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碳纤维加固技术介绍及加固原理

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浏览:- 发布日期:2018-06-15 10:29:47【
桥梁是我国国民经济发展的重要组成部分。随着交通运输量的增加、行车密度的加大和车辆的载重的增加,桥梁的负荷日趋加重。特别是20世纪80年代以前修建的桥梁,已暴露出承载力不足、老化、破损、裂缝等缺陷,更有一些新建桥梁因其对桥梁结构形式认识不足,施工工艺、方法和材料运用缺乏科学合理的指导等因素,未达到设计寿命就出现耐久性能退化的危桥、病桥现象,严重制约了国民经济的发展。对这些桥梁进行重建,不仅耗资巨大、建设周期长,而且交通受阻、被迫绕行等将给社会带来一定的经济损失。因此,对存在缺陷的桥梁进行加固补强和维修管理,使其在短时间内恢复正常运行,已成为桥梁工程重大的研究课题。碳纤维是一种将纤维、沙线或织物等材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而成的增强聚合物。碳纤维材料具有不存在屈服点和塑性区等优良的物理性能。用于桥梁工程混凝土构件加固的碳纤维布,则是碳纤维长丝经过编织工艺而制成的柔软片材。日本是成功地将碳纤维片运用于桥梁加固的最早的国家之一,相对于美国、德国等先进国家,我国对碳纤维的研究,特别是将其用于桥梁加固的技术始于上个世纪80年代,起步较晚。2 碳纤维加固技术简介及加固原理2.1 技术简介碳纤维增强聚合物由环氧树脂同高抗拉强度的碳纤维束粘贴而成。采用碳纤维片进行桥梁工程加固具有以下优点:强度高。据检测,碳纤维片的强度约为普通钢材的10倍;碳纤维片具有较高的抗拉强度和高强质轻等物理特性;碳纤维片具有良好的抗酸、抗碱、抗盐等化学特性。经实验,其在10%的稀硫酸和氢氧化钠等碱性溶液和盐水中,浸渍强度不降低。其自身的防腐耐蚀性和可抵抗各种恶劣环境腐蚀的特点,大大提高了整体桥梁结构的耐腐蚀性和使用寿命;碳纤维片所具备的良好的温度稳定性和耐水性,以及抗紫外线和抗老化性能等特点,非常适合桥梁工程的生存环境;碳纤维片密度仅为200g/m2,其较轻的自重,加固时不但不增加桥梁结构的自重和增大截面尺寸,而且柔性好、易于裁剪;施工简便,加固时,无需过多的施工机构和大型机械设备,易于操作,经济性好;经验表明,施工仅需要一周,相对工期较短。所以,碳纤维加固技术适用于各种桥梁工程结构类型、适合于梁、板、柱、桥墩、桥梁等各种不同结构部位的加固和维修。2.2 碳纤维加固原理用于桥梁工程加固的碳纤维材料,必须与粘结剂共同使用。理论上碳纤维材料具有抗拉强度达到建筑用钢材十几倍的优良的力学性能,但当碳纤维材料通过一定的工艺手段被织成碳纤维布后,各碳纤维丝之间缺乏抱合力很难共同完全工作,出现碳纤维丝逐渐断裂而整体破坏的现象。粘结剂的使用,大大地提高了碳纤维片的整体抗拉强度,可使纤维丝更好地共同工作,达到加固的目的。3 碳纤维加固桥梁工程的机理分析3.1 对钢筋混凝土抗弯构件的加固碳纤维对钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固,是通过将碳纤维布粘贴于混凝土受弯构件的受拉区,对钢筋的受拉性能进行替代或补充从而提高构件的抗弯承载力而实现的。钢筋混凝土抗弯构件粘贴碳纤维后。构件的受拉部位的混凝土开裂前,碳纤维的应变较小,而当抗弯构件混凝土开裂,特别是在钢筋屈服后,碳纤维片则快速应变,其高强高效的加固性能得以充分体现。