碳纤维复合材料加固混凝土结构技术研究

2019-08-12 版权声明 举报文章

世界城市的发展已有五千多年的历史,自19世纪中叶开始使用后,由于混凝土和钢筋材料性能的不断改进,结构理论、施工技术的进步使钢筋混凝土结构得到迅速发展,目前已经广泛应用于城市化进程中的土木工程领域。现有部分建筑物由于受到建造年代、结构使用功能改变、技术条件或自然灾害等因素的影响,出现承载力不足、变形能力变差、抗震能力降低或抗疲劳能力下降等现象,不能满足现行《混凝土结构设计规范》和《建筑结构抗震设计规范》的要求,因此,需要对其进行加固、补强。

我国在结构加固和补强方面做了大量的研究和实践,工程中常用的结构加固方法有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法等。传统的加固方法整体水平比较落后、施工方法和施工工艺比较复杂,对结构的自重和使用面积有一定的影响,而粘贴碳纤维复合材料加固法具有高强高效、耐腐蚀、施工便捷、不增加结构尺寸等优点,在工程中得到了广泛的应用。

1、碳纤维复合材料加固原理

碳纤维加固混凝土结构是一种新型的混凝土结构加固方法,其研究始于20世纪80年代,自1996年引入我国,立即受到了工程界的关注,成为了研究和应用的热点。碳纤维加固修复混凝土结构是将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面,通过其与结构或构件的协同工作,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2、碳纤维复合材料

混凝土结构构件加固修复所用碳纤维材料主要有两种:碳纤维材料和配套树脂。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点,其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右,弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量;配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂,前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量,而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合材料体,并且共同工作,提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力,达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1碳纤维布

碳纤维布按碳纤维原丝不同主要可以分为:PAN基碳纤维布;黏胶基碳纤维布;沥青基碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维规格不同主要可以分为:1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布、24K及以上大丝束碳纤维布。 碳纤维布按碳纤维炭化不同主要可以分为:石墨化碳纤维布、碳纤维布、预氧化碳纤维布。 碳纤维布按织造方式的不同主要可以分为:机织碳纤维布、针织碳纤维布、编织碳纤维布、碳纤维预浸布等等。

碳纤维布加固依据结构施工图、构件的腐蚀情况、结构或构件的实际检测强度、《混凝土结构加固技术规程》等资料,考虑提高结构或构件的抗弯(抗压、抗拉)强度等级,对结构或构件进行加固设计。

2.2加固粘结材料

碳纤维片材加固胶粘材料一般包括三种胶,按用途分它们各自的作用分别是:1、底涂胶(又称底层树脂):涂刷于混凝土基层上,强化混凝土表面强度,从而使混凝土与碳纤维之间的粘结性得到提高。2、修补胶(又称整平材料或腻子):整平混凝土表面,便于碳纤维片材的粘贴。3、浸渍树脂(又称浸渍树脂):将碳纤维片材结合在一起,使之呈板状硬化物;同时将碳纤维与混凝土粘接在一起,也形成一个复合整体,共抵抗外力。三种胶粘剂之中,浸渍树脂最为重要,它的性能直接决定碳纤维片材能否有效地加固补强混凝土结构。

3、碳纤维复合材料加固混凝土结构的优良性能

(1)高强度高弹性模量。碳纤维的强度高,极限抗拉强度约为钢材的10 倍,弹性模量和钢材相近。

(2)抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定,不与酸、碱、盐等化学物质发生反应,因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。

(3)热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小,其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零。

(4)施工简便,工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备,施工占用场地少,无湿作业,碳纤维布柔性好,可以任意裁剪,操作简单,施工速度快。

(5)施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料,即使被加固构件的表面不是非常平整,经过修补后,有效粘贴率可达到95%以上。

(6)对结构影响小。碳纤维材料重量轻,厚度薄,经加固修补后的构件,基本上不增加原结构的自重及尺寸,不影响结构的使用空间。

(7)适用范围广。可用于不同结构类型、不同结构形状、不同材料的构件加固,也可用于构件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纤维复合材料加固混凝土结构的应用

在实际工程中,用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟,主要集中在以下几个方面。

(1)提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用,与混凝土共同承受剪力。另外,碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用,并能承担拉应力,防止主筋过早屈服,抑制剪切裂缝的出现和发展。因此,碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力,增强构件的变形能力。

(2)提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性,可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层,使之与混凝土共同承担拉应力,以提高构件的受弯承载力,达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后,受弯构件的受弯承载能力明显提高,有效的抑制了裂缝的开展,构件的变形能力和延性性能得到显著改善。

(3)提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂,提高构件的刚度和抵抗变形的能力,当需要提高构件的抗震能力时,亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱,往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围,或对钢筋混凝土柱进行包裹,可以明显改善结构中混凝土构件的延性,增加耗能能力,具有良好的抗震加固效果。

(4)提高抗疲劳能力

用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固,经200 万次重复荷载作用后,加固构件的强度和刚度不会降低,也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式,预应力碳纤维布的存在,使构件中纵筋的应力幅值有所降低,减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高,疲劳变形有所减小,构件的疲劳抗裂性能得到较大提高,从而延长构件的使用寿命。

5、碳纤维复合材料加固混凝土结构的不足

(1)碳纤维是一种线弹性脆性材料,只有当构件发生较大变形时,才能充分发挥其高强高弹模的性能。而混凝土结构对变形有比较严格的控制,在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥。

(2)碳纤维布加固混凝土结构后,容易发生粘贴剥离破坏,使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态,对结构的可靠度水平有所影响。

(3)目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少,在类似方面应用时缺少专门研究。

(4)对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果,但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏。

总之,碳纤维材料加固技术具有良好的经济效益、社会效益和环境效益,随着碳纤维材料的发展、生产成本的降低及国内外碳纤维材料加固技术研究的不断深入,该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛,具有广阔的发展前景。

参考文献:

[1].《混凝土结构加固技术规范》 CECS25:90

[2].《建筑抗震加固技术规程》 JGJ116-98

[3].《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146:2003

[4].《纤维片材加固修复结构用粘结树脂》 JG/T166-2004

作者简介:姓名:田凯,年龄,30,性别:男,籍贯河南平顶山,职位 教师,就职于河南质量工程职业学院,郑州大学在职研究生,研究方向,结构工程

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