談碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理

  1.前言 

  碳纖維增強(qiáng)材料,簡稱碳纖維,是近十年來在發(fā)達(dá)國家新興的一種加固混凝土結(jié)構(gòu)的新材料,以其優(yōu)異的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域日漸受寵,被人們稱為“結(jié)構(gòu)加固的新星”。采用碳纖維加固技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn): 

  1.1強(qiáng)度高。碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上,遠(yuǎn)高于鋼材;抗拉彈性模量為230000~430000MPa,亦高于鋼材。因此它的比強(qiáng)度(即材料的強(qiáng)度與其密度之比)可達(dá)到2000MPa/g/cm3以上,而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/g/cm3左右,比模量也比鋼材高。 

  1.2 施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構(gòu)件不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料,易于操作,施工周期短,經(jīng)濟(jì)性好。 

  1.3 抗酸堿鹽類介質(zhì)的腐蝕,應(yīng)用面廣。加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性,可以應(yīng)用于各種工作環(huán)境的構(gòu)件加固。 

  1.4 可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫,延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。 

  1.5 易于保持結(jié)構(gòu)原狀,基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。 

  2.材料 

  碳纖維加固鋼筋混凝土技術(shù)所涉及的材料主要有兩種:一是碳纖維布;二是配套樹脂類粘結(jié)材料。 

  2.1碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP) 

  CFRP乃英文Carbon Fibire Reinforcement Polymer 的首字母縮寫,意為碳纖維增強(qiáng)材料。碳纖維絲的產(chǎn)生,是通過氧化有機(jī)聚合物(通常是聚丙稀硝胺纖維或乳化瀝青),只留下碳素材料,其碳原子沿原有纖維長度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲由3000~12000個(gè)碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成,其粗細(xì)僅相當(dāng)于人的1根頭發(fā)絲。 

  碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等,根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中應(yīng)用量最大和最普通的還是碳纖維布。

  2.2配套樹脂類粘結(jié)材料(粘結(jié)劑) 

  粘結(jié)材料是施工成功的重要保證。為了使被加固構(gòu)件與碳纖維布共同受力,要求粘結(jié)劑對被粘貼界面和碳纖布有較高的粘結(jié)力和強(qiáng)度,抗拉、抗壓特別是粘貼抗剪強(qiáng)度應(yīng)高于混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度,而且粘結(jié)材料對界面和碳纖維布都要有良好的滲透性和相容性,還能夠抗沖擊、耐疲勞抗老化等。 
  采用碳纖維片材對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)時(shí),通常選用配套底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂,所選材料除滿足上述要求外,尚應(yīng)滿足施工簡易的要求。一般要求底層樹脂及找平材料的正拉結(jié)強(qiáng)度大于2.5MPa且不小于被加固混凝土拉結(jié)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值ftk

  3.碳纖維的補(bǔ)強(qiáng)、加固原理  [Page]

  粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面,使兩者共同工作,提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的(抗彎、抗剪)承載能力。 

  用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍;但是,碳纖維材料織成碳纖維布后,其中的各碳纖維絲很難完全共同工作,在承受較低的荷載時(shí),一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài),以此類推,各碳纖維絲逐漸斷裂,直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后,各碳纖維絲能很好地共同工作,大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度,故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作,因此粘結(jié)劑對碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用,它既要確保各碳纖維絲共同工作,同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作,從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、加固的目的。 

  值得注意的是,使用碳纖維進(jìn)行加固時(shí),具體粘貼層數(shù)要通過計(jì)算確定,考慮到各層的共同工作系數(shù),抗疲勞的能力和避免脆性破壞,一般不宜超過5層。另外,從受力性能角度而言,單層優(yōu)于多層,窄幅優(yōu)于寬幅;必要時(shí)縱向可以搭接,搭接長度不能少于100mm,而且要保證碳纖維端部有可靠的錨固,除計(jì)算要求外,還應(yīng)有必要的構(gòu)造措施。 

  4.碳纖維布在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的機(jī)理分析 

  碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用廣泛,適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ),如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu),要求基層混凝土的強(qiáng)度等級不低于C15即可,這里著重介紹碳纖維布加固鋼筋混凝土抗彎、抗剪、抗震構(gòu)件的機(jī)理作用,其它從略。 

  4.1 碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件。 

  鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固,是通過將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū),代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能,從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后,在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂前,碳纖維的應(yīng)變很??;在混凝土開裂后,碳纖維布逐漸參與共同工作,應(yīng)變增長加快;而在鋼筋屈服后,碳纖維布充分發(fā)揮作用,應(yīng)變增長迅速加快,其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。 

  4.2 碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件。 

  鋼筋混凝土的抗剪加固,是將碳纖維粘貼于構(gòu)件的受剪區(qū),這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構(gòu)件屈服前,碳纖維的應(yīng)變發(fā)展緩慢,所達(dá)到的最大應(yīng)變值也較??;在構(gòu)件屈服后,箍筋的作用逐漸被碳纖維代替,碳纖維的應(yīng)變發(fā)展加快,應(yīng)變值要高于箍筋的應(yīng)變值,而箍筋所起的約束作用減小,其應(yīng)變發(fā)展緩慢。 

  4.3 碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。 

  應(yīng)用碳纖維對混凝土柱進(jìn)行抗震加固,是通過用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來提高其延性而實(shí)現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用,這種約束是一種被動(dòng)約束,隨著混凝土柱軸向壓力的增大,橫向膨脹促使外包碳纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長,從而提高側(cè)向約束力。約束機(jī)制取決于兩個(gè)因素:混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過程:第一階段,混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段,橫向變形小,故碳纖維橫向變形也很小,分界點(diǎn)在素混凝土峰值應(yīng)力附近;第二階段,構(gòu)件達(dá)到極限承載力后,混凝土橫向膨脹變形急劇增加,碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增長,環(huán)向約束力增加,混凝土極限壓應(yīng)變得以提高,因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎,充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能,顯著改善了構(gòu)件的延性。 

  我國是一個(gè)地震多發(fā)國家,建筑物的抗震加固技術(shù)是工程抗震領(lǐng)域研究與應(yīng)用的一個(gè)重要方面。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土技術(shù)對混凝土柱的抗震加固在工程中應(yīng)用最多。

  5.結(jié)語 

  粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù),已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用,并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益,我國已經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程(即《CECS146-2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》),為這門技術(shù)的應(yīng)用和健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。   原作者: 青年人   
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2024-12-24 08:48:42