碳纖維加固混凝土梁技術(shù)的對(duì)比研究

尚 思 同

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，車輛擁擠嚴(yán)重，交通量迅猛增加，橋梁活載增加，同時(shí)在外界環(huán)境因素侵蝕下橋梁老化嚴(yán)重，橋梁通行能力令人堪憂，整體承載力普遍下降，橋梁病害情況紛繁復(fù)雜，因此對(duì)于橋梁加固維修技術(shù)的要求更高。針對(duì)我國橋梁上述現(xiàn)狀，大量學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對(duì)橋梁維修加固技術(shù)展開深入研究，并取得了豐富的研究成果，但橋梁加固并非只是在橋梁既有結(jié)構(gòu)受到損傷時(shí)的修補(bǔ)手段，而是一套系統(tǒng)的需要豐富經(jīng)驗(yàn)支持的理論；加固橋梁一般要考慮到氣候、地質(zhì)、損傷情況等因素，同時(shí)也要考慮到加固后橋梁的整體承載力、耐久性、穩(wěn)定性、合理性。傳統(tǒng)的加固技術(shù)比如預(yù)應(yīng)力加固法、增大截面加固法、外包混凝土加固法等，加固工程量大，施工過程復(fù)雜冗長(zhǎng)，維修加固成本較高，部分加固方法加固效果差還需要反復(fù)維護(hù)，進(jìn)一步提升了成本。

從20世紀(jì)中期，我國已經(jīng)開始著手橋梁加固這一領(lǐng)域，雖然早期橋梁工程師對(duì)于橋梁的加固具有一定重視，也建立了一定的橋梁加固理念，但隨著橋梁技術(shù)的推進(jìn)和新舊橋的交替發(fā)展，加固技術(shù)的發(fā)展也刻不容緩，大量?jī)?yōu)質(zhì)技術(shù)、新材料、新工藝催生了很多優(yōu)良加固手段。

碳纖維復(fù)合材料由于其抗拉強(qiáng)度超高，層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量輕，耐腐蝕性好，施工方法簡(jiǎn)便，被廣泛用于制作各類高強(qiáng)材料，隨著CFRP的應(yīng)用范圍的增加，CFRP被應(yīng)用于加固領(lǐng)域，2003年我國出臺(tái)了第一部CFRP技術(shù)規(guī)程《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]，碳纖維加固技術(shù)更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，同時(shí)由于其施工工藝較為簡(jiǎn)單、施工周期短、成型快、加固效果好等特點(diǎn)，碳纖維加固成為很多工程的優(yōu)先技術(shù)方案。

1 FRP材料的特點(diǎn)

FRP材料具有良好的物理性能[2]，具有良好的耐腐性、耐疲勞性能，輕質(zhì)高強(qiáng)，良好絕緣體，熱傳導(dǎo)率低。FRP材料是較為理想的線彈性材料，制作成型以后力學(xué)性能穩(wěn)定，其抗拉強(qiáng)度超過鋼材數(shù)倍但其密度僅為鋼材的1/4左右，且在未達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)幾乎不發(fā)生塑性形變，大大降低了更換維修的費(fèi)用。表1為在實(shí)際加固工程中常用的纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能[3]。

CFRP與AFRP對(duì)比強(qiáng)度相對(duì)高，韌性比較差。在三種材料中碳纖維相對(duì)比重低，彈性模量高，延伸率低變形小，更適合混凝土結(jié)構(gòu)加固使用。

表1 纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能

2 碳纖維加固技術(shù)介紹

2.1 外貼碳纖維加固技術(shù)

外貼法是將加固梁體打磨平整，對(duì)于有空洞孔洞部分要用砂漿修補(bǔ)，用化學(xué)藥劑丙酮或酒精清洗表面后，把CFRP材料表面磨砂粗糙化涂抹上膠體材料粘貼在梁體上(見圖1)。

2.2 碳纖維嵌入式加固技術(shù)

嵌入式加固法需要在混凝土保護(hù)層區(qū)域沿嵌入方向切割嵌入槽，全部加固過程在梁體內(nèi)完成，纖維與梁體接觸面增大可以近似看作二者共同受力的整體力系，加固效果更好，纖維不易剝出(見圖2)。

2.3 碳纖維布包裹加固技術(shù)

碳纖維布加固需要在混凝土受損表面涂抹加固膠將纖維布沿截面包裹在結(jié)構(gòu)外側(cè)，由于碳纖維是單向承拉材料，碳纖維布包裹加固需要沿結(jié)構(gòu)受拉方向，包裹可以選擇豎向或斜向粘貼，也可以與其他加固方法結(jié)合使用(見圖3)。

3 加固技術(shù)對(duì)比分析

3.1 技術(shù)要求對(duì)比

根據(jù)GB/T 3354定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[4]規(guī)定對(duì)于纖維材料的試驗(yàn)可以避免打磨表面和找平的工作。碳纖維加固技術(shù)較為依賴粘合劑粘結(jié)性能和粘貼質(zhì)量，常用的粘合劑為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂主固劑A∶B按1∶2比例調(diào)配，用吹風(fēng)機(jī)熱吹5 min，保證環(huán)氧樹脂可以充分拌和，值得注意的是每次調(diào)配結(jié)構(gòu)膠要在30 min內(nèi)使用完，環(huán)氧樹脂膠和結(jié)構(gòu)粘結(jié)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)要求需要一定的時(shí)間，一般取7 d為佳。

碳纖維嵌入式加固與外貼法施工不同的是嵌入式加固需要在混凝土保護(hù)層區(qū)域沿嵌入方向切割嵌入槽，將槽壁內(nèi)的石灰和廢渣清理出來，倒入環(huán)氧樹脂于槽內(nèi)灌滿槽的一半即可，再將CFRP沒入用膠帶固定位置倒?jié)M整個(gè)槽體抹平，待膠層凝固加固完成。

