碳纖維片材（CFRP）加固修復混凝土特種結(jié)構(gòu)

1、.碳纖維片材（CFRP）加固修復混凝土特種結(jié)構(gòu)碳纖維片材(CFRP)加固修復混凝土特種結(jié)構(gòu)李榮岳清瑞國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心100088)DiagrandRehabilitationofIndustrialBlI蛐IlgEngineeringReseamhCeII【er);7>I.2摘要本文介紹了碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢和國內(nèi)外應(yīng)用情況,表明此種結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種也很適用于特種結(jié)構(gòu)加固,補強的新技術(shù).為國內(nèi)在特種結(jié)構(gòu)的加固度改建工程中應(yīng)用此種技術(shù)提供參考.關(guān)鍵詞墨塹絲苧鹽竺旦苧苧竺苧缸壤土墨構(gòu)B踟L1Th/spaperpres.ermetho

2、dofm垤bonfUk.rre/n一腳d.Somepractitd傭inspecialslllzctttr帆alsointroduced.刪at?temptsmadetothe,衄Ithis蛔由inthe刪瑚epro-c如.KEYWORICarbonfibe,forcedplastics(CFRP)StrengthenSpecialstrttctttres前言碳纖維加固修復混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)是近幾年來在國際上興起的一種新型,高效的結(jié)構(gòu)加固技術(shù).它是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維布狀片材(GFRP)粘貼于混凝土表面,從而達到對結(jié)構(gòu)補強加固及改善受力性能的目的.該項技術(shù)在日本,美國等發(fā)達國家已廣

3、泛應(yīng)用,在建筑物,橋梁,特種結(jié)構(gòu)物等各類土木工程中均有大量成功應(yīng)用的實例我國于近2年引進該項技術(shù),開展了一系列研究開發(fā)及工程試點工作,已引起土木建筑領(lǐng)域廣泛的重視.一,技術(shù)特點傳統(tǒng)的混凝土特種結(jié)構(gòu)物以及普通混凝土結(jié)構(gòu)物的加固通常采用以下幾種方法:加大截面法,增設(shè)支點加固法,預應(yīng)力加固法,外包鋼加固法等等.上述幾種方法各有優(yōu)劣.均受到一定使用條件的限制.總體來說,因加固后的結(jié)構(gòu)為2次組合結(jié)構(gòu),為了保證新舊兩部分整體工作,共同受力,傳統(tǒng)的加固方法均是在對原結(jié)構(gòu)有一定損傷的情況下,來實現(xiàn)新舊兩部分的連接.此外加固對結(jié)構(gòu)的外觀及使用空間均有一定的影響,且施工特種結(jié)構(gòu)第n卷20呻年第3期時的濕作業(yè),大型

4、設(shè)備等均對環(huán)境及生產(chǎn)有不同程度的影響.尤其對于煙囪,水池,筒倉,管道等特種結(jié)構(gòu)物來說,往往直接暴露于大氣環(huán)境中,或受高溫,腐蝕介質(zhì)的作用,急需更為有效,便捷,耐久的結(jié)構(gòu)加固技術(shù).碳纖維片材加固新技術(shù)與傳統(tǒng)加固方法相比,具有明顯的優(yōu)越性,主要體現(xiàn)在以下幾個方面.1.材料性能好碳纖維片材是碳纖維絲單向排列的布狀織物,目前國內(nèi)尚無可用于結(jié)構(gòu)加固的定型產(chǎn)品,工程應(yīng)用中所使用的多為日本進口的碳纖維片材,其主要性能指標如表l.可見,碳纖維片材的抗拉強度為普通鋼材的lO倍以上,彈性模量與鋼為同一數(shù)量級,每平米重量約為3mm厚鋼板的1/1O0.碳纖維片材主要性能指標裹1號重量lf'rs-Cl一20l2

5、00lo.ilif'rs-C1.30l300lo.I63,抗拉強度:彈性模量(加】且)(Da)3550J2.35xI35501235xtOs用于粘貼碳纖維片材的配套樹脂,分為底層涂料FP,整平材料,授漬樹脂F(xiàn)R473種,均為雙組份,現(xiàn)場攪拌而成.目前國內(nèi)已研制開發(fā)出通用型配套樹脂,各項性能指標均達到日本同類產(chǎn)品的水平.3種樹脂的主要性能指標和作用見表2.配套樹脂的性能及作用裹2粘度拉伸強度壓墻強度拉伸勢切正拉牯接(-8)(慨】f啞強度(蛐)強度(蛐)作甩夏輥鼉土喪層強他混鼉土表i咖嘲5強麈.提高強女土噩寮纖維同轱蕞性對固劣化,錯位引起的混鼉土10面不平整進行乎,倒甫赴理時_樸庇圈夏狀充

