談碳纖維復(fù)合材料在土木建筑中的應(yīng)用

:纖維增強(qiáng)塑料(F R P )是土木工程應(yīng)用的熱點(diǎn),而碳纖維(C F R P )以其良好的物理力學(xué)性能使其應(yīng)用最廣泛、最成熟,本文對(duì)C F R P在土木工程中應(yīng)用給以總結(jié),并進(jìn)一步指出目前存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:C F R P ;混凝土結(jié)構(gòu);加固

    纖維增強(qiáng)塑料包括碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等,這些復(fù)合材料一般具有耐腐蝕、耐紫外線、輕質(zhì)、高強(qiáng)和非磁性等特點(diǎn),作為工程材料在80 年代初其物理力學(xué)性能有了突破性的改善和提高。碳纖維材料由于性能優(yōu)于其他復(fù)合材料而脫穎而出。C F R P 最初應(yīng)用局限于航天、軍事和船舶工程,后來(lái)范圍逐步擴(kuò)大到土木工程領(lǐng)域,加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)是自80 年代末至90 年代初在初在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家興起的一項(xiàng)新技術(shù),目前這項(xiàng)技術(shù)已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。除此之外,C F R P作為一種新的增強(qiáng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系正在研究和應(yīng)用。

1 CFRP 增強(qiáng)塑料的優(yōu)越使用性能

1 .1 碳纖維的特點(diǎn)及力學(xué)性能

    碳纖維是具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能的新材料,也是目前性能最好,用途最多的增強(qiáng)纖維。在土木工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)中,使用較多的碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維片材。目前,在我國(guó)應(yīng)用最多的是日本生產(chǎn)的碳纖維片。這種碳纖維片有單向片、單向預(yù)浸片、單向織布、雙向織布等 。C F R P 增強(qiáng)塑料是指預(yù)浸料碳纖維(C F ),其性能指標(biāo)包括在物理力學(xué)性能方面要求其抗拉強(qiáng)、彈性模量、延伸率等,在施工性和使用耐久性方面主要要求其密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性等指標(biāo)要求。碳纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度是普通建筑鋼材的十幾倍,彈性模量與建筑鋼材在同一水平上并略高,最大可達(dá)鋼材的兩倍左右,具有良好的耐久性和耐腐蝕性。

1.2 碳纖維的加固應(yīng)用實(shí)例

    到目前為止,碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應(yīng)用最多,相應(yīng)計(jì)算理論也較為成熟。在受彎加固時(shí),應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與受拉區(qū)的拉應(yīng)力方向一致,在受剪加固時(shí),應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與混凝土中主拉應(yīng)力方向一致,但為了施工方便,可采用纖維方向與構(gòu)件縱軸垂直的方法進(jìn)行加固,抗震加固時(shí),應(yīng)使碳纖維布封閉纏繞在柱上,可以較好地提高抗震性能,除此以外,碳纖維片材也可沿構(gòu)件軸向粘貼用于受拉構(gòu)件的加固、沿環(huán)向粘貼用于軸心受壓構(gòu)件的加固,在受彎加固時(shí),也可采用對(duì)碳纖維片材施加預(yù)應(yīng)力的方法以提高加固效果,碳纖維片材也可用于剪力墻,以及殼體、筒倉(cāng)、煙囪等特種結(jié)構(gòu)的加固,這些加固方法經(jīng)研究表明是有效的。

    應(yīng)用實(shí)例:北海天海閣假日酒店改造工程,由兩棟2 2 層的高層公寓和裙樓組成,因原設(shè)計(jì)為商住樓,現(xiàn)因開(kāi)發(fā)需要改為度假式酒店工程,要求對(duì)地下室和裙樓部份的剪力墻進(jìn)行開(kāi)洞補(bǔ)強(qiáng), 共開(kāi)剪力墻洞口八個(gè)(2200 * 2200 )均采用了碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)的施工方法;另屋頂水箱間樓板因使用需要改為設(shè)備間,亦對(duì)樓板進(jìn)行了加固,板面采用疊合加固法(板厚100mm ),板底采用碳纖維布加固的方法。實(shí)踐證明加固效果是有效和良好的。

2 CFRP 增強(qiáng)塑料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2. 1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

    將短切碳纖維加入新混凝土中,制成碳纖維混凝土用于新結(jié)構(gòu)已有一定的工程應(yīng)用;將碳纖維長(zhǎng)絲制成棒材,在新混凝土中代替鋼筋用于新建結(jié)構(gòu),主要用于海洋工程結(jié)構(gòu)及需電磁波透過(guò)的工程結(jié)構(gòu);將碳纖維加工成束狀或繩狀,用于大型土木工程的拉索或懸索結(jié)構(gòu),該方面應(yīng)用在錨具連接上尚未能很好地解決,仍有一定的應(yīng)用;在新建結(jié)構(gòu)中與混凝土一起做成預(yù)制混凝土板或大跨梁、架等,具有強(qiáng)度高,質(zhì)量輕和耐腐蝕及耐久性等優(yōu)點(diǎn),已有部分工程應(yīng)用;應(yīng)用于各種公路路面工程中,可以極大地提高公路的質(zhì)量及耐久性,已有較多的工程實(shí)例;將碳纖維做成布織物或織物,用于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ),有大量的工程應(yīng)用,其技術(shù)已基本成熟。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

