專利名稱：纖維薄板及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及土木工程，具體地是用于橋梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固補強、抗震、防震的纖維薄板。
本發(fā)明還涉及所述纖維薄板用于橋梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固補強、抗震、防震的方法。
背景技術：
為了增強或恢復在役橋梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的使用功能，以及提高新建橋梁、隧道和房屋等建筑物的承載力、抗震、防震功能，現(xiàn)有技術主要采用鋼板、碳纖維布、碳纖維板通過粘貼加固的方法達到目的。
采用鋼板進行加固的施工過程包括——預先裁剪鋼板；——打磨混凝土構件表面；——找平處理。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——將鋼板固定在混凝土構件表面；——用環(huán)氧樹脂將鋼板的兩端及下邊密封；——在鋼板與混凝土構件之間灌注粘結劑。
采用鋼板加固存在以下問題(1)鋼板重量大；(2)耐腐蝕性差；(3)對粘貼表面平整度要求較高；(4)施工成本高；(5)維修費用高；(6)鋼板需提前預制好，對其尺寸有限制；(7)設備要求復雜。
采用碳纖維布進行加固的施工過程包括——混凝土表面處理；——配制并涂刷底層樹脂。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——配制找平材料并對不平整處進行找平處理；——配制并涂刷浸漬樹脂；——裁剪并粘貼碳纖維布；粘貼2層及多層碳纖維布時，需要重復上述第4和第5施工步驟；——表面防護處理。
采用碳纖維布加固存在以下問題(1)材料成本高；(2)抗剪性差；(3)一般需要粘貼2層以上碳纖維布，增加了結構的界面，導致其力學性能降低；(4)用膠量大，而且浸漬料和粘結膠主要靠進口，價格昂貴。
采用碳纖維板進行加固的施工過程包括——混凝土表面處理；——配制并涂刷底層樹脂。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——配制找平材料并對不平整處進行找平處理；——配制并涂刷膠粘膠；——粘貼碳纖維板；——表面防護處理。
采用碳纖維板加固存在以下問題(1)材料成本高；(2)抗剪性差，無法用于抗剪加固；(3)對粘貼表面平整度要求較高；(4)用膠量較大，而且粘結膠主要靠進口，價格昂貴；(4)碳纖維板需提前預制好，規(guī)格型號少，對其尺寸有限制。
目前，應用于我國土木工程領域的碳纖維布主要來自日本等國家，其中高強度型和高彈模型的代表性碳纖維布的性能特征如表1所示。
表1

采用碳纖維布或碳纖維板加固技術有以下局限性1)在橋梁和房屋等混凝土結構的加固補強工程中，它們不但本身的價格較貴，而且還必需使用價格昂貴的配套浸漬樹脂或粘結膠；2)對于構件有較高強度要求的加固補強工程，必須粘貼2～3層甚至更多層碳纖維布，導致結構的界面增多，加固效率降低，工程量增大，成本增加；3)采用單層結構的碳纖維板進行加固補強時，由于纖維板厚度一般在1～2mm，堅硬挺直，不能彎曲，施工難度大，而且使用范圍也受到較大的限制；4)對于纖維布或纖維板的力學性能等，還沒有統(tǒng)一的檢驗方法和標準；5)設計標準中還沒有充分考慮疲勞的影響以及裂縫對構件強度的影響，亦沒有采用優(yōu)化設計的方法；6)國產碳纖維布，由于原材料性能等的限制，其力學性能等還有待于提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供系列的纖維薄板及其用于混凝土結構的加固方法，達到滿足設計要求、結構簡單、力學性能好、尺寸自如、適應性好、施工工期短、節(jié)省材料、成本降低等效果。
本發(fā)明的纖維薄板由碳纖維絲、芳綸纖維絲、或高強玻璃纖維絲編織而成，所述纖維薄板浸漬有浸漬料，所述浸漬料由液態(tài)環(huán)氧樹脂∶固態(tài)環(huán)氧樹脂∶聚酰氨＝0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3重量組成，纖維薄板中纖維絲的計算厚度為0.153mm～0.391mm，浸漬了浸漬料后的實際厚度為0.45mm～0.65mm。