6、丹夏連包裹竄,呻0障絲.使碗并爿螂3010與巍疆土牯接在一起最復音整捧.共局量力2.良好的施工性能碳纖維片材成品為卷材,可據(jù)所需尺寸現(xiàn)場隨意剪裁.其輕質(zhì)柔軟,易貼附,基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸,可廣泛用于粱,板,柱等各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的補強加固,適用于特種結(jié)構(gòu)中環(huán)狀構(gòu)件,殼體,球體等各種結(jié)構(gòu)形狀及曲面的加固.施工的主要步驟如圖1.I_土塒打魁Iz庶幫P用早村辯FE拉平4.a曩肭5.峙坪片材6.參晨牯貼時I復4.5步7.面8根據(jù)需羹進抒衰面整悔囤1施工工序與傳統(tǒng)的加固方法相比,碳纖維加固施工極為便捷,沒有濕作業(yè),不需大型機具,無48需附加錨固措施,不損傷原有結(jié)構(gòu),施工工期短,且施工時對環(huán)境的影響小.

7、即使與目前較為先進的粘鋼板加固技術(shù)相比,碳纖維加固的有效粘接面積更易保證.施工時通過專用工具將氣泡趕出,樹脂從碳纖維絲間充分滲透,有效粘貼面積可達95%以上.即使是局部出現(xiàn)了空鼓,也可采用針管注膠的方式進行補救.可見,碳纖維片材加固技術(shù)從多個環(huán)節(jié)加I控制,充分保證了粘貼質(zhì)量,這正是粘貼類加固方法有效發(fā)揮作用的關(guān)鍵.囤2碳耋F維片材抗拉強度加速老化試驗結(jié)果3.理想的耐久性及耐腐蝕性評價一種加固技術(shù)的優(yōu)劣,其補強加固的長期效果及耐久性是關(guān)注的焦點問題.國內(nèi)在此方面的試驗數(shù)據(jù)還較少,但在該項技術(shù)已廣為應(yīng)用的國家日本,碳纖維加固的耐久性已取得系統(tǒng)的試驗研究成果.碳纖維是一種廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高科

8、技材料,在化學上是非常穩(wěn)定的物質(zhì),也是非常耐久的材料.因而該項加固技術(shù)的耐久效果,往往取決于粘貼用環(huán)氧樹脂的耐久性.有關(guān)資料表明'2j,碳纖維配套環(huán)氧樹脂的大部分對無機,有機酸及堿都具有較好的安定性,在PH值為3一l3的范圍內(nèi)是基本穩(wěn)定的.圖2,圖3為日本加速老化試驗的部分試驗結(jié)果'3J.可以看出,當加速老化loooh(約相當于實際暴露于大氣環(huán)境中35特種結(jié)指第l7卷2000年第3期年以上),碳纖維布的抗拉強度及樹脂的粘結(jié)強度均沒有明顯的降低,說明采用碳纖維加固具有理想的抗紫外線侵蝕能力.與其它加固方法相比,后期維護費用大大降低.'問(圖3粘結(jié)強度的加速老化試驗結(jié)果當然

9、,碳纖維這種高新材料應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的時間還相對較短,目前尚無已投入使用30年以上的應(yīng)用實例.但應(yīng)注意到的是,碳纖維加固后往往外面還會進行整飾,也就是說碳纖維及樹脂通常均不會直接暴露于紫外線照射下及有害介質(zhì)中,因而其耐久性還能進一步提高.二,應(yīng)用實例碳纖維加固技術(shù)在發(fā)達國家已成熟應(yīng)用并已形成產(chǎn)業(yè)化.以日本為例,在建筑物,橋梁,煙囪,隧道等各類結(jié)構(gòu)形式中均得到廣泛的應(yīng)用.我國采用碳纖維片材進行加固修復的工程項目已達5O余項,正由建筑領(lǐng)域逐漸向市政,交通,電力,鐵路,糧食等方面的特種結(jié)構(gòu)領(lǐng)域擴展.1.某煙囪加固實例【IJ日本某石油精制工廠的鋼筋混凝土煙囪已使用36年,混凝土老化,鋼筋銹蝕,有多條

