碳纖維布在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 碳纖維布在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用 摘要：由于自然環(huán)境、施工質(zhì)量和實際使用各種因素的影響，已建混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能會出現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、承載能力不足，砼表面裂縫等問題，這些混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件除少數(shù)為必須拆除重建才能滿足需要以外，絕大部分可以通過加固改造就能提高或者改善結(jié)構(gòu)承載能力，由此而達(dá)到結(jié)構(gòu)安全和滿足使用要求。本文簡要簡要介紹了碳纖維的材料性能，加固原理及優(yōu)點，分別闡述了碳纖維在混凝土梁加固、框架柱加固、大型預(yù)制空心樓板加固等工程中的應(yīng)用情況，并對碳纖維加固工藝及應(yīng)注意事項作了具體說明，以促進(jìn)該加固技術(shù)的推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：碳纖維，工程加固，技術(shù)原理，施工工藝，注意事項前

2、言 近年來，人們對結(jié)構(gòu)的安全性，使用性和耐久性要求不斷增強(qiáng)，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護(hù)和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化，化學(xué)腐蝕，社會需求的變化，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高等，這些出現(xiàn)問題的建筑物，當(dāng)實際情況不允許推倒重建時，則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，碳纖維材料在建筑工程中的應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)各大學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)研究的熱點。碳纖維布結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù), 它是利用樹脂類專用粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面, 以達(dá)到對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維材料(CFRP) 用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80 年代美、日等發(fā)

3、達(dá)國家, 在我國起步則比較晚。高強(qiáng)碳纖維布與結(jié)構(gòu)膠粘劑配套使用, 適用于混凝土結(jié)構(gòu)、木質(zhì)結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固可大幅度提高構(gòu)件的承載力、抗震性能和耐久性。廣泛應(yīng)用于橋梁加固、工業(yè)與民用建筑加固。1 碳纖維的材料性能1.1 碳纖維布的材料性能 1)碳纖維布的物理機(jī)械性能。高強(qiáng)度碳纖維片可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，同時也提高了鋼筋的屈服荷載。采用高模量的碳纖維，構(gòu)件的承載能力將進(jìn)一步提高，同時可減少粘結(jié)碳纖維布的層數(shù)，并且可以控制和減少撓度?？梢杂行У卦黾踊炷翗?gòu)件的承載能力。2)碳纖維布的耐久性能。碳纖維布按10000h加速試驗相當(dāng)于自然條件老化，碳纖維的抗拉強(qiáng)度基本沒有降低，并且經(jīng)過2 000 h的加速

4、老化試驗，粘結(jié)碳纖維的剝離粘結(jié)強(qiáng)度也沒有降低?；炷裂a(bǔ)強(qiáng)試件從-20 -50，3 h內(nèi)10次循環(huán)浸漬，其抗彎強(qiáng)度不發(fā)生變化。1.2 粘結(jié)碳纖維用樹脂性能 碳纖維是通過樹脂的粘結(jié)來達(dá)到整體作用的，因此樹脂的性能直接關(guān)系到加固的效果。目前，普遍使用的粘結(jié)樹脂一般是環(huán)氧類樹脂?？傊祭w維具有：1)高強(qiáng)高效：抗拉強(qiáng)度2500 MPa3500 MPa，彈性模量235GPa。2)重量輕、厚度?。罕戎?.8g/ ，每層厚0.1 mm0.2 mm。3)高耐久性：不會生銹,非常適合各種高酸、高堿、鹽等環(huán)境使用等優(yōu)點。2 碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)原理 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，其抗

5、拉強(qiáng)度是普通鋼筋的l0倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維材料主要有2種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的lO倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些種類碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的2倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好地加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、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復(fù)合性整體，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。利用碳纖維布極強(qiáng)的抗拉性能，采用高性能的環(huán)氧類粘結(jié)劑，按照一定的工序?qū)⑻祭w維布粘貼在梁、柱、板的表

6、面，使混凝土與碳纖維布形成一體共同作用，使上述構(gòu)件在承受超負(fù)荷時的變形被約束在一個有限的范圍內(nèi)，從而使結(jié)構(gòu)體系不至于破壞。3 加固優(yōu)點碳纖維加固是利用碳纖維布和專用結(jié)構(gòu)膠對構(gòu)件進(jìn)行加固處理，具有以下特點:(1) 抗拉強(qiáng)度高, 是級鋼筋的10 倍以上。(2) 輕質(zhì)、柔軟易粘貼、質(zhì)量易于保證,不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。(3) 廣泛應(yīng)用于梁、柱剪力墻、板的加固, 特別適用于各類曲面結(jié)構(gòu)。(4) 耐久性好, 耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境腐蝕。(5) 可提高柱延性(抗震能力)2至4倍,提高梁板的抗彎能力30%至100%;增強(qiáng)梁、柱抗剪能力30%至80%;提高柱墻承壓能力20%至50%(6) 施工便捷,工效高,

