附录：题目：碳纤维增强复合材料在桥梁技术中的应用与展望院（系）轻纺工程系专业高分子材料加工技术届别2012届学号0919080102姓名汪振峰指导老师李云龙老师黎明职业大学2011年12月碳纤维增强复合材料在桥梁技术中的应用与展望汪振峰（黎明职业大学，福建泉州362000）摘要碳纤维复合材料(CFRP)在桥梁工程中的应用，是目前国际土木工程领域研究开发的一个热点。
本文在简述CFRP复合材料的特性和国内外的发展情况的基础上，介绍了CFRP 力筋在混凝土桥中的应用情况及其对既有桥梁的加固。
最后，本文还指出了CFRP复合材料应用于桥梁工程中存在的问题及其发展前景。
关键词复合材料；碳纤维加劲塑料(CFRP)；桥梁工程；CFRP力筋；桥梁加固1、前言我国现有桥梁主要存在以下问题：（1）桥梁设计荷载标准较低；（2）桥面宽度狭窄；（3）桥梁年久失修，损坏严重，如墩台滑动、下沉、倾斜、冻害、变形大于计算值，支座的开裂、老化、坏死，钢筋混凝土梁、拱有永久性严重变形，顺主筋方向有纵向裂纹，钢筋已严重锈蚀，裂纹超过规范限定值，承载能力大于25％设计要求等；（4）少数桥梁桥头接线线形很差，影响行车安全。
目前经济发达国家的公路桥梁的不适应情况也很严重，如美国高达20％。
由于交通量的增加、车辆轴载的加大和固有标准的提高，原来设计标准较低的桥梁已严重影响了汽车运输的发展。
提高公路技术标准后，由于桥梁设计荷载的提高和宽度的增加（要求主干线上的桥梁承载能力达到汽车一超20级、挂车一120或汽车一20级、挂车一100的荷载标准，桥面宽度也要有相应的提高），以及公路局部线形的改移，使原有桥梁要么加固、要么重建，工程量甚为巨大。
鉴于投资、材料和工期的缘故，不可能拆除全部旧桥进行重建，而采取投资较少、节省材料、工期短的补修和加固措施，是解决以上问题的有效方法。
传统的混凝土结构加固方法为：粘钢加固、外包钢加固、套箍加固、植筋加固、焊接补筋加固、型钢加固、化学灌浆加固、加大截面法加固、增设支点法加固、体外预应力等技术和方法进行结构补强、加固处理。
上述几种方法虽然有效，但均受到一定条件的限制，存在以下缺点：对结构的外观及使用空间均有一定影响；施工时的湿作业和大型设备对环境和生产有一定影响；在有的方法中新旧两部分的连接对原结构有一定的损伤；加固材料易腐蚀或脱落；增加结构物的荷重等。
碳纤维增强塑料（CFRP，Carbin Fibre Reinforced Plastics）加固是20世纪80年代以来美、日等发达国家研发的应用在土木工程中的新型加固补强技术，已在建筑物、桥梁、特种结构等各种土木工程中得到广泛而成功的应用。
我国自1997年开始对碳纤维加固混凝土等结构进行研究，并已在一些工程中得到应用，但相关技术标准、应用规程及施工指南在国内尚属空白。
该方法采用同一方向排列的碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构、钢筋混凝土结构、砌体结构或木结构表面，利用其紧密粘着于混凝土结构表面，使二者作为一个新的整体，共同受力，从而达到对结构加固补强及改善受力性能的目的，是一种非常简单而优良的加固补强方法。
CFRP具有轻质（碳纤维加固不增加结构物的荷重）、高强（强度超过钢材，接近于高强预应力钢筋），耐腐蚀、耐疲劳、耐火、耐久性好，且施工工艺简便快速、施工无灰尘和噪音污染，可不间断生产运营，加固补修效果良好等优点，因而得到工程界的日益重视。
的基本特性2、碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料的基本特性碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。
将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。
碳纤维片材：片材碳纤维材料的拉伸强度在（2400～3400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。
片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。
高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。
相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。
碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。
配套树脂类粘结材料；混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。
浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。
就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。
采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。
以下是它的一些独有的性能：(1)CFRP具有比钢材高出10几倍的抗拉强度，一般为1500—1900MPa，高的可达2400—3000MPa。
顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，与高强预应力筋相近。
(2)CFRP抗疲劳性能优良，据试验表明，当平均应力为550MPa时，200万次循环荷载应力幅度可达900MPa，高出钢材3倍。
(3)CFRP 减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也很快。
(4)CFRP 具有优良的耐化学腐蚀性，它是一种优良的电绝缘体，用它制作的设备或构件具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。
(5)CFRP 材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形式和材料美学的高度统一。
CFRP 所具有的高强、轻质等独特的性能和优点，使其作为结构用材在桥梁工程中的应用具有很广阔的前景。
