CN1271278C - 纤维薄板及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种纤维薄板,由碳纤维丝、芳纶纤维丝、或高强玻璃纤维丝编织而成,所述纤维薄板浸渍有浸渍料,所述浸渍料由液态坏氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰胺=0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3重量组成。所述纤维薄板用于混凝土结构的加固方法包括:混凝土表面处理;配制找平材料并对不平整处进行找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;配制并涂刷粘结胶。裁剪并粘贴纤维薄板;表面防护处理。本发明可以达到满足设计要求、结构简单、力学性能好、尺寸自如、适应性好、施工工期短、节省材料、成本降低等效果。

Description

纤维薄板及其应用
                               技术领域
本发明涉及土木工程,具体地是用于桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固补强、抗震、防震的纤维薄板。
本发明还涉及所述纤维薄板用于桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固补强、抗震、防震的方法。
                               背景技术
为了增强或恢复在役桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的使用功能,以及提高新建桥梁、隧道和房屋等建筑物的承载力、抗震、防震功能,现有技术主要采用钢板、碳纤维布、碳纤维板通过粘贴加固的方法达到目的。
采用钢板进行加固的施工过程包括:
——预先裁剪钢板;
——打磨混凝土构件表面;
——找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——将钢板固定在混凝土构件表面;
——用环氧树脂将钢板的两端及下边密封;
——在钢板与混凝土构件之间灌注粘结剂。
采用钢板加固存在以下问题:(1)钢板重量大;(2)耐腐蚀性差;(3)对粘贴表面平整度要求较高;(4)施工成本高;(5)维修费用高;(6)钢板需提前预制好,对其尺寸有限制;(7)设备要求复杂。
采用碳纤维布进行加固的施工过程包括:
——混凝土表面处理;
——配制并涂刷底层树脂。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——配制找平材料并对不平整处进行找平处理;
——配制并涂刷浸渍树脂;
——裁剪并粘贴碳纤维布;
粘贴2层及多层碳纤维布时,需要重复上述第4和第5施工步骤;
—表面防护处理。
采用碳纤维布加固存在以下问题:(1)材料成本高;(2)抗剪性差;(3)一般需要优化设计的方法;
6)国产碳纤维布,由于原材料性能等的限制,其力学性能等还有待于提高。
                                发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷,提供系列的纤维薄板及其用于混凝土结构的加固方法,达到满足设计要求、结构简单、力学性能好、尺寸自如、适应性好、施工工期短、节省材料、成本降低等效果。
本发明的纤维薄板由碳纤维丝、芳纶纤维丝、或高强玻璃纤维丝编织而成,所述纤维薄板浸渍有浸渍料,所述浸渍料由液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰胺=0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3重量组成,纤维薄板的计算厚度为0.153mm~0.391mm,浸渍了浸渍料后的实际厚度为0.45mm~0.65mm。
本发明可以直接对纤维丝进行浸渍处理,也可以对编织成的纤维薄板进行浸渍处理。
所述编织可以是本技术领域通用的编织技术。
本发明的纤维薄板用于在役桥梁、隧道和房屋等混凝土结构的加固补强,以及提高新建桥梁、隧道和房屋等混凝土结构的承载力、抗震和防震功能的设计方法包括:
——按照构件的强度要求、受力特征以及纤维薄板的力学性能确定选用本发明的纤维薄板的类型(碳纤维薄板、芳纶纤维薄板、高强玻璃纤维薄板);
——按照构件的设计标准确定纤维薄板的最优设计尺寸及粘贴方法。对于桥梁构件,纤维薄板的设计则按照考虑了疲劳影响的优化设计方法进行;
——对于有裂缝构件,其计算强度应乘以0.85的折减系数。
本发明的纤维薄板用于桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固补强、抗震、防震的方法包括:
——混凝土表面处理;
——配制找平材料并对不平整处进行找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——配制并涂刷粘结胶。粘结胶要求是丁腈胶——双组分环氧粘结胶,而且其抗剪强度≥10MPa;
——裁剪并粘贴纤维薄板。纤维薄板可按构件的性能要求分别选用本发明的碳纤维薄板、芳纶纤维薄板、高强玻璃纤维薄板;
——表面防护处理。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:(1)本发明的纤维薄板使用时只需单层,不必粘贴多层,减少了结构的界面,力学性能好;(2)纤维薄板编制工艺简单,可根据工程需要选用不同的纤维原材料进行编制;(3)纤维薄板的长度、厚度等尺寸自如,适应性强;(4)浸渍料和粘结胶是国产材料,大大降低成本;(5)采用纤维薄板加固混凝土构件时,不需现场浸渍,而且纤维薄板柔软性好,容易施工,工序少,工期短;(6)设计方法体现了纤维薄板的尺寸优化、构件的疲劳强度以及裂缝的影响等。
                               附图说明
图1是试件的夹紧部分尺寸示意图;图2是本发明纤维薄板设计程序框图。
                             具体实施方式
纤维薄板的编制 采用日本东丽公司生产的碳纤维丝HTA-3k(T300-3k)、M40和T700-12k、美国杜邦公司生产的芳纶纤维丝kevlar-49(k49)、南京玻璃纤维设计研究院生产的高强玻璃纤维丝SC8-12×4等为原材料,按照“液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰胺=0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3”的比例配制浸渍料,在编织机上编制了厚度为0.45mm~0.65mm(计算厚度为0.153mm~0.391mm)、宽度为50mm~150mm、长度<100米的单层结构的纤维薄板,其规格和材料组分等如表2所示。
                                       表2
  纤维原材料   密度(g/cm3)   纤维薄板型号   纤维薄板规格(宽×厚度,mm)   计算厚度(mm)   浸渍料(比例)
  碳纤维T300-3k   1.76   TA15   100×0.45   0.153   0.8∶1∶1.3
  碳纤维T300-3k   1.76   TA20   100×0.45   0.200   1.3∶1∶1.3
  碳纤维T300-3k   1.76   TA25   100×0.45   0.230   1∶1.3∶1.3
  碳纤维T300-3k   1.76   TA30   100×0.50   0.276   1∶1.3∶0.8
  芳纶纤维k49   1.44   FA20   100×0.45   0.200   0.8∶1.3∶1
  芳纶纤维k49   1.44   FA25   100×0.45   0.229   1.3∶0.8∶1
  玻璃纤维SC8   2.54   BA25   100×0.45   0.236   1.1∶0.9∶1
碳纤维T700-12k 1.76 TB20 100×0.45 0.200 1.3∶1∶1.2
  碳纤维T700-12k   1.76   TB25   100×0.45   0.230   1.3∶1∶1.2
  碳纤维M40   1.81   TM40   100×0.65   0.391   1.3∶1∶1.2
纤维薄板试件及其拉伸性能的试验方法