本發(fā)明可以直接對纖維絲進行浸漬處理，也可以對編織成的纖維薄板進行浸漬處理。
所述編織可以是本技術領域通用的編織技術。
本發(fā)明的纖維薄板用于在役橋梁、隧道和房屋等混凝土結構的加固補強，以及提高新建橋梁、隧道和房屋等混凝土結構的承載力、抗震和防震功能的設計方法包括——按照構件的強度要求、受力特征以及纖維薄板的力學性能確定選用本發(fā)明的纖維薄板的類型(碳纖維薄板、芳綸纖維薄板、高強玻璃纖維薄板)；——按照構件的設計標準確定纖維薄板的最優(yōu)設計尺寸及粘貼方法。對于橋梁構件，纖維薄板的設計則按照考慮了疲勞影響的優(yōu)化設計方法進行；——對于有裂縫構件，其計算強度應乘以0.85的折減系數(shù)。
本發(fā)明的纖維薄板用于橋梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固補強、抗震、防震的方法包括——混凝土表面處理；——配制找平材料并對不平整處進行找平處理。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——配制并涂刷粘結膠。粘結膠要求是丁腈膠——雙組分環(huán)氧粘結膠，而且其抗剪強度≥10MPa；——裁剪并粘貼纖維薄板。纖維薄板可按構件的性能要求分別選用本發(fā)明的碳纖維薄板、芳綸纖維薄板、高強玻璃纖維薄板；——表面防護處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明的纖維薄板使用時只需單層，不必粘貼多層，減少了結構的界面，力學性能好；(2)纖維薄板編制工藝簡單，可根據工程需要選用不同的纖維原材料進行編制；(3)纖維薄板的長度、厚度等尺寸自如，適應性強；(4)浸漬料和粘結膠是國產材料，大大降低成本；(5)采用纖維薄板加固混凝土構件時，不需現(xiàn)場浸漬，而且纖維薄板柔軟性好，容易施工，工序少，工期短；(6)設計方法體現(xiàn)了纖維薄板的尺寸優(yōu)化、構件的疲勞強度以及裂縫的影響等。


圖1是試件的夾緊部分尺寸示意圖；圖2是本發(fā)明纖維薄板設計程序框圖。
具體實施例方式
纖維薄板的編制采用日本東麗公司生產的碳纖維絲HTA-3k(T300-3k)、M40和T700-12k、美國杜邦公司生產的芳綸纖維絲kevlar-49(k49)、南京玻璃纖維設計研究院生產的高強玻璃纖維絲SC8-12×4等為原材料，按照“液態(tài)環(huán)氧樹脂∶固態(tài)環(huán)氧樹脂∶聚酰氨＝0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3”的比例配制浸漬料，在編織機上編制了厚度為0.45mm～0.65mm(計算厚度為0.153mm～0.391mm)、寬度為50mm～150mm、長度＜100米的單層結構的纖維薄板，其規(guī)格和材料組分等如表2所示。
表2

纖維薄板試件及其拉伸性能的試驗方法參照國家標準《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法(GB/T3354-1999)》(以下簡稱《試驗方法》)中所規(guī)定的試驗方法，采用三種測試方法，對碳纖維薄板、芳綸纖維薄板和高強玻璃纖維薄板，板和高強玻璃纖維薄板，按照表2所示各種規(guī)格進行分組，并在Instron材料試驗機上進行了力學性能測定。
參照《試驗方法》的規(guī)定，制作試件的計算尺寸為l×b×t(130×15×t，mm)，試件總長L為230mm，加強片厚度t0為0.5mm～1mm，θ＝90°，試件厚度t如表2所示。
試件的夾緊部分(加強片)是按圖1所示尺寸，按照以下兩種方法進行夾持。一是從與試件相同的預浸帶上裁剪，或者從芳綸纖維板預浸帶上裁剪，并用神力鈴牌粘結膠(SK-103超強膠)在試件兩端的兩表面上各粘結一層或兩層而成；二是采用1mm左右厚度的鋁材，按表2所示尺寸(50mm長)用神力鈴牌粘結膠在試件兩端的兩表面上各粘結一片而成。
根據表2中所示纖維薄板的規(guī)格，本試驗對10種規(guī)格、13組薄板共130個試件在材料試驗機上進行了拉伸試驗(其中，有效試件105個)。試驗中，夾具是采用Instron材料試驗機的配套夾具，力傳感器量程為30kN，加載速度為0.5mm/s，試件的位移(變形)采用三種方法進行量測1)兩加載頭之間的相對位移；2)采用引伸儀(位移計)在試件標距內量測；3)在試件標距內粘貼應變片進行量測。
