2018年19期
       

气囊顶压碳纤维粘贴试验研究及工程应用
作者：严锋 魏明晖 杨帅
单位：中交四航工程研究院有限公司 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室 河海大学力学与材料学院
摘要：针对碳纤维加固施工中出现的问题, 提出了气囊顶压粘贴碳纤维法, 进行了顶压时间和顶压气压对粘贴效果影响的室内试验, 并在某码头维修工程中进行了现场应用。室内试验和现场应用效果表明, 采用气囊顶压粘贴碳纤维能有效提高碳纤维粘贴效果, 施工方便快捷。
关键词：加固 碳纤维 气囊顶压 施工技术
作者简介：严锋, 工程师, E-mail:335942713@qq.com;
基金： 广州市科技计划项目 (2013024268);

 

 

0 引言

碳纤维加固混凝土结构是将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉区表面, 充分利用碳纤维材料强度高的特点, 使碳纤维布和结构构件有机结合, 达到共同受力以提高原结构承载力的目的[1]。但是, 在普通的碳纤维粘贴方法下, 碳纤维与混凝土之间的粘结不是很紧密, 特别是在仰贴的情况下, 由于胶体和碳纤维的自重作用, 传统的施工方法十分容易产生空鼓和粘结不牢的现象。本文主要针对碳纤维加固施工过程中出现的问题展开深入研究, 为解决碳纤维加固施工过程中出现的问题提供了有效的解决方法。

1 气囊顶压粘贴碳纤维施工技术研究

运用碳纤维对结构进行加固时, 其效果的好坏不仅仅取决于碳纤维本身的性能, 因为在使用碳纤维对结构进行加固时, 不是直接把碳纤维放到构件上, 而是通过粘结剂把碳纤维粘贴在构件表面, 因此碳纤维与构件粘结强度的好坏直接影响到碳纤维是否能够真正参与构件的受力, 这也成为影响加固效果的一个非常重要的方面[2]。影响碳纤维布与构件粘结强度的因素一般有材料性质、受力方式、施工质量等。通常所采用的碳纤维粘结剂要具有良好的粘结性能和浸渍性能, 环氧树脂是现在常用的碳纤维加固粘结剂。在施工时, 一般采用滚筒滚压的方式涂刷环氧树脂浸渍胶, 但是在滚压涂刷过程中特别容易出现如滚压时用力不均导致树脂局部增厚、滚压不到位导致的局部碳纤维布未与混凝土基层完全粘结、仰贴情况下由于碳纤维及胶体重力影响而产生的碳纤维脱离等现象, 这些质量缺陷较难控制且在很大程度上影响碳纤维粘贴的效果[3]。

气囊顶压法粘贴碳纤维布是指在碳纤维表面涂刷浸渍树脂胶之后利用气囊顶压所产生的均匀压力作用在碳纤维表面, 使浸渍树脂胶均匀浸透碳纤维, 以利于碳纤维与基层面的粘结。

为了解气囊顶压粘贴碳纤维的效果, 设计了如图1所示的试验装置。其中, 试验梁尺寸为:长2 000mm×宽230mm×高150mm;气囊由工厂加工, 材质为橡胶, 尺寸为长2 000mm×宽300mm×高300mm, 厚度<2mm。气囊端部预留充气孔, 使用空压机对其进行充气;气囊托架根据实际尺寸由角铁焊接而成。本节主要研究了气囊顶压施工过程中的两个主要控制参数 (顶压时间、顶压气压) 对气囊顶压施工效果的影响。

图1 碳纤维顶压试验装置

图1 碳纤维顶压试验装置

Fig.1 Carbon fiber top pressure test device

1.1 气囊顶压气压对碳纤维粘贴效果的影响

为了解气囊顶压气压对粘贴碳纤维施工效果的影响, 在控制顶压时间 (60min) 保持不变的情况下共进行了4种不同顶压气压的对比试验, 分别为2, 5, 7, 9kPa。在试验梁上粘贴碳纤维并进行气囊顶压, 完成粘贴7d后进行粘结强度试验, 所得试验数据如图2, 3所示。

图2 不同顶压气压下碳纤维与混凝土粘结强度

图2 不同顶压气压下碳纤维与混凝土粘结强度

Fig.2 Bond strength of carbon fiber and concrete under different pressure

图3 不同顶压气压下碳纤维与混凝土粘结破坏 强度平均值

图3 不同顶压气压下碳纤维与混凝土粘结破坏 强度平均值

Fig.3 Average bond strength of carbon fiber and concrete under different pressure

由此可知, 气囊顶压气压对粘贴碳纤维具有较大影响, 如果气囊气压不足则不能达到顶压效果, 但采用较大气压时对顶压效果并无较大提高, 但对气囊质量要求更高, 因此采用5kPa左右的气压进行顶压是最经济合理的。