    CFRP 加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)起步較晚,但最近幾年系統(tǒng)地對(duì)CFRP 用于加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究也呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢(shì),最初僅有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心一個(gè)單位,相繼有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)等十余家高等學(xué)校和科研設(shè)計(jì)單位嘗試地進(jìn)行過(guò)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口碳纖維織物加固混凝土構(gòu)件主要包括板、梁、柱等的模型實(shí)驗(yàn)、加固施工工藝及加固性能評(píng)價(jià)等方面的研究,已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性成果,并在工業(yè)與民用建筑、橋梁與隧道以及公路工程中得到具體的應(yīng)用,收到了良好的效果,現(xiàn)在部分單位著手從事纖維增強(qiáng)材料加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的研究。該課題已列入建設(shè)部研究開(kāi)發(fā)課題及國(guó)家科技部“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題。目前這項(xiàng)工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月,國(guó)家工程中心已制作了一些試件,分為2 0余個(gè)工況,取得了構(gòu)件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行了多項(xiàng)工程的試點(diǎn)與推廣。相信碳纖維增強(qiáng)材料在國(guó)內(nèi)將有廣闊的發(fā)展前景。

3 目前存在的問(wèn)題

3 .1力學(xué)研究方面存在的問(wèn)題

    CFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是得到國(guó)際上普遍認(rèn)同的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn),其力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,然而,截至目前這方面工作還存在一些問(wèn)題:

(1)盡管對(duì)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究,但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計(jì)算研究卻很有限。而這對(duì)于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的。

(2 )CFRP 加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式,如鋼筋屈服-CFRP 斷裂破壞、鋼筋屈服-混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和CFRP 板于混凝土面的黏結(jié)破壞等各類破壞特性,尚需深入研究。

(3)盡管對(duì)CFRP 加強(qiáng)構(gòu)件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,但有關(guān)它們的綜合因素對(duì)加固材料的登記、數(shù)量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。

(4)有關(guān)疲勞和抗震性能的研究不足,這對(duì)于評(píng)價(jià)加固結(jié)構(gòu)的綜合性能,預(yù)測(cè)其二次壽命至關(guān)重要。

(5)CFRP 加強(qiáng)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)其它部分或整體的協(xié)調(diào)性如何,荷載的重分布而引起的局部破壞可能、連接點(diǎn)的削弱程度等,尚待研究。

3. 2 尚待解決的技術(shù)關(guān)鍵

(1)材料的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。盡管國(guó)外已有多種定型的碳纖維材料產(chǎn)品,但國(guó)內(nèi)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用不能完全依賴于進(jìn)口產(chǎn)品,從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來(lái)講,國(guó)產(chǎn)化是必須的條件,目前國(guó)內(nèi)的P A N 基碳纖維強(qiáng)度一般在2000~3000Mpa 之間,彈性模量在2.1x105Mpa左右,其性能基本滿足加固要求,但在預(yù)浸料的生產(chǎn)和加工成品的質(zhì)量方面仍有較大的欠缺,均勻性也較差。因此材料的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)CFRP 加固修補(bǔ)使用的技術(shù)方面的問(wèn)題,這主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的制定上,盡管國(guó)際上一些國(guó)家已有了較完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程,但并不適合我國(guó),我們應(yīng)及早制定出自己的標(biāo)準(zhǔn)和施工指南,包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)、加固設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程施工與驗(yàn)收的一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

    CFRP 加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功后,將會(huì)給土木建筑領(lǐng)域加固改造技術(shù)帶來(lái)重大變革,采用碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)將比以往從傳統(tǒng)的技術(shù)更優(yōu)越、更有效率和更方便經(jīng)濟(jì),可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問(wèn)題,具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。CFRP 加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功,將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應(yīng)用于建筑業(yè)打下深厚的基礎(chǔ),開(kāi)辟了新的產(chǎn)業(yè)途徑。同時(shí)將會(huì)極大地帶動(dòng)我國(guó)碳纖維高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步,也為力學(xué)研究工作拓寬了領(lǐng)域,然而,新的加固結(jié)構(gòu)體系集合了復(fù)合材料與鋼筋混凝土的綜合特點(diǎn),要求力學(xué)工作者要與材料學(xué)家和結(jié)構(gòu)工程師聯(lián)合,探討宏微觀結(jié)合的結(jié)構(gòu)力學(xué)和基于新體系的材料損傷破壞力學(xué),建立新體系的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),為制定加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范提供理論依據(jù),以推動(dòng)復(fù)合材料加固技術(shù)的發(fā)展與完善。

 

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