拉伸試驗結果及分析試驗結果示于表3。對于各種規(guī)格的纖維薄板，其計算厚度由下式定義tj=W/Aρ----(1)]]>式中，tj為纖維薄板的計算厚度(mm)，W/A為纖維薄板的面密度(單位面積材料用量，g/m2)，ρ為纖維材料的密度(g/cm3)。
纖維薄板拉伸強度的計算公式取為σj=Pfbtj----(2)]]>式中，σj為纖維薄板的計算強度(MPa)，Pf為纖維薄板的斷裂荷載(N)，b為纖維薄板的寬度(mm)。
由式(1)和式(2)可求得各個纖維薄板試件的計算厚度和拉伸強度。表3列出了各組試件平均力學性能的試驗結果。由表3可知，對于采用碳纖維絲T300-3k和T700-12k、高強玻璃纖維絲SC8-12×4編制的各種規(guī)格的纖維薄板，其拉伸強度的平均試驗值都達到或超過其單絲強度的80％，滿足相關規(guī)范的要求；對于采用碳纖維絲M40編制的纖維薄板，其拉伸強度的平均試驗值在其單絲強度(＞2450MPa)的70％以上，故可以接受；對于芳綸纖維薄板，其拉伸強度的平均試驗值在其單絲強度(2800MPa)的60％～70％，試驗值偏低，原因可認為是試件在干燥過程中沒有壓直所致。
表3纖維薄板試件力學性能試驗結果(平均值)原材料試件 斷裂荷載 彈性模量密度 計算厚度拉伸強度 分散系數(shù)面密度組號型號 (KN) (GPa) (g/cm3) (mm)(MPa)(％)(g/m2)TA20-T300-3k 352.0 9.23 235.6 1.76 0.200 3077 3.8201TA25-T300-3k 404.0 10.22 - 1.76 0.230 2963 2.6301TA25-T300-3k 404.0 9.68 - 176 0.230 2806 5.6102TA25-T300-3k 404.0 11.44 187.8 1.76 0.230 2925 5.1603TA25-T300-3k 404.0 10.34 227.0 1.76 0.230 2866 7.8604TA30-T300-3k 485.0 14.59 232.2 1.76 0.276 3136 2.2401TB20-T700-12k 352.0 11.46 218.3 1.76 0.200 3820 3.3601TB25-T700-12k 404.0 13.76 209.8 1.76 0.230 3988 5.0801TM40-M40 708.0 10.33 332.5 1.81 0.391 1761 -01FA20-k49 330.0 5.69 130.6 1.44 0.200 1897 5.6601FA25-k49 330.0 6.34 126.0 1.44 0.229 1660 5.9502BA25- SC8600.0 6.70 82.02.54 0.236 1893 7.0301 12×4注試件寬度約15mm；總長度230mm，標定長度130mm；關于纖維薄板的彈性模量的測試問題，只有采用引伸儀(位移計)在試件標距內量測所得的結果接近理論分析值，其他兩種方法，尤其是采用兩加載頭之間的相對位移來求得的彈性模量值要比理論分析值低3～4倍(表3中沒有列出)。
綜上所述，本發(fā)明所示纖維薄板的拉伸強度試驗結果是可靠的，所采用的試驗方法是可行的。表3所示試驗結果表明，本發(fā)明的纖維薄板具有優(yōu)越的力學性能，符合有關規(guī)定的要求。
纖維薄板加固混凝土構件的方法及效果本發(fā)明的纖維薄板及其應用于混凝土構件加固的方法包括
——纖維薄板類型的選用。其中，碳纖維薄板用于構件的抗彎拉加固；芳綸纖維薄板用于構件的抗剪、抗扭加固以及桿件的抗壓加固；高強玻璃纖維薄板用于構件的抗扭加固和桿件的抗壓加固；——按照加固后構件的強度提高幅值≤40％的要求、以及圖2所示(以抗彎設計為例)的優(yōu)化設計方法進行加固設計。對于有裂縫構件，其計算強度乘以0.85的折減系數(shù)。
——按照上述設計要求以及表2所示型號、規(guī)格編制纖維薄板。其中，浸漬料由混合體系環(huán)氧樹脂與胺類固化劑按以下比例配制而成液態(tài)環(huán)氧樹脂∶固態(tài)環(huán)氧樹脂∶聚酰氨＝1∶1∶1；——對被加固構件混凝土的表面進行處理；——配制找平材料并對不平整處進行找平處理。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——配制并涂刷膠粘劑。粘結膠是丁腈膠——神力鈴牌SK-103超強膠，其抗剪強度＝14MPa；——按照設計要求裁剪并粘貼纖維薄板；——表面防護處理。