参照国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB/T 3354-1999)》(以下简称《试验方法》)中所规定的试验方法,采用三种测试方法,对碳纤维薄板、芳纶纤维薄板和高强玻璃纤维薄板,粘贴2层以上碳纤维布,增加了结构的界面,导致其力学性能降低;(4)用胶量大,而且浸渍料和粘结胶主要靠进口,价格昂贵。
采用碳纤维板进行加固的施工过程包括:
——混凝土表面处理;
——配制并涂刷底层树脂。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——配制找平材料并对不平整处进行找平处理;
——配制并涂刷胶粘胶;
——粘贴碳纤维板;
——表面防护处理。
采用碳纤维板加固存在以下问题:(1)材料成本高;(2)抗剪性差,无法用于抗剪加固;(3)对粘贴表面平整度要求较高;(4)用胶量较大,而且粘结胶主要靠进口,价格昂贵;(4)碳纤维板需提前预制好,规格型号少,对其尺寸有限制。
目前,应用于我国土木工程领域的碳纤维布主要来自日本等国家,其中高强度型和高弹模型的代表性碳纤维布的性能特征如表1所示。
                                 表1
  东丽公司碳纤维布的种类              高强度型   高弹模型
  碳丝种类              TORAYCA T700s   TORAYCA M46J
  碳纤维布型号   200   300   400   300
  设计厚度(mm)   0.111   0.167   0.222   0.163
  设计拉伸强度(MPa)                 3400   2400
  杨氏弹性模量(GPa)                 245   440
  东燃公司碳纤维布   UT70-20   UT70-30   UT70-40   UM46-30
  新日铁公司碳纤维布   FTS-CI-20   FTS-C1-30   FTS-C1-40   FTS-C5S-30
采用碳纤维布或碳纤维板加固技术有以下局限性:
1)在桥梁和房屋等混凝土结构的加固补强工程中,它们不但本身的价格较贵,而且还必需使用价格昂贵的配套浸渍树脂或粘结胶;
2)对于构件有较高强度要求的加固补强工程,必须粘贴2~3层甚至更多层碳纤维布,导致结构的界面增多,加固效率降低,工程量增大,成本增加;
3)采用单层结构的碳纤维板进行加固补强时,由于纤维板厚度一般在1~2mm,坚硬挺直,不能弯曲,施工难度大,而且使用范围也受到较大的限制;
4)对于纤维布或纤维板的力学性能等,还没有统一的检验方法和标准;
5)设计标准中还没有充分考虑疲劳的影响以及裂缝对构件强度的影响,亦没有采用板和高强玻璃纤维薄板,按照表2所示各种规格进行分组,并在Instron材料试验机上进行了力学性能测定。
参照《试验方法》的规定,制作试件的计算尺寸为l×b×t(130×15×t,mm),试件总长L为230mm,加强片厚度t0为0.5mm~1mm,θ=90°,试件厚度t如表2所示。
试件的夹紧部分(加强片)是按图1所示尺寸,按照以下两种方法进行夹持。一是从与试件相同的预浸带上裁剪,或者从芳纶纤维板预浸带上裁剪,并用神力铃牌粘结胶(SK-103超强胶)在试件两端的两表面上各粘结一层或两层而成;二是采用1mm左右厚度的铝材,按表2所示尺寸(50mm长)用神力铃牌粘结胶在试件两端的两表面上各粘结一片而成。
根据表2中所示纤维薄板的规格,本试验对10种规格、13组薄板共130个试件在材料试验机上进行了拉伸试验(其中,有效试件105个)。试验中,夹具是采用Instron材料试验机的配套夹具,力传感器量程为30kN,加载速度为0.5mm/s,试件的位移(变形)采用三种方法进行量测:1)两加载头之间的相对位移;2)采用引伸仪(位移计)在试件标距内量测;3)在试件标距内粘贴应变片进行量测。
拉伸试验结果及分析
试验结果示于表3。对于各种规格的纤维薄板,其计算厚度由下式定义:
t j = W / A ρ - - - ( 1 )
式中,tj为纤维薄板的计算厚度(mm),W/A为纤维薄板的面密度(单位面积材料用量,g/m2),ρ为纤维材料的密度(g/cm3)。
纤维薄板拉伸强度的计算公式取为:
σ j = P f bt j - - - ( 2 )
式中,σj为纤维薄板的计算强度(MPa),Pf为纤维薄板的断裂荷载(N),b为纤维薄板的宽度(mm)。