7、沒有濕作業(yè),不需現(xiàn)場固定設(shè)施,施工占用場地少。4 碳纖維在各種混凝土加固工程中的應(yīng)用4.1 碳纖維在混凝土梁加固工程中的應(yīng)用4.1.1 碳纖維加固后混凝土梁的破壞特征 碳纖維布加固后粱的破壞類型有4種：1)受壓區(qū)混凝土壓壞；2)碳纖維布拉斷破壞；3)粘結(jié)破壞(混凝土被拉下)，這類破壞是由于膠作用于混凝土表面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力的組合作用引起水平裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土被拉下，有時甚至梁的整個混凝土保護(hù)層被拉下；4)混凝土一膠界面發(fā)生剝離破壞(撕下的碳纖維上粘的混凝土很少)，這一般是由于膠的性能不理想或施工質(zhì)量不過關(guān)而導(dǎo)致破壞發(fā)生在混凝土一膠界面上。發(fā)生哪種破壞，主要由碳纖維布的錨固性能所決定。

8、梁破壞時，靠近支座處的斜裂縫在底部，該處的碳纖維布有較大的錨固長度，所以，往往發(fā)生碳纖維布被拉斷的破壞。而靠近加載點處的斜裂縫在梁頂部通過，該處碳纖維布的錨固長度很短，所以，往往發(fā)生粘結(jié)破壞。因此，保證錨固性能極其重要。4.1.2 受力特點 采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施后，梁受彎承載力的增長幅度是隨碳纖維布粘貼面積的增加而增大的，但梁受彎承載力的增長也并非與碳纖維布使用面積的增加成正比。當(dāng)碳纖維布粘貼層數(shù)較少時，增長幅度大；隨著碳纖維布層數(shù)的增加，各層碳纖維并不能完全共同工作，部分碳纖維的強(qiáng)度沒有完全發(fā)揮出來。另外，碳纖維布用量的增多，還將改變構(gòu)件的破壞形態(tài)。如粘1層布的梁的破壞始于碳纖維被拉斷，而粘5層

9、布的梁則因受壓區(qū)混凝土被壓碎導(dǎo)致構(gòu)件的最終破壞。通常碳纖維布寬度較小時梁受彎承載力提高較大，其原因是分條后有利于碳纖維布中的各纖維束更好地共同工作，因而碳纖維布分條使用的效率要優(yōu)于整條使用。所以在工程設(shè)計中，不能籠統(tǒng)地認(rèn)為碳纖維布用得越多越好。在碳纖維用量相同的情況下，條帶間距小、層數(shù)少的加固方案要優(yōu)于條帶間距大、層數(shù)多的加固方案。單層條帶加固的試件，破壞類型多數(shù)為碳纖維條在斜裂縫處被撕裂，而包裹兩層碳纖維條的試件，其破壞類型為碳纖維條從混凝土表面剝離。4.1.3 加固對裂縫形態(tài)的影響 碳纖維布加固對梁的開裂荷載影響很小，但隨荷載的增加，碳纖維布要抑制裂縫的發(fā)展，并發(fā)揮更大地作用。由于碳纖維布

10、的約束作用，加固后梁的裂縫發(fā)展較為緩慢，裂縫間距變小，數(shù)量變多，寬度變小。而且在加固后，當(dāng)作用在梁上的荷載較大時，由于在混凝土一膠界面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，所以，即使在純彎段，梁底部也會產(chǎn)生一些斜裂縫，特別是3層碳纖維布加固后的梁，在純彎段產(chǎn)生近于水平的裂縫，若荷載繼續(xù)增大，就容易發(fā)生混凝土被拉下的破壞。4.1.4 施工過程對加固后構(gòu)件強(qiáng)度的影響 碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)后構(gòu)件的剛度在很大程度上取決于碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)的施工過程。它不同于一般的施工過程，如混凝土澆筑的不好，只不過是強(qiáng)度降低而已，而碳纖維的施工方法不正確，則強(qiáng)度為零。因為碳纖維是一種很柔軟的材料，本身并沒有強(qiáng)度，只有將它貼合在含浸樹脂的涂布面上才會

11、產(chǎn)生很大的強(qiáng)度。所以，碳纖維施工方法的正確與否是至關(guān)重要的。4.2 碳纖維加固框架柱的加固機(jī)理 用碳纖維包裹加固框架柱時，碳纖維布的主要作用就是對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，由于碳纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都很高，因此這種約束作用很明顯。當(dāng)混凝土受壓產(chǎn)生橫向變形時，碳纖維布可以約束混凝土變形，加大混凝土的極限壓應(yīng)變，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的破碎，充分發(fā)揮縱筋的塑性變形性能，改善鋼筋混凝土柱的延性，從而提高框架柱的承載力和抗震性能。4.3 碳纖維布在加固大型預(yù)制空心樓板工程中的應(yīng)用 1)加固機(jī)理：用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面。 2)加固材料性能：碳纖維布抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3500MPa

