预应力碳板加固技术

1、碳纤维板介绍

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术产品，主要用于制备先进复合材料，广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域。随着碳纤维成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破，碳纤维复合材料在土木工程领域，作为最适合的纤维复合加固材料，其使用量正在逐年急剧增长。

碳纤维板是一种碳纤维加固补强单向板材，其成型工艺是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。制成的碳纤维单向板材能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量，在施工时可免除碳纤维单向织物的树脂固化阶段，强度利用效率高，施工方便。

碳纤维板弹性模量约为165～185GPa，抗拉强度高达2400～2800MPa。

2、预应力碳纤维板加固技术介绍

碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、但抗拉强度是普通钢筋的10倍。要发挥碳纤维材料抗拉强度需要1.7%的拉伸应变，而钢筋屈服时拉伸应变仅为0.15%；当碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服、混凝土结构就已经发生破坏（钢筋拉断，混凝土压坏）时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的10%左右。因此，传统不加预应力的碳纤维加固混凝土结构技术，无法发挥纤维增强复合材料的高强度特性，造成资源的浪费。

而预应力碳纤维板锚固体系，通过对碳纤维增强复合材料施加预应力来克服上述缺陷。对碳纤维施加了预应力后，避免了碳纤维片材应变滞后的现象，使碳纤维板强度有效发挥，提升结构承载力，同时提高受弯构件的抗弯刚度，减小原构件的挠度，抑制构件变形和裂缝扩展，解决了碳纤维强度和弹性模量比值过高的矛盾，对碳纤维强度的利用远远超出未施加预应力的情况，具有非常良好的经济效益和社会效益。

3、预应力碳纤维板加固技术优势

与其他加固方法（加大截面法、外包钢加固法、外部粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、喷射混凝土加固法、碳纤维布加固法等）相比，预应力碳纤维板加固法具有以下优点：

1）高强高效

预应力碳纤维板加固技术充分发挥了碳纤维材料的高强性能，有效提升结构承载力与抗弯刚度，节约碳纤维用量，降低工程总造价。

2）重量轻、空间要求小

碳纤维比强度高、质量仅为钢的1/5，基本不增加原结构自重，碳纤维板可以盘卷，能以较大长度供应而无须搭接。没有湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少，加固完成后不影响原结构使用空间。

3）良好的耐久性和耐腐蚀性

耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀，不须定期维护。

4、预应力碳纤维板锚固体系

1）体系构造

预应力碳纤维板锚固体系主要由锚具(两端）、碳纤维板、碳纤维专用环氧胶、张拉装置及张拉设备等组成。

张拉设备

化学锚栓

固定端锚板

锚具

压紧条

@3m布置

碳纤维板

锚具

张拉定位板张拉杆张拉挡板

张拉螺母

张拉设备固定设备

可拆卸

连接螺母

2）选用参数

碳纤维板的各项力学性能指标均满足JT/T532-2004《桥梁结构用碳纤维片材》、GB/T21490-2008《结构加固修复用碳纤维片材》、CECS146:2003 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》及GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》中对碳纤维板的相关要求。

碳纤维专用环氧胶的相关参数符合JG/T 166-2004《碳纤维片材加固修复结构用粘接树脂》的要求。

3）施工设计张拉力

建议张拉控制应力σcon一般采用碳纤维板材强度的0.5-0.58倍，即0.50-0.58σb。

碳纤维板的张拉力Pj可按下列公式计算：

Pj=σcon×Ap

式中：σcon---张拉控制应力；

Ap---碳纤维板截面积。

张拉预应力损失有孔口摩阻，内缩值等，张拉锚固的预应力损失取值≤3%。

5、预应力碳纤维板施工工艺流程施工工艺流程图：

6、预应力碳纤维板施工步骤

1）设计院根据实桥工况设计加固方案，确定碳纤维板规格、张拉力、加固位置等，之后，根据设计方案制作碳纤维锚具，与碳纤维板配套制生产成品。

表 1 推荐碳纤维板技术参数表

2）现场施工准备

（1）准备施工所需材料及工具。

推荐千斤顶尺寸参数表

（2）根据现场条件搭建施工支架或平台。

3）混凝土表面处理及裂缝修复

加固前对梁面缺陷及裂缝进行修复处理。

4）千斤顶标定，锚固区定位，切割挖槽

（1）对外购回的千斤顶进行标定。

（2）用钢筋探测仪或除去混凝土保护层的方法明确原钢筋网和波纹管所在位置，以便能确定锚具的安装位置。

（3）在混凝土梁面按照设计图纸进行放样，采用钢尺、水平仪等进行定位，根据梁中心线初步预估位置，实际定位须考虑避让钢筋及波纹管进行调整。

（4）按照设计图纸划出锚固区，按实际情况适当凿毛处理。

5）基础清理找平

（1）在梁面需粘贴碳纤维板的部位，清除表面的各种杂质，除去表面2～3mm 厚的砂浆层，直至露出坚实的骨料，磨去面上突出的5mm以上的毛刺，表面平整度要求≤5mm/m。

表层打磨后用强力鼓风机彻底清除灰尘并保持干燥。

（2）如表面低洼处较深，无法通过打磨方式获得平整效果，需在碳纤维板经过之处涂抹找平胶进行表面找平。

6）化学锚栓打孔、植筋

（1）避开已探明的钢筋位置，用电锤在锚固区(张拉区)各打4 个植筋孔，钻孔直径φ16±2mm，钻孔深度160(350)±5mm，钻孔时应垂直梁体，孔洞与基面的垂直度为90°±2°，孔洞中心距离的误差≤5mm；

（2）用手吹风或清孔器吹出孔内灰尘，再用毛刷刷除余尘，如此反复3 次，将杂质彻底清理干净，植化学锚栓前用丙酮或酒精擦拭孔壁、孔底和锚栓；

（3）确认玻璃管锚固包无外观破损、药剂凝固等异常现象之后才可使用。将药包玻璃管圆头朝内放入洁净的植筋孔，推至孔底。

（4）用电锤将螺杆缓慢旋转强力植入孔底，以使玻璃管挤压破碎并强力混合锚固药剂，但不应采用重锤或扳手将螺杆强行锤入的冲击方式植入。

（5）当旋至孔底时立即停止旋转，确保螺杆顶端在同一平面上且与基面垂直，并能与锚固支座配合紧密。植筋后的中心距离偏差≤3mm。

（6）在化学锚栓凝胶后至完全固化前的时间内避免触动或振动，至少放置24h 才可进行下一步施工。

7）安装固定端及张拉端锚固体系

（1）待化学锚栓完全固化后，将固定装置及张拉装置与梁面贴合的一面及梁面本身同时涂抹结构胶，抹胶时应中间厚两边薄，厚度≥5mm。

（2）将装置预留孔按对应孔位的位置与化学锚栓紧密贴合，调平之后迅速拧紧螺帽，使其压实。

（3）将碳纤维板锚具两端分别安装在锚固区及张拉区上，用千斤顶施加预紧力到张拉力的3%之后，检查碳纤维板与梁面间是否有接触之处，如有接触需将梁面打磨平整，使其与碳纤维板有至少2mm的缝隙。

（4）将装置周围挤出的结构胶清理干净，在预紧期间结构胶未固化的情况下适当调整固定端及张拉端位置。根据环境温度放置至少1～3 天才可进行张拉施工，期间避免振动。待结构胶固化后将碳纤维板从梁上卸下。

8）安装千斤顶，张拉碳纤维板

（1）用丙酮或酒精将碳纤维板与梁面贴合的一面擦洗干净，然后配置碳纤维粘结胶，