由式(1)和式(2)可求得各个纤维薄板试件的计算厚度和拉伸强度。表3列出了各组试件平均力学性能的试验结果。由表3可知,对于采用碳纤维丝T300-3k和T700-12k、高强玻璃纤维丝SC8-12×4编制的各种规格的纤维薄板,其拉伸强度的平均试验值都达到或超过其单丝强度的80%,满足相关规范的要求;对于采用碳纤维丝M40编制的纤维薄板,其拉伸强度的平均试验值在其单丝强度(>2450MPa)的70%以上,故可以接受;对于芳纶纤维薄板,其拉伸强度的平均试验值在其单丝强度(2800MPa)的60%~70%,试验值偏低,原因可认为是试件在干燥过程中没有压直所致。
                                 表3纤维薄板试件力学性能试验结果(平均值)
  试件组号           原材料   断裂荷载(KN)   弹性模量(GPa)   密度(g/cm3)   计算厚度(mm)   拉伸强度(MPa)   分散系数(%)
型号   面密度(g/m2)
  TA20-01 T300-3k 352.0 9.23 235.6 1.76 0.200 3077 3.82
  TA25-01   T300-3k   404.0   10.22   -   1.76   0.230   2963   2.63
  TA25-02   T300-3k   404.0   9.68   -   176   0.230   2806   5.61
  TA25-03   T300-3k   404.0   11.44   187.8   1.76   0.230   2925   5.16
  TA25-04   T300-3k   404.0   10.34   227.0   1.76   0.230   2866   7.86
  TA30-01   T300-3k   485.0   14.59   232.2   1.76   0.276   3136   2.24
  TB20-01   T700-12k   352.0   11.46   218.3   1.76   0.200   3820   3.36
  TB25-01   T700-12k   404.0   13.76   209.8   1.76   0.230   3988   5.08
  TM40-01   M40   708.0   10.33   332.5   1.81   0.391   1761   -
  FA20-01   k49   330.0   5.69   130.6   1.44   0.200   1897   5.66
  FA25-02   k49   330.0   6.34   126.0   1.44   0.229   1660   5.95
  BA25-01   SC8-12×4   600.0   6.70   82.0   2.54   0.236   1893   7.03
注:试件宽度约15mm;总长度230mm,标定长度130mm;
关于纤维薄板的弹性模量的测试问题,只有采用引伸仪(位移计)在试件标距内量测所得的结果接近理论分析值,其他两种方法,尤其是采用两加载头之间的相对位移来求得的弹性模量值要比理论分析值低3~4倍(表3中没有列出)。
综上所述,本发明所示纤维薄板的拉伸强度试验结果是可靠的,所采用的试验方法是可行的。表3所示试验结果表明,本发明的纤维薄板具有优越的力学性能,符合有关规定的要求。
纤维薄板加固混凝土构件的方法及效果
本发明的纤维薄板及其应用于混凝土构件加固的方法包括:
——纤维薄板类型的选用。其中,碳纤维薄板用于构件的抗弯拉加固;芳纶纤维薄板用于构件的抗剪、抗扭加固以及杆件的抗压加固;高强玻璃纤维薄板用于构件的抗扭加固和杆件的抗压加固;
——按照加固后构件的强度提高幅值≤40%的要求、以及图2所示(以抗弯设计为例)的优化设计方法进行加固设计。对于有裂缝构件,其计算强度乘以0.85的折减系数。
——按照上述设计要求以及表2所示型号、规格编制纤维薄板。其中,浸渍料由混合体系环氧树脂与胺类固化剂按以下比例配制而成:液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰胺=1∶1∶1;
——对被加固构件混凝土的表面进行处理;
——配制找平材料并对不平整处进行找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——配制并涂刷胶粘剂。粘结胶是丁腈胶——神力铃牌SK-103超强胶,其抗剪强度=14MPa;