通過在MTS-810實驗系統(tǒng)上的實驗證實，采用本發(fā)明的方法對混凝土構件加固的效果如下——抗彎加固在梁的底面粘貼TA25型碳纖維薄板后，無缺口梁的最大抗彎承載力提高了39％，缺口梁的最大抗彎承載力提高了39.8％；——抗剪加固在梁的兩端等間距地、各粘貼3條FA25型芳綸纖維薄板“U”型箍后，其抗剪承載力提高了15％左右；若在梁的兩端各L/4長度內滿貼FA25型芳綸纖維薄板“U”型箍，則其抗剪承載力可提高30％左右；——抗彎剪加固對帶裂縫鋼筋混凝土梁，采用環(huán)氧樹脂灌縫后，在梁的底面粘貼TA25型碳纖維薄板，并在全梁等間距地粘貼6條FA25型芳綸纖維薄板“U”型箍后，梁的抗彎承載力提高了52.3％；——抗疲勞性能在鋼筋混凝土梁的底面粘貼TA25型碳纖維薄板后，梁的疲勞強度提高了45％。
上述試驗結果表明，采用本發(fā)明的纖維薄板及加固方法對混凝土構件進行加固是非常有效的。
纖維薄板的工程應用應用本發(fā)明的纖維薄板及其加固方法的工程實例及加固效果簡述如下——321國道某70米跨剛架拱橋(新橋幅)上部結構的加固。2002年1月，采用本發(fā)明的纖維薄板對該橋病害嚴重的構件進行了加固。具體加固方法如下在內外弦桿、主拱肋的底面和側面、大小節(jié)點的側面粘貼TA20型碳纖維薄板，在弦桿的兩端各2米長度范圍內滿貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍，在弦桿的中部等間距地粘貼BA25型高強玻璃纖維薄板“U”型箍，在斜撐的上下受拉面粘貼TA20型碳纖維薄板、并在其兩端各2.5米長度范圍內纏繞BA25型高強玻璃纖維薄板，在肋掖板的底面分別按“菱形”和“矩形”方式粘貼TA20型碳纖維薄板和FA20型芳綸纖維薄板。施工期為18天。加固后經廣東省某質監(jiān)站所進行的靜載試驗結果表明，采用本發(fā)明的纖維薄板及其加固方法對受損極其嚴重的鋼筋混凝土結構進行加固可恢復甚至提高原有結構的承載能力(該橋設計荷載等級為汽-20，掛-100)；經過2年多的通車情況表明，該加固是非常有效和可行的；——2003年8月，采用TA20型碳纖維薄板和FA20型芳綸纖維薄板對325國道某大橋45米跨剛架拱橋的上部結構進行了加固。其中，弦桿的底面粘貼TA20型碳纖維薄板，弦桿的兩端部粘貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍。加固工程的工期僅為2天。加固后由某市質檢單位所進行的靜載試驗結果再次表明，采用本發(fā)明對舊危橋(鋼筋混凝土結構)進行加固是十分有效和可行的(恢復了原設計荷載等級汽-20，掛-100)；——2003年12月，采用TA20型碳纖維薄板和FA20型芳綸纖維薄板對321國道某70米跨剛架拱橋(舊橋幅)的內外弦桿、主拱肋和大小節(jié)點等部位進行了加固。加固方法與上述該橋的新橋幅相同。加固工程的施工期為3天。加固后經廣東省某質監(jiān)站所進行的靜載試驗結果表明，該橋恢復了原設計承載能力(設計荷載等級為汽-20，掛-100)；——2004年1月，采用TA20型碳纖維薄板和FA20型芳綸纖維薄板對廣東省河源市內某大橋(省內有名危橋)的50米跨剛架拱進行了加固。其中，在內外弦桿、主拱肋的底面和側面、大小節(jié)點的側面、橫系梁的底面粘貼TA20型碳纖維薄板，在弦桿的兩端各1米長度范圍內滿貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍，在弦桿的中部等間距地粘貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍，在斜撐和拱腿的上下受拉面粘貼TA20型碳纖維薄板、并分別在其上端4米和下端2.5米長度范圍內纏繞FA20型芳綸纖維薄板。加固工程的施工期為10天。加固后經廣東省某質監(jiān)站所進行的靜載試驗結果又一次表明，采用本發(fā)明的纖維薄板及其加固方法對受損極其嚴重的鋼筋混凝土結構進行加固可恢復甚至提高原有結構的設計承載能力(該橋設計荷載等級為汽-20，掛-100)。