碳纖維布包裹加固相比于外貼法不同的是碳纖維布的排布方式和受力的位置，一般來說碳纖維布是在混凝土受力后才受力的，單向受力的特性使得碳纖維布在加固時(shí)相比于外貼加固更有局限性。從使用的角度來說，碳纖維布可以選擇多層加固即在包裹碳纖維布外側(cè)可以再次包裹加固，為了保證加固性能要保證加固層層間膠的滲透性和粘結(jié)性好，同時(shí)對(duì)于搭接長(zhǎng)度要求在100 mm以上[5]。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

CFRP外貼法與其他加固方法相比的優(yōu)勢(shì)：

1)CFRP材料強(qiáng)度較高，質(zhì)量相對(duì)較輕，方便運(yùn)輸和安裝，降低結(jié)構(gòu)承載負(fù)擔(dān)。

2)應(yīng)用范圍廣，可塑性強(qiáng)，可以制作成各類型材貼合不同面層，適用于各種建筑，構(gòu)筑物，橋梁(主體或部件)且具有較好的加固效果。

3)加固效率高，對(duì)于加固梁體撓度的降低和承載能力的提高幅度較大[6]，且加固質(zhì)量更可靠，保護(hù)和安全性也較高。

4)CFRP材料施工工藝簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備，施工周期短，成型快。

CFRP嵌入式加固法相比于CFRP外貼法擁有很多優(yōu)點(diǎn),總結(jié)如下：

1)CFRP材料包裹在膠體內(nèi)，隔絕空氣、水、腐蝕性物質(zhì)，易燃物質(zhì)的接觸，減少耐火性不好的弊端，有效的保護(hù)CFRP材料的工作性能。

2)CFRP材料與膠體和混凝土接觸面積更大，傳力更加協(xié)調(diào)，CFRP材料的利用率變高，可以充分發(fā)揮材料性能。

3)CFRP材料嵌入在結(jié)構(gòu)中比外貼更不易脫落和剝出，承載能力提升幅度更大。

碳纖維布包裹加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[7]:

1)CFRP具有較好的柔韌性可以使用的結(jié)構(gòu)范圍更廣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求進(jìn)行修補(bǔ)和裁剪靈活性強(qiáng)。

2)碳纖維布相比于板材結(jié)構(gòu)較薄可以密實(shí)的粘貼，包裹范圍大可以有效保護(hù)內(nèi)部混凝土不受外部侵蝕。

3)碳纖維布單向抗拉強(qiáng)度相比于其他材料可以做到更高，對(duì)于荷載集中位置可以提供更多的保護(hù)，可以多層張貼，粘貼加固橋梁構(gòu)件能大幅度提高梁板的抗彎、抗剪性能，并能顯著提高橋梁構(gòu)件剛度及延性(如抑制開裂、降低撓度等)。

4 CFRP加固技術(shù)需要注意的問題

1)CFRP加固技術(shù)對(duì)于施工質(zhì)量有較多的要求，加固膠粘貼效果和使用有效期、養(yǎng)護(hù)方法、現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、質(zhì)量驗(yàn)收[8]、粘貼位置的選擇、加固后加固的安全性評(píng)估，需要有一整套施工經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)和設(shè)計(jì)咨詢輔助。

2)CFRP材料的短板。CFRP材料大多為單向受力材料，沿纖維方向強(qiáng)度較高，垂直于纖維方向的力學(xué)性能較為遜色，加固設(shè)計(jì)需要綜合考慮這一問題，同時(shí)材料強(qiáng)度并不能完全發(fā)揮。實(shí)際工程中碳纖維一般可以利用的強(qiáng)度范圍在30%～67%之間，由于沒有屈服點(diǎn)一旦破壞結(jié)構(gòu)立刻失穩(wěn)。

3)碳纖維材料含碳量較高耐火性差，南方高熱地區(qū)的建筑和外圍盡量不要使用，環(huán)氧樹脂在高溫下也會(huì)出現(xiàn)軟化改變加固的抗性使得加固失效。

4)CFRP材料和所有的FRP一樣其使用的靈活性高同時(shí)也很依賴于出廠質(zhì)量(纖維堆疊方向、纖維含量、層間強(qiáng)度、尺寸等)，也取決于相配套的粘結(jié)材料性能。加固結(jié)構(gòu)往往對(duì)加固方式選取有一定影響，例如碳纖維布廣泛應(yīng)用于大跨度立交橋，板材加固適合于中小跨徑裝配式橋梁和民用建筑等等。

5)CFRP材料大部分是作為補(bǔ)強(qiáng)加固出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定病害和破損(結(jié)構(gòu)震動(dòng)，裂縫區(qū)荷載集中等等)，對(duì)CFRP材料的耐久性和抗疲勞性能有顯著影響。

5 結(jié)語

高速化交通產(chǎn)業(yè)使得公路橋梁發(fā)展進(jìn)程得到快速提升，安全和耐久性是對(duì)公路橋梁乃至交通行業(yè)的基本要求，加固和維修是現(xiàn)階段交通行業(yè)發(fā)展的必由之路，如何用新材料、新技術(shù)降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用投入，節(jié)約材料，提高加固效率是我們真正要解決的問題[9]。新技術(shù)必然存在優(yōu)勢(shì)和短板，可行性也有待評(píng)估，需要設(shè)計(jì)、施工、科研、咨詢和技術(shù)管理的通力合作以及推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研一體化發(fā)展才是對(duì)于未來加固的良性循環(huán)。