——按照设计要求裁剪并粘贴纤维薄板;
——表面防护处理。
通过在MTS-810实验系统上的实验证实,采用本发明的方法对混凝土构件加固的效果如下:
——抗弯加固:在梁的底面粘贴TA25型碳纤维薄板后,无缺口梁的最大抗弯承载力提高了39%,缺口梁的最大抗弯承载力提高了39.8%;
——抗剪加固:在梁的两端等间距地、各粘贴3条FA25型芳纶纤维薄板“U”型箍后,其抗剪承载力提高了15%左右;若在梁的两端各L/4长度内满贴FA25型芳纶纤维薄板“U”型箍,则其抗剪承载力可提高30%左右;
——抗弯剪加固:对带裂缝钢筋混凝土梁,采用环氧树脂灌缝后,在梁的底面粘贴TA25型碳纤维薄板,并在全梁等间距地粘贴6条FA25型芳纶纤维薄板“U”型箍后,梁的抗弯承载力提高了52.3%;
——抗疲劳性能:在钢筋混凝土梁的底面粘贴TA25型碳纤维薄板后,梁的疲劳强度提高了45%。
上述试验结果表明,采用本发明的纤维薄板及加固方法对混凝土构件进行加固是非常有效的。
纤维薄板的工程应用
应用本发明的纤维薄板及其加固方法的工程实例及加固效果简述如下:
——321国道某70米跨刚架拱桥(新桥幅)上部结构的加固。2002年1月,采用本发明的纤维薄板对该桥病害严重的构件进行了加固。具体加固方法如下:在内外弦杆、主拱肋的底面和侧面、大小节点的侧面粘贴TA20型碳纤维薄板,在弦杆的两端各2米长度范围内满贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍,在弦杆的中部等间距地粘贴BA25型高强玻璃纤维薄板“U”型箍,在斜撑的上下受拉面粘贴TA20型碳纤维薄板、并在其两端各2.5米长度范围内缠绕BA25型高强玻璃纤维薄板,在肋掖板的底面分别按“菱形”和“矩形”方式粘贴TA20型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板。施工期为18天。加固后经广东省某质监站所进行的静载试验结果表明,采用本发明的纤维薄板及其加固方法对受损极其严重的钢筋混凝土结构进行加固可恢复甚至提高原有结构的承载能力(该桥设计荷载等级为:汽-20,挂-100);经过2年多的通车情况表明,该加固是非常有效和可行的;
——2003年8月,采用TA20型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对325国道某大桥45米跨刚架拱桥的上部结构进行了加固。其中,弦杆的底面粘贴TA20型碳纤维薄板,弦杆的两端部粘贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍。加固工程的工期仅为2天。加固后由某市质检单位所进行的静载试验结果再次表明,采用本发明对旧危桥(钢筋混凝土结构)进行加固是十分有效和可行的(恢复了原设计荷载等级:汽-20,挂-100);
——2003年12月,采用TA20型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对321国道某70米跨刚架拱桥(旧桥幅)的内外弦杆、主拱肋和大小节点等部位进行了加固。加固方法与上述该桥的新桥幅相同。加固工程的施工期为3天。加固后经广东省某质监站所进行的静载试验结果表明,该桥恢复了原设计承载能力(设计荷载等级为:汽-20,挂-100);
——2004年1月,采用TA20型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对广东省河源市内某大桥(省内有名危桥)的50米跨刚架拱进行了加固。其中,在内外弦杆、主拱肋的底面和侧面、大小节点的侧面、横系梁的底面粘贴TA20型碳纤维薄板,在弦杆的两端各1米长度范围内满贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍,在弦杆的中部等间距地粘贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍,在斜撑和拱腿的上下受拉面粘贴TA20型碳纤维薄板、并分别在其上端4米和下端2.5米长度范围内缠绕FA20型芳纶纤维薄板。加固工程的施工期为10天。加固后经广东省某质监站所进行的静载试验结果又一次表明,采用本发明的纤维薄板及其加固方法对受损极其严重的钢筋混凝土结构进行加固可恢复甚至提高原有结构的设计承载能力(该桥设计荷载等级为:汽-20,挂-100)。
