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碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-03-12  來源:復(fù)材應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)  瀏覽次數(shù):31

      我國在結(jié)構(gòu)加固和補(bǔ)強(qiáng)方面做了大量的研究和實(shí)踐,工程中常用的結(jié)構(gòu)加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法等。傳統(tǒng)的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復(fù)雜,對結(jié)構(gòu)的自重和使用面積有一定的影響,而粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕、施工便捷、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點(diǎn),在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

  1、碳纖維復(fù)合材料加固原理

  碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法,其研究始于20世紀(jì)80年代,自1996年引入我國,立即受到了工程界的關(guān)注,成為了研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)是將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面,通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作,達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。

  2、碳纖維復(fù)合材料

  混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固修復(fù)所用碳纖維材料主要有兩種:碳纖維材料和配套樹脂。碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點(diǎn),其抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的十倍左右,彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量;配套樹指則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂,前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量,而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合材料體,并且共同工作,提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力,達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。

  2.1碳纖維布

  碳纖維布按碳纖維原絲不同主要可以分為:PAN基碳纖維布;黏膠基碳纖維布;瀝青基碳纖維布。

  碳纖維布按碳纖維規(guī)格不同主要可以分為:1K碳纖維布、3K碳纖維布、6K碳纖維布、12K碳纖維布、24K及以上大絲束碳纖維布。  碳纖維布按碳纖維炭化不同主要可以分為:石墨化碳纖維布、碳纖維布、預(yù)氧化碳纖維布。  碳纖維布按織造方式的不同主要可以分為:機(jī)織碳纖維布、針織碳纖維布、編織碳纖維布、碳纖維預(yù)浸布等等。

   碳纖維布加固依據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖、構(gòu)件的腐蝕情況、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)際檢測強(qiáng)度、《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》等資料,考慮提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗彎(抗壓、抗拉)強(qiáng)度等級,對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

  2.2加固粘結(jié)材料

  碳纖維片材加固膠粘材料一般包括三種膠,按用途分它們各自的作用分別是:1、底涂膠(又稱底層樹脂):涂刷于混凝土基層上,強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度,從而使混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)性得到提高。2、修補(bǔ)膠(又稱整平材料或膩?zhàn)樱赫交炷帘砻?,便于碳纖維片材的粘貼。3、浸漬樹脂(又稱浸漬樹脂):將碳纖維片材結(jié)合在一起,使之呈板狀硬化物;同時(shí)將碳纖維與混凝土粘接在一起,也形成一個(gè)復(fù)合整體,共抵抗外力。三種膠粘劑之中,浸漬樹脂最為重要,它的性能直接決定碳纖維片材能否有效地加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。

  3、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能

  (1)高強(qiáng)度高彈性模量。碳纖維的強(qiáng)度高,極限抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10 倍,彈性模量和鋼材相近。

  (2)抗腐蝕能力強(qiáng)、耐久性好。碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性和耐久性。

   (3)熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小,其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零。 

     (4)施工簡便,工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機(jī)械和重型設(shè)備,施工占用場地少,無濕作業(yè),碳纖維布柔性好,可以任意裁剪,操作簡單,施工速度快。

  (5)施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料,即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整,經(jīng)過修補(bǔ)后,有效粘貼率可達(dá)到95%以上。

  (6)對結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕,厚度薄,經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件,基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸,不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。

  (7)適用范圍廣??捎糜诓煌Y(jié)構(gòu)類型、不同結(jié)構(gòu)形狀、不同材料的構(gòu)件加固,也可用于構(gòu)件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

  4、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

  在實(shí)際工程中,用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較成熟,主要集中在以下幾個(gè)方面。

  (1)提高受剪承載力

    碳纖維布對構(gòu)件抗剪的貢獻(xiàn)類似于箍筋的作用,與混凝土共同承受剪力。另外,碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用,并能承擔(dān)拉應(yīng)力,防止主筋過早屈服,抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此,碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力,增強(qiáng)構(gòu)件的變形能力。

   (2)提高受彎承載力

  由于碳纖維布具有抗拉強(qiáng)度高的特性,可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層,使之與混凝土共同承擔(dān)拉應(yīng)力,以提高構(gòu)件的受彎承載力,達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。粘貼碳纖維布后,受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高,有效的抑制了裂縫的開展,構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善。

  (3)提高抗震能力

  由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開裂,提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力,當(dāng)需要提高構(gòu)件的抗震能力時(shí),亦可用碳纖維布進(jìn)行增強(qiáng)和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱,往往要求進(jìn)行構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點(diǎn)范圍,或?qū)︿摻罨炷林M(jìn)行包裹,可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性,增加耗能能力,具有良好的抗震加固效果。

  (4)提高抗疲勞能力

  用碳纖維布進(jìn)行鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的加固,經(jīng)200 萬次重復(fù)荷載作用后,加固構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度不會降低,也不會發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象。如果采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的形式,預(yù)應(yīng)力碳纖維布的存在,使構(gòu)件中縱筋的應(yīng)力幅值有所降低,減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應(yīng)力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應(yīng)使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高,疲勞變形有所減小,構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大提高,從而延長構(gòu)件的使用壽命。

  5、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的不足

  (1)碳纖維是一種線彈性脆性材料,只有當(dāng)構(gòu)件發(fā)生較大變形時(shí),才能充分發(fā)揮其高強(qiáng)高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對變形有比較嚴(yán)格的控制,在一定程度上限制了碳纖維復(fù)合材料能力的發(fā)揮。

  (2)碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后,容易發(fā)生粘貼剝離破壞,使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài),對結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。

  (3)目前對碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少,在類似方面應(yīng)用時(shí)缺少專門研究。

  (4)對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機(jī)理和計(jì)算方法已有了成熟的研究和應(yīng)用成果,但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。

  總之,碳纖維材料加固技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益,隨著碳纖維材料的發(fā)展、生產(chǎn)成本的降低及國內(nèi)外碳纖維材料加固技術(shù)研究的不斷深入,該項(xiàng)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛,具有廣闊的發(fā)展前景。
 
關(guān)鍵詞: 碳纖維 復(fù)合材料
 
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