碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁技術(shù)中的應(yīng)用與展望-

1、附錄:題目:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁技術(shù)中的應(yīng)用與展望院(系輕紡工程系專業(yè)高分子材料加工技術(shù)屆別2012屆學(xué)號(hào)0919080102姓名汪振峰指導(dǎo)老師李云龍老師黎明職業(yè)大學(xué)2011年12月碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁技術(shù)中的應(yīng)用與展望汪振峰(黎明職業(yè)大學(xué),福建泉州362000摘要碳纖維復(fù)合材料(CFRP在橋梁工程中的應(yīng)用,是目前國際土木工程領(lǐng)域研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。本文在簡述CFRP復(fù)合材料的特性和國內(nèi)外的發(fā)展情況的基礎(chǔ)上,介紹了CFRP 力筋在混凝土橋中的應(yīng)用情況及其對(duì)既有橋梁的加固。最后,本文還指出了CFRP復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程中存在的問題及其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞復(fù)合材料;碳纖維加勁塑料(CFRP;

2、橋梁工程;CFRP力筋;橋梁加固1、前言我國現(xiàn)有橋梁主要存在以下問題:(1橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)較低;(2橋面寬度狹窄;(3橋梁年久失修,損壞嚴(yán)重,如墩臺(tái)滑動(dòng)、下沉、傾斜、凍害、變形大于計(jì)算值,支座的開裂、老化、壞死,鋼筋混凝土梁、拱有永久性嚴(yán)重變形,順主筋方向有縱向裂紋,鋼筋已嚴(yán)重銹蝕,裂紋超過規(guī)范限定值,承載能力大于25%設(shè)計(jì)要求等;(4少數(shù)橋梁橋頭接線線形很差,影響行車安全。目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的公路橋梁的不適應(yīng)情況也很嚴(yán)重,如美國高達(dá)20%。由于交通量的增加、車輛軸載的加大和固有標(biāo)準(zhǔn)的提高,原來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低的橋梁已嚴(yán)重影響了汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。提高公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后,由于橋梁設(shè)計(jì)荷載的提高和寬度的增加(

3、要求主干線上的橋梁承載能力達(dá)到汽車一超20級(jí)、掛車一120或汽車一20級(jí)、掛車一100的荷載標(biāo)準(zhǔn),橋面寬度也要有相應(yīng)的提高,以及公路局部線形的改移,使原有橋梁要么加固、要么重建,工程量甚為巨大。鑒于投資、材料和工期的緣故,不可能拆除全部舊橋進(jìn)行重建,而采取投資較少、節(jié)省材料、工期短的補(bǔ)修和加固措施,是解決以上問題的有效方法。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法為:粘鋼加固、外包鋼加固、套箍加固、植筋加固、焊接補(bǔ)筋加固、型鋼加固、化學(xué)灌漿加固、加大截面法加固、增設(shè)支點(diǎn)法加固、體外預(yù)應(yīng)力等技術(shù)和方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、加固處理。上述幾種方法雖然有效,但均受到一定條件的限制,存在以下缺點(diǎn):對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀及使用空間均有一

4、定影響;施工時(shí)的濕作業(yè)和大型設(shè)備對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)有一定影響;在有的方法中新舊兩部分的連接對(duì)原結(jié)構(gòu)有一定的損傷;加固材料易腐蝕或脫落;增加結(jié)構(gòu)物的荷重等。碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP,Carbin Fibre Reinforced Plastics加固是20世紀(jì)80年代以來美、日等發(fā)達(dá)國家研發(fā)的應(yīng)用在土木工程中的新型加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù),已在建筑物、橋梁、特種結(jié)構(gòu)等各種土木工程中得到廣泛而成功的應(yīng)用。我國自1997年開始對(duì)碳纖維加固混凝土等結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并已在一些工程中得到應(yīng)用,但相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用規(guī)程及施工指南在國內(nèi)尚屬空白。該方法采用同一方向排列的碳纖維織物,在常溫下用環(huán)氧樹脂膠粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土

5、結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)表面,利用其緊密粘著于混凝土結(jié)構(gòu)表面,使二者作為一個(gè)新的整體,共同受力,從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)及改善受力性能的目的,是一種非常簡單而優(yōu)良的加固補(bǔ)強(qiáng)方法。CFRP具有輕質(zhì)(碳纖維加固不增加結(jié)構(gòu)物的荷重、高強(qiáng)(強(qiáng)度超過鋼材,接近于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋,耐腐蝕、耐疲勞、耐火、耐久性好,且施工工藝簡便快速、施工無灰塵和噪音污染,可不間斷生產(chǎn)運(yùn)營,加固補(bǔ)修效果良好等優(yōu)點(diǎn),因而得到工程界的日益重視。的基本特性2、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本特性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維,單向排列成束,用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固

6、化的碳纖維布,統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面,樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體,共同工作。碳纖維片材:片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在(24003400MPa之間,與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比,片材的拉伸強(qiáng)度很高。片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同,碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高,但其伸長率較低。相比之下,碳纖維片材的單位重比鋼材低許多,說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕,有良好的耐寒和耐熱性。配套樹脂類粘結(jié)材料;混凝土