12、,彈性模量為MPa，單向受拉。 3)與混凝土共同工作性能：通過3種粘結(jié)材料粘結(jié)：a底層樹脂浸入混凝土表層；b用找平材料對局部不平處進(jìn)行修復(fù)；c粘結(jié)劑能從纖維絲間滲出，充分包裹纖維束形成一個復(fù)合整體，共同工作性能好。 4)對原結(jié)構(gòu)的影響：一層粘貼厚度為0.5 mm，每層質(zhì)量為400gm600gm，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。 5)施工工效：可按實際所需尺寸現(xiàn)場裁剪，可用于曲面等不規(guī)則形狀的加固；不需大型機(jī)具，輕質(zhì)柔軟，易貼附，便于手工操作；有效粘結(jié)面積可達(dá)95以上，便于檢查，可用肉眼鑒定，局部出現(xiàn)氣泡時可用針管注膠修復(fù)，工效較高。 6)耐久性能和防火性能：碳纖維材料具有優(yōu)異的耐久性能，可耐酸、

13、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕；有防火要求時必須防火遮蓋；工期較短，后期維護(hù)費用較低。5 施工工藝及步驟 1)卸荷:加固前應(yīng)對所加固的構(gòu)件盡可能卸荷。2)放線，按粘貼碳纖維布、鋼板所需寬度用墨線在梁底、梁側(cè)面、剪力墻等需補(bǔ)強(qiáng)的相應(yīng)部位彈出標(biāo)明。3)打批層，按彈線范圍鑿除批層，直到露出混凝土層。4)打磨，用帶砂輪片的角磨機(jī)將露出的混凝土面不平整的地方打磨平整，較平整的混凝土面，可直接用帶打磨的角磨機(jī)打磨。特別注意，有碳纖維片材箍或鋼板箍的梁角用砂輪片打磨成一個圓角(圓角R取15rad一20rad)，不能用錘子直接打出圓角。5)清塵，打磨完成后，用吹塵機(jī)將混凝土面的粉塵吹干凈，然后用半濕的抹布或蘸丙酮的抹

14、布將打磨面擦拭一遍，候干。6)涂底膠，在補(bǔ)強(qiáng)部位涂一遍稀薄的底膠，讓其充分滲進(jìn)混凝土面。7)修補(bǔ)，用環(huán)氧膠泥將待補(bǔ)強(qiáng)的混凝土面孔隙凹凸不平處修補(bǔ)平整。8)粘貼碳纖維布，在修好的混凝土面上，再涂一層粘貼膠，這遍涂膠要稍厚、稠一些，但以不流淌、不下滴為宜。然后馬上粘貼纖維布。操作時一人拿纖維布在前，一人在后滾壓。在前拿纖維布的人要保證纖維布平直，且和混凝土面平行，在后滾壓的人要保證碳纖維充分和混凝土面粘貼在一起，不能出現(xiàn)空鼓、氣泡、翹邊等現(xiàn)象。一條纖維布粘貼好以后馬上用鐵滾子在纖維布面沿粘貼方向反復(fù)滾壓，趕出里面的氣泡，并使粘貼膠充分浸漬透纖維布，以纖維布面出膠為準(zhǔn)。9)過1h左右，待碳纖維布粘貼

15、膠稍干時，在纖維布面再刷一層面膠，面膠剛好蓋住纖維布為宜，且不能太厚，不能流淌。30 min后在纖維布面撒上一層干燥的粗砂。6 注意事項 1)主劑及固化劑必須按規(guī)定比例攪拌均勻后才可使用。 2)主、固化劑混合后，應(yīng)在可用時間內(nèi)使用完畢，以免材料膠化無法使用。3)使用后的刮鏟、攪拌器及容器等，應(yīng)于硬化前以丙酮洗凈。4)施工時間，應(yīng)避免與皮膚接觸，必要時得穿上防護(hù)衣及戴上防護(hù)手套。5)碳纖維布加固工程為特種工程，施工工藝有嚴(yán)格要求，須由有經(jīng)驗的專業(yè)隊伍進(jìn)行施工。7 結(jié)語進(jìn)入2l世紀(jì)后，中國在建國初期建成的建筑物由于設(shè)計使用年限的臨近或其他原因的損壞，結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的失效概率大大增加，舊混凝土加固和修復(fù)工作任務(wù)繁重，由于傳統(tǒng)材料如鋼材、混凝土、木材受自身特性的限制而無法在修復(fù)中較好使用，已遭到破壞的建筑物還要受到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和繼續(xù)承載的約束等原因，這些都迫切要求使用新型材料和技術(shù)以達(dá)到施工、使用功能和效率的要求。采用外貼纖維增強(qiáng)聚合物對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，是20世紀(jì)8O年代在發(fā)達(dá)國家首先發(fā)展起來的一種高效的結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)。由于碳纖維布質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕性能好，且省時省力、操作方便，尤其對于受惡劣環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)及抗震能力要求較高的結(jié)構(gòu)，在常規(guī)加固技術(shù)不能適用的情況下，采用該加固技術(shù)更顯出其不可取代