1.2 气囊顶压时间对碳纤维粘贴效果的影响

为确定气囊顶压粘贴碳纤维施工的最佳顶压时间, 在控制顶压压力 (5kPa) 保持不变的情况下共进行了5种不同顶压时间的对比试验, 分别为顶压15, 30, 60, 120, 180min。在试验梁上粘贴碳纤维并进行气囊顶压, 完成粘贴7d后进行粘结强度试验, 所得的试验数据如图4, 5所示。

图4 不同顶压时间下碳纤维与混凝土粘结强度

图4 不同顶压时间下碳纤维与混凝土粘结强度

Fig.4 Bond strength of carbon fiber and concrete under different top pressure time

图5 不同顶压时间下碳纤维与混凝土粘结 破坏强度平均值

图5 不同顶压时间下碳纤维与混凝土粘结 破坏强度平均值

Fig.5 Average bond strength of carbon fiber and concrete under different top pressure time

由上图可知, 气囊顶压时间在60min以内时, 气囊顶压的效果随着时间的增加而有显著提高, 但顶压时间过长时其效果提高并不明显。因此可知, 气囊顶压法粘贴碳纤维的合理顶压时间为30～60min。

2气囊顶压粘贴碳纤维施工技术在实际工程中的应用

某旧码头采用横梁采用粘贴碳纤维加固, 该码头横梁处于水位变动区域, 受海水冲刷影响, 采用普通方法粘贴碳纤维难以固结, 因此采用气囊顶压粘贴碳纤维加固的施工方法。

2.1 气囊顶压粘贴碳纤维施工步骤

气囊顶压施工是在完成碳纤维粘贴施工之后立即进行的, 气囊顶压施工包括两个步骤, 即安装气囊顶压装置及气囊顶压。

1) 安装气囊顶压装置 气囊顶压装置主要由角铁和螺杆焊接而成, 碳纤维粘贴结束后将该装置安装在梁体上, 如图6所示。

图6 碳纤维顶压装置

图6 碳纤维顶压装置

Fig.6 Carbon fiber top pressure device

2) 气囊顶压 在完成气囊顶压装置安装之后, 放置气囊, 为防止气囊沾上碳纤维胶体而影响气囊的重复使用, 在气囊和碳纤维布之间放置1层塑料薄膜, 利用空气压缩机对气囊充气进行顶压, 并控制气囊压力内压力在5kPa左右。在充气完成后, 关闭气囊阀门保持压力持续作用30～60min后完成顶压。

2.2 气囊顶压粘贴碳纤维施工效果

根据JTS 311—2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》中表5.2.5规定, 仰贴条件下纤维复合材料与混凝土正拉粘结强度应满足如下要求:纤维复合材料与混凝土正拉粘结强度≥2.5MPa, 且为混凝土内聚破坏。

为了对比普通方法粘贴碳纤维与气囊顶压法粘贴碳纤维的施工效果, 选取气囊顶压位置处和普通粘贴位置处进行碳纤维粘结强度测试, 如图7～9所示。

图7 气囊顶压法施工粘贴碳纤维与 普通方法粘贴碳纤维效果对比

图7 气囊顶压法施工粘贴碳纤维与 普通方法粘贴碳纤维效果对比

Fig.7 Comparison of the effect of pasting carbon fiber by air bag top pressure method and common method to paste carbon fiber

图8 有无气囊顶压时碳纤维与混凝土粘结强度

图8 有无气囊顶压时碳纤维与混凝土粘结强度

Fig.8 Bond strength of carbon fiber and concrete with or without air bag top pressure

图9 有无气囊顶压时碳纤维与混凝土 粘结强度平均值

图9 有无气囊顶压时碳纤维与混凝土 粘结强度平均值

Fig.9 Average bond strength of carbon fiber and concrete with or without air bag top pressure

由以上测试结果可知:因普通仰贴情况下碳纤维自身重力导致的“脱离”现象, 使得部分区域碳纤维与混凝土表面粘接不牢, 因此十分容易产生部分区域碳纤维粘结强度不能满足规范要求的现象。如图7所示为气囊顶压法粘贴碳纤维 (见图7a) 和普通施工方法粘贴碳纤维 (见图7b) 粘结强度对比。经气囊顶压可以有效的避免碳纤维粘贴过程中的空鼓、浸渍胶不能均匀渗透碳纤维等问题的出现。而气囊顶压部位由于气囊的“顶托”作用, 使得经气囊顶压的碳纤维表面粘贴平整且与混凝土间粘结牢固, 如图10所示。

图10 碳纤维粘结强度测试破坏形式对比

图10 碳纤维粘结强度测试破坏形式对比

Fig.10 Comparison of damage forms of carbon fiber bond strength test

3 结语

利用碳纤维进行结构加固时, 确保碳纤维与基层面的粘结牢固是保证碳纤维参与结构受力的前提条件, 采用气囊顶压法施工控制顶压压力在5kPa左右、顶压时间在30～60min可以取得较好的粘结效果。气囊顶压粘贴碳纤维不仅施工方便、快捷, 并且较好地解决这一施工难题。

 

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