7、結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料,用于滲透過混凝土表面,促進(jìn)粘結(jié)并形成長期持久界面的基礎(chǔ);油灰,用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材;浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂,前者用于碳纖維布粘貼,后者用于碳纖維板粘貼。浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵,因此,樹脂同混凝土的粘貼強(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言,環(huán)氧樹脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義,因?yàn)檫@涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時(shí)間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹脂材料,在混凝土施工表面溫度(1040攝氏度時(shí)

8、,粘貼環(huán)氧樹脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上,但粘貼后就可以使用的時(shí)間為45分鐘以上,專配的環(huán)氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。以下是它的一些獨(dú)有的性能:(1CFRP具有比鋼材高出10幾倍的抗拉強(qiáng)度,一般為15001900MPa,高的可達(dá)24003000MPa。順纖維方向其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通鋼筋,與高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋相近。(2CFRP抗疲勞性能優(yōu)良,據(jù)試驗(yàn)表明,當(dāng)平均應(yīng)力為550MPa時(shí),200萬次循環(huán)荷載應(yīng)力幅度可達(dá)900MPa,高出鋼材3倍。(3CFRP 減震性能好,其自振頻率很高,可避免早期共振,同時(shí)內(nèi)阻也很大,一旦激震起來,衰減也很快。(4CFRP 具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性,它是一種

9、優(yōu)良的電絕緣體,用它制作的設(shè)備或構(gòu)件具有良好的耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力。(5CFRP 材料是柔軟的,樹脂是可以流動(dòng)的,其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制,還可以任意著色,從而達(dá)到結(jié)構(gòu)形式和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。CFRP 所具有的高強(qiáng)、輕質(zhì)等獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn),使其作為結(jié)構(gòu)用材在橋梁工程中的應(yīng)用具有很廣闊的前景。3、碳纖維碳纖維復(fù)合復(fù)合復(fù)合材料加固原理材料加固原理碳纖維材料在橋梁加固工程中的應(yīng)用原理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作原理相似:3.1鋼筋與混凝土具有良好的握裹性。兩者在受力后共同變形形成協(xié)調(diào)性,碳纖維需借助粘結(jié)材料與混凝土結(jié)合,兩者之間的結(jié)合必須大于混凝土本身的抗剪強(qiáng)度。通常使用的粘結(jié)樹脂為膠結(jié)劑,

10、它涂于混凝土表面,易滲入混凝土內(nèi)與之結(jié)合成類似樹脂混凝土,可以加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度,并與碳纖維密切結(jié)合,有效傳遞剪力,而使碳纖維和混凝土結(jié)合成一體。3.2鋼筋具有比混凝土更高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。碳纖維的強(qiáng)度雖然高,但其彈性模量與鋼筋差不多(表2,故碳纖維用于鋼筋混凝土的加固上不會(huì)有搭配問題,因而可以用于彌補(bǔ)鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋的抗拉不足部分。表2鋼筋混凝土與碳纖維的匹配性混凝土鋼筋碳纖維彈性系數(shù)(MPa2500200000230000抗拉強(qiáng)度(MPa2030040030003500延展性0.20.3%0.20.3%0.91.5%3.3鋼筋與混凝土具有相近的溫度線性膨脹系數(shù)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)由于強(qiáng)度變

11、化產(chǎn)生相應(yīng)的溫度內(nèi)應(yīng)力,而碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)a 較混凝土和鋼筋要小的多,約為5101/因而當(dāng)升溫15時(shí),在碳纖維材料中將發(fā)生拉應(yīng)力約為32125MPa,但對(duì)碳纖維材料而言僅為極限強(qiáng)度3400MPa 的1%左右,故影響不大。3.4鋼筋與混凝土有良好的化學(xué)相容性。因?yàn)樵诨炷林芯哂幸欢ǖ膲A性性質(zhì),故不會(huì)使鋼筋發(fā)生銹蝕。由于碳纖維加工過程中已經(jīng)歷了20003000的考驗(yàn),故可以適用惡劣的使用環(huán)境,與原結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂粘貼后,能可靠的與原結(jié)構(gòu)物共同工作。由于碳纖維材料具有與鋼筋混凝土相容的材料物性,且其又具有耐酸、耐堿、耐鹽、耐老化、耐高溫、耐低溫等特性,故粘貼碳纖維材料在表面后對(duì)原結(jié)構(gòu)有良好的保護(hù)

12、作用,故可以廣泛應(yīng)用于橋梁加固工程。4、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝4.1根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理a將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈,達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕,并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原;b裂縫修補(bǔ)?？p寬小于0.2mm 的裂縫,用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封;大于0.2mm 的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫;c將構(gòu)件表面凸出部分(模板的段差等打磨平整,修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm 的圓角;d清洗打磨過的構(gòu)件表面,并使其充分干燥。4.2底層涂刷(底層涂料具有

