筋、混凝土強度等級限制了發揮作用的程度。因此可知：古建筑加固主要遵循歷史建筑保護的“原真性、必要性和可逆性”，大限度地保持古建筑的原有風貌，滿足“修舊如舊”的修繕原則。

在使用傳統方法對木質結構進行加固時，有很大的局限性。首先常規方法加固時，會加設鐵材加固，鐵材易銹蝕，在使用前必須進行除銹抗銹處理。這道工序費力費時，并有可能對建筑造成新的破壞。

木質結構的大問題是腐蝕與蟲害。傳統方法中，比較常用的是利用低毒的防腐防蟲藥劑，而其中的毒性成分日積月累，會影響人們健康，造成環境污染。其次，木材是一種各向異性的自然材料，其順紋抗剪強度和橫紋抗拉強度很低，且古建筑的承重結構由于處于長期荷載作用，較容易產生縱向的裂縫。這主要是因為鋼板試件在粘貼好以后不宜裁剪，如果用等離子切割機強行切割會導致膠體受損，而碳纖維布在粘貼好以后可以用角磨機進行切割。

加固技術發展至今，已經形成很多成熟的傳統方法。然而對于古建筑來說，常規的方法有：增設扶壁柱、增設圈梁構造柱、鋼筋混凝土面層等，由于它們的濕作業時間長，現場擾動較大，同時施工完畢占據空間大并且易對原結構造成改變。碳纖維布加固混凝土柱：采用碳纖維布對混凝土進行加固，其原理是利用了碳纖維的高抗拉強度和對混凝土的約束作用，使得混凝土處于三向受壓狀態，從而提高混凝土柱的極限承載力和壓縮能力。因此，新材料新工藝在古建筑中，應有更廣泛的使用。

碳纖維復合材料因其強度高、密度低、耐腐蝕及耐久性好而備受加固界青睞。碳纖維材料由于幾何可塑性強、自重輕，纖維布沿其紋路方向的抗拉強度很高，而木材的順紋抗壓強度較高，并且材料間具有良好的粘結性能，能夠很好地協同工作。短切玄武巖纖維性能定義：短切玄武巖纖維是由相應的玄武巖纖維基材為原料短切而成的長度小于50mm，能均勻分散在混凝土中的無機康武縣委。碳纖維材料可塑性大、易裁剪成型，對各式各樣的古建筑物來說，它都能夠隨其外形粘接牢靠。因此碳纖維對于古建筑的加固，有著極高的適用性。

其次，木結構采用碳纖維材料進行加固，還會對結構起到的防腐作用。碳纖維布與配套使用的環氧樹脂膠均具有耐腐性，對于木質結構來說，防腐是一項長期艱巨的任務，碳纖維布對木質結構既能加固又能使其長期遠離腐蝕，可以起到一舉兩得的作用。

另外，碳纖維加固工序簡單、所需施工空間小、工期快，有效的防止施工時對古建筑物的破壞。碳纖維材料施工無需對原結構進行鉆孔、釘釘等改變，同時質輕幾乎不增加結構自重，幾乎符合“保存現狀”的原則。