——2004年3月21日起，發(fā)明者所在課題組采用TA25型碳纖維薄板和FA25型芳綸纖維薄板對107國道某T型梁橋(橋長183米)、S357線某T型梁橋(橋長199米)和廣東省韶關市境內京廣鐵路跨線橋(16米跨T型梁橋)正在進行加固。其中，梁肋底面和側面、橫系梁的底面粘貼TA25型碳纖維薄板，T梁兩端各2米長度范圍內滿貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍和呈135度方向粘貼條形FA20型芳綸纖維薄板，并在T梁的中部等間距地粘貼FA20型芳綸纖維薄板“U”型箍。
上述工程應用情況表明，本發(fā)明的纖維薄板及其加固混凝土構件的方法比國內外同類技術具有更加優(yōu)越的力學性能和施工性、方法先進、可行。此外，表2中所示各種纖維薄板屬于環(huán)氧樹脂預浸帶，在大氣中放置5～6天后它們才會干燥變硬；若將纖維薄板存放于2℃～5℃的冰柜里，則它們在1個月內也不會完全干燥變硬。纖維薄板在未完全干燥變硬前，它們不但與混凝土的粘貼性能良好，而且粘貼工藝比目前國內外所采用的纖維布和纖維板的粘貼工藝簡單。
但是，本發(fā)明的纖維薄板的運輸及其保護比較困難，而且存放期還不夠長。為了解決這些問題，發(fā)明者又開發(fā)了現(xiàn)場制板技術，避免了運輸和保存過程中所遇到的困難，而且使纖維薄板具有所需要的柔軟性，粘貼容易，施工方便，確保了施工質量，縮短了施工周期。這些優(yōu)點已在上述工程應用中得到了證實。
纖維薄板加固技術的性能價格比目前，我國普遍使用的幾種碳纖維布的市場價格及使用這些纖維布進行加固的工程總單價(均為某一時期的參考價格)列于表4。為了對比分析，鋼板粘貼加固法的參考價格也列于同一表中。由該表可知，使用進口的碳纖維布加固，其工程總單價是鋼板粘貼加固法的1.50～2.67倍，但它們的性能價格比卻僅為37.5％～66.7％(這里考慮了鋼板20年使用期的銹蝕情況，但未計入維修養(yǎng)護費用、交通管制與延誤交通所導致的經濟損失)。如果考慮鋼板銹蝕后的維修費用，纖維布或纖維薄板加固技術的性能價格比將與鋼板粘貼加固法持平，甚至優(yōu)于鋼板粘貼加固法。
對于發(fā)明的碳纖維薄板，經過2002年1月加固實橋(321國道的某一剛架拱橋)的實踐結果表明，其工程總單價已降低到900元/m2左右。由此可見，本發(fā)明的纖維薄板加固技術的性能價格比遠優(yōu)于鋼板粘貼加固法，也比碳纖維布加固技術優(yōu)越。
表4

權利要求
1.一種纖維薄板，其特征在于由碳纖維絲、芳綸纖維絲、或高強玻璃纖維絲編織而成，所述纖維薄板浸漬有浸漬料，所述浸漬料由液態(tài)環(huán)氧樹脂∶固態(tài)環(huán)氧樹脂∶聚酰氨＝0.8-1.3∶0.8-1.3∶0.8-1.3重量組成，纖維薄板中纖維絲的計算厚度為0.153mm～0.391mm，浸漬了浸漬料后的實際厚度為0.45mm～0.65mm。
2.權利要求1所述纖維薄板用于混凝土結構的加固的方法包括——混凝土表面處理；——配制找平材料并對不平整處進行找平處理，對于帶裂縫構件作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；——配制并涂刷粘結膠，所述粘結膠是丁腈膠——雙組分環(huán)氧粘結膠，而且其抗剪強度≥10MPa；——裁剪并粘貼纖維薄板；——表面防護處理。
全文摘要
一種纖維薄板，由碳纖維絲、芳綸纖維絲、或高強玻璃纖維絲編織而成，所述纖維薄板浸漬有浸漬料，所述浸漬料由液態(tài)環(huán)氧樹脂∶固態(tài)環(huán)氧樹脂∶聚酰氨＝0.8－1.3∶0.8－1.3∶0.8－1.3重量組成。所述纖維薄板用于混凝土結構的加固方法包括混凝土表面處理；配制找平材料并對不平整處進行找平處理。對于帶裂縫構件則要作環(huán)氧樹脂灌縫或封縫處理；配制并涂刷粘結膠。裁剪并粘貼纖維薄板；表面防護處理。本發(fā)明可以達到滿足設計要求、結構簡單、力學性能好、尺寸自如、適應性好、施工工期短、節(jié)省材料、成本降低等效果。
文檔編號D06N7/00GK1563557SQ20041002674
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月5日 優(yōu)先權日2004年4月5日
發(fā)明者黃培彥, 曾竟成 申請人:華南理工大學