13、較強(qiáng)的滲透性,可滲入砼表面內(nèi)底層涂刷(底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性,可滲入砼表面內(nèi)。a把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi),用攪拌器拌均勻,一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn);b用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料;c底層涂料固化后,表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光;d注意在氣溫小于5C,相對(duì)濕度大于85,砼表面含水率在8以上,有結(jié)露可能而無可靠保證措施時(shí),均不得施工。4.3環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)。a構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇?修復(fù)至表面平整;b內(nèi)角(段差、起拱等要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)使之平順。4.4貼碳纖維片。a為了防止碳纖維受損,在碳纖維片運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過程中,嚴(yán)禁受彎折。貼

14、片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷纖維片,每段長度一般不超過6rn;。b碳纖維接頭必須搭接10cm 以上,橫向不需搭接;c按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑,用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂,稱為下涂;d貼片時(shí),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片上對(duì)此滾壓,使樹脂滲入碳纖維中。4.5養(yǎng)護(hù)。粘貼碳纖維片后,需自然養(yǎng)護(hù)24h 達(dá)到初期固化,并保證固化期間不受干擾。4.6涂裝。根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面,涂刷耐火涂層和色彩。5、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁加固技術(shù)中的應(yīng)用在橋梁加固技術(shù)中的應(yīng)用5.1 用 CFRP 修建橋梁 由于 CFRP 絞線和棒材

15、具有耐腐蝕性好、強(qiáng)度重量比高、低松弛及耐疲勞等特性，目前 大量用作橋梁的預(yù)應(yīng)力筋或體外筋。日本是第一個(gè)在混凝土橋梁中采用 CFRP 絞線作預(yù)應(yīng) 力筋的國家，并修建了一系列 CFRP 作力筋的橋梁，不同類型的 CFRP 力筋性能試驗(yàn)及研究 以及所需錨固系統(tǒng)都已完成。并且為了探測采用 CFRP 力筋的混凝土構(gòu)件的承載力和耐久 性，做了靜載及疲勞試驗(yàn)。這些結(jié)果被用作 CFRP 力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo) 準(zhǔn)則。準(zhǔn)則包括：材料性能、設(shè)計(jì)原理、容許應(yīng)力、試驗(yàn)和材料檢驗(yàn)，CFRP 力筋混凝土橋 的指導(dǎo)步驟。德國也于 1991 年在一座后張預(yù)應(yīng)力混凝土高速跨線橋中，部分力筋采用了 CFRP 絞線，4

16、 束 19 根 為 12.5mm 的 CFRP 絞線組成大型預(yù)應(yīng)力束，用楔形系統(tǒng)錨固在梁 上；德國 BASF 公司還設(shè)想用 CFRP 拉索制造 100m 跨徑的橋梁；美國加州大學(xué)用纏繞方法 制造出混雜復(fù)合材料的纜索，準(zhǔn)備用其替代長灘德曼得橋上 80 根拉索中的 4 根；瑞士聯(lián) 邦材料實(shí)驗(yàn)室(EM-PA完成了碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP拉索的室內(nèi)靜動(dòng)力試驗(yàn)。CFRP 在橋梁 中的應(yīng)用，特別是 CFRP 絞線和棒材用作預(yù)應(yīng)力筋和體外筋的實(shí)踐，也為 CFRP 用作超大跨 橋梁的纜索材料打下了應(yīng)用基礎(chǔ)。 5.2 CFRP 在既有橋梁的修復(fù)加固 隨著運(yùn)輸量的日益增加以及橋梁使用年限的增加，既有橋梁中相當(dāng)一部

17、分已不能滿足 使用要求，需進(jìn)行維修加固。 由于 CFRP 復(fù)合材料的諸多優(yōu)良特性， 且能以較大長度供應(yīng)而無需搭接， 能施加預(yù)應(yīng)力， 可與混凝土、磚石、鋼、木材等牢固粘結(jié)，故已有越來越多的專家傾向于用 CFRP 板以加 固既有橋梁來恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力。相對(duì)于粘貼鋼板加固，粘貼 CFRP 復(fù)合材 料加固橋梁具有施工方便、適應(yīng)性好、耐腐蝕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、不必打孔，因而對(duì) 原結(jié)構(gòu)不會(huì)造成新的損傷等優(yōu)點(diǎn)。 用粘貼 CFRP 板加固橋的技術(shù)，1991 年 7 月首次用于瑞士伊巴赫橋的加固。該橋?yàn)榭?長 228m 的多跨連續(xù)箱梁，腹板的幾根鋼筋不慎被割斷，被損壞的橋跨長 39m，原計(jì)劃用 175 kg 鋼板將橋梁承載能力恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，后改為 CFRP 板進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)用了 2 塊 1 75505000 CFRP 板和 1 塊 21505000 CFRP 板，總共用了 CFRP 板 6.2kg。盡管 CFRP 板的價(jià)格比鋼材高 9 倍左右，但 CFRP 與鋼材的等功能花費(fèi)是基本相當(dāng)?shù)?，且?CFRP 板加 固橋梁操作容易，可大幅度降低勞動(dòng)成本。 采用 CFRP 材料進(jìn)行橋梁加固修復(fù)的技術(shù)在我國