——2004年3月21日起,发明者所在课题组采用TA25型碳纤维薄板和FA25型芳纶纤维薄板对107国道某T型梁桥(桥长183米)、S357线某T型梁桥(桥长199米)和广东省韶关市境内京广铁路跨线桥(16米跨T型梁桥)正在进行加固。其中,梁肋底面和侧面、横系梁的底面粘贴TA25型碳纤维薄板,T梁两端各2米长度范围内满贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍和呈135度方向粘贴条形FA20型芳纶纤维薄板,并在T梁的中部等间距地粘贴FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍。
上述工程应用情况表明,本发明的纤维薄板及其加固混凝土构件的方法比国内外同类技术具有更加优越的力学性能和施工性、方法先进、可行。此外,表2中所示各种纤维薄板属于环氧树脂预浸带,在大气中放置5~6天后它们才会干燥变硬;若将纤维薄板存放于2℃~5℃的冰柜里,则它们在1个月内也不会完全干燥变硬。纤维薄板在未完全干燥变硬前,它们不但与混凝土的粘贴性能良好,而且粘贴工艺比目前国内外所采用的纤维布和纤维板的粘贴工艺简单。
但是,本发明的纤维薄板的运输及其保护比较困难,而且存放期还不够长。为了解决这些问题,发明者又开发了现场制板技术,避免了运输和保存过程中所遇到的困难,而且使纤维薄板具有所需要的柔软性,粘贴容易,施工方便,确保了施工质量,缩短了施工周期。这些优点已在上述工程应用中得到了证实。
纤维薄板加固技术的性能价格比
目前,我国普遍使用的几种碳纤维布的市场价格及使用这些纤维布进行加固的工程总单价(均为某一时期的参考价格)列于表4。为了对比分析,钢板粘贴加固法的参考价格也列于同一表中。由该表可知,使用进口的碳纤维布加固,其工程总单价是钢板粘贴加固法的1.50~2.67倍,但它们的性能价格比却仅为37.5%~66.7%(这里考虑了钢板20年使用期的锈蚀情况,但未计入维修养护费用、交通管制与延误交通所导致的经济损失)。如果考虑钢板锈蚀后的维修费用,纤维布或纤维薄板加固技术的性能价格比将与钢板粘贴加固法持平,甚至优于钢板粘贴加固法。
对于发明的碳纤维薄板,经过2002年1月加固实桥(321国道的某一刚架拱桥)的实践结果表明,其工程总单价已降低到900元/m2左右。由此可见,本发明的纤维薄板加固技术的性能价格比远优于钢板粘贴加固法,也比碳纤维布加固技术优越。
                                       表4
  材料   材料单价(元/m2)   工程总单价(元/m2)   性能价格比   备注
  钢板(16Mn)   -   900~1000   1.0   8mm厚
  碳纤维布CFS-M1-20   160/层   800/层   0.375-0.417   三层,每层厚0.111mm
  碳纤维布CFS-M1-30   200/层   1000/层   0.450-0.500   二层,每层厚0.167mm
  碳纤维布CFS-M1-60   350   1500   0.600-0.667   单层,0.333mm厚
  碳纤维薄板FA25   400   900   1.000-1.111   单层,0.23mm厚

Claims (2)

1、一种纤维薄板,其特征在于由碳纤维丝、芳纶纤维丝、或高强玻璃纤维丝编织而成,所述纤维薄板浸渍有浸渍料,所述浸渍料由液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰胺=0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3重量组成,纤维薄板的计算厚度为0.153mm~0.391mm,浸渍了浸渍料后的实际厚度为0.45mm~0.65mm。
2、权利要求1所述纤维薄板用于混凝土结构的加固的方法包括:
——混凝土表面处理;
——配制找平材料并对不平整处进行找平处理,对于带裂缝构件作环氧树脂灌缝或封缝处理;
——配制并涂刷粘结胶,所述粘结胶是丁腈胶——双组分环氧粘结胶,而且其抗剪强度≥10MPa;
——裁剪并粘贴纤维薄板;
——表面防护处理。
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