10、寬0.3na'n一1crn左右的縱向裂縫,混凝土保護層有脫落現(xiàn)象.結(jié)構(gòu)尺寸見圖4.經(jīng)檢測,自地面至10.5m鋼筋銹蝕斷面損失為10%左右,15.5m至頂部(C-A)鋼筋銹蝕后斷面損失已達加%.驗算表明,F斷面鋼筋應(yīng)特種結(jié)構(gòu)第17卷.2to年第3期力已超出允許應(yīng)力,承載能力不足,需進行補強加固.囊向粘貼一層FI-Cl-20童一拜II布r圖4可以看出,為滿足下一目標使用期的要求,應(yīng)進行兩方面的修復:結(jié)構(gòu)補強加固和耐久性修補.所采用的加固措施為:(1)縱向粘貼一層兀C1-20型碳纖維片材,使鋼筋的應(yīng)力滿足允許應(yīng)力要求,提高承載能力.(2)環(huán)向粘貼一層兀孓C1-20型碳纖維片材,有效約束混凝土

11、,抑制裂縫的開展,防止混凝土剝離和脫落,同時也提高了抗剪承載能力.2.某橋梁加固實倒我國北方某新建高速公路橋,結(jié)構(gòu)型式為箱梁及連續(xù)板橋,因施工后路面荷載較原2a虞'靖一牯設(shè)計增加.經(jīng)驗算局部區(qū)段箱梁及連續(xù)板跨中正彎矩處承載能力略有不足,需進行補強加固.由于該線路通車在即,施工工期很緊,綜臺比較多種加固方法,并經(jīng)有關(guān)專家論證,決定采用粘貼碳纖維片材加固.加固采用FTs.CI.30型碳纖維布,貼于箱梁底面及板底(如圖5),并保證足夠的錨固長度.粘貼碳纖維后采用與混凝土顏色相近的聚合物砂漿做整飾層,保證了該橋梁外觀上的整體性.目前該橋梁已如期通車,投入正常使用,并運行良好.iiiii.一i;

12、f盟墮星壁塹堡查a)糖纂加固田IIIIIIlIr廠一景l(fā)孟窖號蠢!芎層碟纖維布b)連續(xù)扳加同圖圖5圖6立交橋橋扳加固三,結(jié)語碳纖維片材(CFRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是將高科技材料成功運用于土木工程領(lǐng)域的一個典范,它為國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)包括特種一50一結(jié)構(gòu)物的加固打開了一個嶄新的窗口.目前國內(nèi)對于該項技術(shù)的研究推廣工作已迅猛展開.隨著國內(nèi)相關(guān)設(shè)計,施工規(guī)程及材料檢驗標準的相繼出臺,該項技術(shù)將會在我國得到規(guī)范地,系統(tǒng)地,迅速地推廣應(yīng)用.參考文獻1FORCA碳素纖維樸強工法技術(shù)贅料日車末燃株式臺社19972粘貼碳纖維布進行鐵道高架橋柱抗震補強加固工法的設(shè)計與施工指南.日車鐵道綜合技術(shù)研究所.19963M

13、鵬工法.日車M磚研究會1999某大型體育場膜材屋頂破裂事故1999年冬季,一場暴風雪之后,加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場的一塊膜屋盞突然破裂.體育場為1976年奧運會而興建.但膜結(jié)掏頂盞到1987年才完成.覆蓋整個比賽場的膜屋蓋是通過26報鋼索懸吊在高l?Sm的斜塔上,開閉的屋蓋不用時可以收縮到塔內(nèi).當初用的是開夫拉爾(Kd盯)織物,在使用過程中至少劃破了17次,因此決定在1998年更換成以特氟龍(Telhm)涂覆的玻璃纖維織物.該工程由美國鴟騰(Bird)公司承包,整個屋蓋用了63塊織物扳.總造價為3700萬美元.由于施工進度大大落后于計劃.事故發(fā)生時膜工程尚未正式交工,織物板連接處的封縫蓋板要到春季再進行熱焊.當屋頂?shù)姆e雪開始融化.發(fā)現(xiàn)大約面積為3.50的膜面開始下沉,管理人員急忙在下面