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淺談碳纖維布加固混凝土結構的技術原理
來源:南京固泰建筑安裝工程有限公司 | 發布時間:2013-3-29 | 瀏覽次數:

 

淺談碳纖維布加固混凝土結構的技術原理
 
  1.前言
  碳纖維增強材料,簡稱碳纖維,是近十年來在發達國家新興的一種加固混凝土結構的新材料,以其優異的力學性能在工程領域日漸受寵,被人們稱為結構加固的新星。采用碳纖維加固技術具有如下幾個特點:
  1.1強度高。碳纖維片材的抗拉強度一般都在3500MPa以上,遠高于鋼材;抗拉彈性模量為230000430000MPa,亦高于鋼材。因此它的比強度(即材料的強度與其密度之比)可達到2000MPa/g/cm3以上,而Q235鋼的比強度僅為59MPa/g/cm3左右,比模量也比鋼材高。
   1.2 施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構件不需大型施工機構及周轉材料,易于操作,施工周期短,經濟性好。
   1.3 抗酸堿鹽類介質的腐蝕,應用面廣。加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性,可以應用于各種工作環境的構件加固。
  1.4 可以有效的封閉混凝土結構的裂縫,延長結構的使用壽命。
   1.5 易于保持結構原狀,基本不增加結構自重及截面尺寸。
  2.材料
  碳纖維加固鋼筋混凝土技術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材料。
  2.1碳纖維增強材料(CFRP
   CFRP乃英文Carbon Fibire Reinforcement Polymer 的首字母縮寫,意為碳纖維增強材料。碳纖維絲的產生,是通過氧化有機聚合物(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300012000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成,其粗細僅相當于人的1根頭發絲。
  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,根據不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中應用量最大和最普通的還是碳纖維布(片材)。表1列出了我國《CECS1462003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》規定的碳纖維布的主要力學性能指標要求。
 
 1 碳纖維片材的主要力學性能指標
性能項目
碳纖維片
碳纖維板
抗拉強度標準值fcfk
≥3000MPa
≥2000 MPa
彈性模量Ecf
≥2.1x105 MPa
≥1.4x105 MPa
伸長率
≥1.5
≥1.5
  2.2配套樹脂類粘結材料(粘結劑)
  粘結材料是施工成功的重要保證。為了使被加固構件與碳纖維布共同受力,要求粘結劑對被粘貼界面和碳纖布有較高的粘結力和強度,抗拉、抗壓特別是粘貼抗剪強度應高于混凝土相應的強度,而且粘結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構進行加固修復時,通常選用配套底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結樹脂,所選材料除滿足上述要求外,尚應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強度大于2.5MPa且不小于被加固混凝土拉結強度的標準值ftk,而浸漬樹脂和粘結樹脂性能指標則應達到表2的要求。
  2浸漬樹脂和粘結樹脂性能指標
抗剪強度
拉伸強度
壓縮強度
彎曲強度
正粘結強度
彈性模量
伸長率
≥10MPa
≥30MPa
≥70MPa
≥40MPa
≥2.5MPa
≥1500MPa
1.5
  3.碳纖維的補強、加固原理
  粘貼碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面,使兩者共同工作,提高結構構件的(抗彎、抗剪)承載能力。
  用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能,其抗拉強度約為普通鋼材的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,一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態,以此類推,各碳纖維絲逐漸斷裂,直至整體破壞。而使用粘結劑后,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,因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用,它既要確保各碳纖維絲共同工作,同時又確保碳纖維布與結構共同工作,從而達到補強、加固的目的。
  值得注意的是,使用碳纖維進行加固時,具體粘貼層數要通過計算確定,考慮到各層的共同工作系數,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,單層優于多層,窄幅優于寬幅;必要時縱向可以搭接,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,除計算要求外,還應有必要的構造措施。
  4.碳纖維布在混凝土結構加固中的機理分析
  碳纖維加固技術應用廣泛,適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補,如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構,要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可,這里著重介紹碳纖維布加固鋼筋混凝土抗彎、抗剪、抗震構件的機理作用,其它從略。
  4.1 碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構件。
  鋼筋混凝土受彎構件的抗彎加固,是通過將碳纖維布粘貼于構件受拉區,代替或補充鋼筋的受拉性能,從而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后,在構件受拉區混凝土開裂前,碳纖維的應變很;在混凝土開裂后,碳纖維布逐漸參與共同工作,應變增長加快;而在鋼筋屈服后,碳纖維布充分發揮作用,應變增長迅速加快,其高強高效的性能得以充分體現。
   4.2 碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構件。
  鋼筋混凝土的抗剪加固,是將碳纖維粘貼于構件的受剪區,這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構件屈服前,碳纖維的應變發展緩慢,所達到的最大應變值也較;在構件屈服后,箍筋的作用逐漸被碳纖維代替,碳纖維的應變發展加快,應變值要高于箍筋的應變值,而箍筋所起的約束作用減小,其應變發展緩慢。
  4.3 碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。
  應用碳纖維對混凝土柱進行抗震加固,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現的。碳纖維的主要作用是對其內部混凝土起到了約束作用,這種約束是一種被動約束,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生環向伸長,從而提高側向約束力。約束機制取決于兩個因素:混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現出兩階段受力過程: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,分界點在素混凝土峰值應力附近;第二階段,構件達到極限承載力后,混凝土橫向膨脹變形急劇增加,碳纖維環向應變顯著增長,環向約束力增加,混凝土極限壓應變得以提高,因而推遲了受壓區混凝土的壓碎,充分發揮了縱向鋼筋的塑性變形性能,顯著改善了構件的延性。
  我國是一個地震多發國家,建筑物的抗震加固技術是工程抗震領域研究與應用的一個重要方面。碳纖維補強加固混凝土技術對混凝土柱的抗震加固在工程中應用最多。
  5.結語
  粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術,已經得到較為廣泛的應用,并已產生較大的經濟效益,我國已經制定了相關的技術標準及規程(即《CECS1462003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》),為這門技術的應用和健康發展奠定了基礎。
 
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