3、碳纤维碳纤维复合复合复合材料加固原理材料加固原理碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用原理与钢筋混凝土结构的工作原理相似:3.1钢筋与混凝土具有良好的握裹性。
两者在受力后共同变形形成协调性，碳纤维需借助粘结材料与混凝土结合，两者之间的结合必须大于混凝土本身的抗剪强度。
通常使用的粘结树脂为胶结剂,它涂于混凝土表面，易渗入混凝土内与之结合成类似树脂混凝土，可以加强混凝土强度，并与碳纤维密切结合，有效传递剪力，而使碳纤维和混凝土结合成一体。
3.2钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度。
碳纤维的强度虽然高，但其弹性模量与钢筋差不多(表2)，故碳纤维用于钢筋混凝土的加固上不会有搭配问题，因而可以用于弥补钢筋混凝土内钢筋的抗拉不足部分。
表2钢筋混凝土与碳纤维的匹配性混凝土钢筋碳纤维弹性系数（MPa）2500200000230000抗拉强度（MPa）20300—4003000—3500延展性0.2—0.3%0.2—0.3%0.9—1.5%3.3钢筋与混凝土具有相近的温度线性膨胀系数。
钢筋混凝土结构不会由于强度变化产生相应的温度内应力，而碳纤维材料的热膨胀系数a 较混凝土和钢筋要小的多，约为5101−Χ/℃因而当升温15℃时，在碳纤维材料中将发生拉应力δ约为32125MPa，但对碳纤维材料而言仅为极限强度3400MPa 的1%左右,故影响不大。
3.4钢筋与混凝土有良好的化学相容性。
因为在混凝土中具有一定的碱性性质,故不会使钢筋发生锈蚀。
由于碳纤维加工过程中已经历了2000℃～3000℃的考验,故可以适用恶劣的使用环境,与原结构用环氧树脂粘贴后,能可靠的与原结构物共同工作。
由于碳纤维材料具有与钢筋混凝土相容的材料物性，且其又具有耐酸、耐碱、耐盐、耐老化、耐高温、耐低温等特性，故粘贴碳纤维材料在表面后对原结构有良好的保护作用，故可以广泛应用于桥梁加固工程。
4、碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料加固补强的施工工艺加固补强的施工工艺4.1根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理a）将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。
检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。
对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；b）裂缝修补。
缝宽小于0.2mm 的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm 的裂缝用环氧树脂灌缝；c）将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。
用磨光机把棱角磨成半径大于30mm 的圆角；d）清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
4.2底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内））。
a）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；b）用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；c）底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；d）注意在气温小于5C，相对湿度大于85，砼表面含水率在8以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。
4.3环氧腻子对构件表面残缺的修补。
a）构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整；b）内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补使之平顺。
4.4贴碳纤维片。
a）为了防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折。
贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断纤维片，每段长度一般不超过6rn；。
b）碳纤维接头必须搭接10cm 以上，横向不需搭接；c）按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；d）贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维片上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。
4.5养护。
粘贴碳纤维片后，需自然养护24h 达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
4.6涂装。
根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。
5、碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料在桥梁加固技术中的应用在桥梁加固技术中的应用5.1用CFRP修建桥梁由于CFRP绞线和棒材具有耐腐蚀性好、强度重量比高、低松弛及耐疲劳等特性，目前大量用作桥梁的预应力筋或体外筋。
日本是第一个在混凝土桥梁中采用CFRP绞线作预应力筋的国家，并修建了一系列CFRP作力筋的桥梁，不同类型的CFRP力筋性能试验及研究以及所需锚固系统都已完成。
并且为了探测采用CFRP力筋的混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载及疲劳试验。
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