3.2 对钢筋混凝土抗剪构件的加固钢筋混凝土的抗剪加固,是通过将碳纤维粘贴于钢筋混凝土构件的受剪区,而使碳纤维发挥类似箍筋的作用。钢筋混凝土构件在屈服前,碳纤维的应变发展比较缓慢,应变值较小,当钢筋混凝土构件屈服后,碳纤维布所代替的箍筋作用得以发挥,应变速度急剧加快,达到对钢筋混凝土抗剪构件的加固。3.3 对钢筋混凝土抗震构件的加固应用碳纤维布对混凝土柱进行抗震加固,是通过采用碳纤维布对钢筋混凝土柱横向包裹提高其延展性而实现的。碳纤维对钢筋混凝土抗震构件的加固的实质是对其内部混凝土的约束作用。这种被动约束会随着混凝土柱轴向压力的增大而产生横向膨胀,从而促使包裹在钢筋混凝土抗震构件上的碳纤维布产生环向伸长,提高侧向约束力,达到显著改善构件的延性效果。4 碳纤维片的选择和加固技术维修管理4.1 碳纤维片的选择碳纤维片材编织的均匀性,是直接影响桥梁工程加固和维修质量的关键。只有分布和排列均匀的碳纤维束,经加工形成复合材料后,才能充分发挥其整体均匀受力的优良的物理特性。材质的均匀性直接影响碳纤维片应力分布和对桥梁工程构件的加固和维修,处理不好,则碳纤维补强效果不能充分发挥出来。因此,选择分布与排列均匀性较好的碳纤维片材,是桥梁工程加固和维修的关键。4.2 碳纤维加固技术维修管理选择碳纤维片材对桥梁工程加固和维修应注意以下几点:在对加固和维修构件进行表面处理和粘贴碳纤维片材前,应严格按照加固设计部位进行放线,准确定位;严格按照设计要求进行碳纤维片材的裁剪,除保证裁剪后织物的长度和宽度外,应对碳纤维片材的裁剪做到边角整齐;擦拭碳纤维片材,保证表面干净、无粉尘。如需粘贴正反两层时,应将底面碳纤维片材擦拭干净,且妥善放置,以保证粘贴效果;对擦拭干净的碳纤维片材,应采取立即涂刷粘结树脂的方式予以保护。胶层应呈现凸起形状,其平均厚度以不小于2mm为宜;用手将涂有粘结树脂的碳纤维片材,采用轻轻压贴的方式粘贴在加固位置,顺着纤维片材的方向,用橡胶滚筒均匀地平稳压实,使二者之间的树脂从两边溢流出,保证粘贴密实无空洞。平行粘贴碳纤维时,要求两片之间间距应以不小于5mm为宜;因特殊需要,需要对加固和维修部位粘贴两层碳纤维片材时,可采用连续粘贴的方式。施工中不能连续粘贴时,则应对底层碳纤维片材按照粘贴要求重新做好清洁工作;施工宜选择在符合配套树脂的使用温度,如5℃以上的环境温度条件下进行。应根据施工环境温度选取配套树脂,或当环境温度低于配套树脂使用温度时,应采用适合于低温的配套树脂,或采用升温的处理措施;施工时应综合考虑环境湿度对树脂固化所产生的不利影响,其粘贴部位混凝土的含水率以不大于4%为宜;树脂的配制,应严格按照产品使用说明所规定的配比进行配制,准确称量并置于容器中。按照操作说明,使用不含油污及杂质的、洁净的搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。拌合量的确定应根据现场实际温度和工作量,严格控制每批的使用时间;为了保证粘贴的质量,确保桥梁工程的加固和维修,为保证对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制,不同季节、不同温湿度条件下,应选用符合季节和温湿度要求的不同型号的粘贴树脂。5 结论

综上所述,碳纤维加固技术对桥梁工程的加固和维修,具有其它加固方法不可替代的优势。并且随着碳纤维加固和维修理论的不断完善、通过实践对碳纤维材料加固维修机理不断深入的研究和探索,碳纤维材料在桥梁工程以及未来其它领域的应用前景将更加广阔。


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