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碳纖維加固技術(shù)的特性及混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2009-05-22  來源:中國混凝土網(wǎng)  作者:吳冬玲 喬瑞萍
核心提示:碳纖維加固技術(shù)的特性及混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法
  摘 要:在發(fā)展迅速的城市建設(shè)中,建筑是城市的標(biāo)致,是城市歷史的見證。歷史遺留的古建筑,不同時(shí)期的建筑群及現(xiàn)代建筑,都在訴說著城市的衍變。面對著不同時(shí)期的諸多建筑所出現(xiàn)的質(zhì)量問題,需要不同的維修方法來延續(xù)建筑的歷史價(jià)值。 

  關(guān)鍵詞:混凝土;加固;技術(shù) 
   
  1 混凝土結(jié)構(gòu)加固方法 
   
  混凝土結(jié)構(gòu)的加固分為直接加固與間接加固兩類,設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際條件和使用要求選擇適宜的方法和配套的技術(shù)。 

  1.1 直接加固的一般方法 

  1.1.1 加大截面加固法 

  該法施工工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng),并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn);適用于梁、板、柱、墻和一般構(gòu)造物的混凝土的加固;但現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時(shí)間長,對生產(chǎn)和生活有一定的影響,且加固后的建筑物凈空有一定的減小。 

  1.1.2 置換混凝土加固法 

  該法的優(yōu)點(diǎn)與加大截面法相近,且加固后不影響建筑物的凈空,但同樣存在施工的濕作業(yè)時(shí)間長的缺點(diǎn);適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土承重構(gòu)件的加固。 

  1.1.3 有粘結(jié)外包型鋼加固法 

  該法也稱濕式外包鋼加固法,受力可靠、施工簡便、現(xiàn)場工作量較小,但用鋼量較大,且不宜在無防護(hù)的情況下用于600C以上高溫場所;適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。 

  1.1.4 粘貼鋼板加固法 

  該法施工快速、現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè),對生產(chǎn)和生活影響小,且加固后對原結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響,但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平;適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。 

  1.1.5 粘貼纖維增強(qiáng)塑料加固法 

  此法除具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點(diǎn)外,還具有耐腐濁、耐潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、耐用、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn),但需要專門的防火處理,適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和一般構(gòu)筑物。 

  1.1.6 繞絲法 

  此法的優(yōu)缺點(diǎn)與加大截面法相近;適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面承載力不足的加固,或需對受壓構(gòu)件施加橫向約束力的場合。 

  1.1.7 錨栓錨固法 

  該法適用于混凝土強(qiáng)度等級為C20~C60的混凝土承重結(jié)構(gòu)的改造、加固;不適用于已嚴(yán)重風(fēng)化的上述結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。 

  1.2 間接加固的一般方法有: 

  1.2.1 預(yù)應(yīng)力加固法 

  該法能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平,不僅使加固效果好,而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力,但加固后對原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響;適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固,但在無防護(hù)的情況下,不能用于溫度在600C以上環(huán)境中,也不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。 

  1.2.2 增加支承加固法 

  該法簡單可靠,但易損害建筑物的原貌和使用功能,并可能減小使用空間;適用于具體條件許可的混凝土結(jié)構(gòu)加固。 

  1.3 與混凝土結(jié)構(gòu)加固改造配套使用的技術(shù) 

  1.3.1 托換技術(shù)系托梁(或桁架)拆柱(或墻)、托梁接柱和托梁換柱等技術(shù)的概稱;屬于一種綜合性技術(shù),由相關(guān)結(jié)構(gòu)加固、上部結(jié)構(gòu)頂升與復(fù)位以及廢棄構(gòu)件拆除等技術(shù)組成;適用于已有建筑物的加固改造;與傳統(tǒng)做法相比,具有施工時(shí)間短、費(fèi)用低、對生活和生產(chǎn)影響小等優(yōu)點(diǎn),但對技術(shù)要求較高,需由熟練工人來完成,才能確保安全。 

  1.3.2 植筋技術(shù)系一項(xiàng)對混凝土結(jié)構(gòu)較簡捷、有效的連接與錨固技術(shù);可植入普通鋼筋,也可植入螺栓式錨筋;已廣泛應(yīng)用于已有建筑物的加固改造工程。 

  1.3.3 裂縫修補(bǔ)技術(shù)根據(jù)混凝土裂縫的起因、性狀和大小,采用不同封護(hù)方法進(jìn)行修補(bǔ),使結(jié)構(gòu)因開裂而降低的使用功能和耐久性得以恢復(fù)的一種專門技術(shù)。 

  1.3.4 混凝土表面處理技術(shù)系指采用化學(xué)方法、機(jī)械方法、噴砂方法、真空吸塵方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油跡、殘?jiān)约捌渌街锏膶iT技術(shù)。 

  1.3.5 混凝土表層密封技術(shù)系指采用柔性密封劑充填、聚合物灌漿、涂膜等方法對混凝土進(jìn)行防水、防潮和防裂處理的技術(shù)。還有其它技術(shù)如結(jié)構(gòu)、構(gòu)件移位技術(shù)、調(diào)整結(jié)構(gòu)自振頻率技術(shù)等。 
   
  2 碳纖維加固技術(shù)在現(xiàn)代加固技術(shù)中的優(yōu)勢 
   
  碳纖維布加固技術(shù)是利用碳素纖維布和專用結(jié)構(gòu)膠對建筑構(gòu)件進(jìn)行加固處理,該技術(shù)采用的碳素纖維布強(qiáng)度是普通二級鋼的10倍左右。具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。厚度僅為2mm左右,基本上不增加構(gòu)件截面,能保證碳素纖維布與原構(gòu)件共同工作。 

  碳纖維根據(jù)原料及生產(chǎn)方式的不同,主要分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維及瀝青基碳纖維。碳纖維產(chǎn)品包括PAN基碳纖維(高強(qiáng)度型)及瀝青基碳纖維(高彈性型)。僅僅依靠碳纖維片本身并不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的力學(xué)特性及優(yōu)越的耐久性能,只有通過環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作,才能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。因此,環(huán)氧樹脂的性能是重要的關(guān)鍵之一。環(huán)氧樹脂因類型不同而有不同的性能,適應(yīng)于各個(gè)部位的不同要求。例如底涂樹脂對混凝土具有良好的滲透作用,能滲入到混凝土內(nèi)一定深度;粘貼碳纖維片的環(huán)氧樹脂易于"透"過碳纖維片,有很強(qiáng)的粘結(jié)力。依使用溫度的不同,樹脂還分為夏用及冬用類樹脂。 

  2.1 物理性能 

   碳纖維片工法中使用了底涂、膩?zhàn)?、浸滲粘著樹脂等三種環(huán)氧樹脂。上述三種環(huán)氧樹脂的使用目的各不相同,其物性標(biāo)準(zhǔn)也不相同。 

  2.1.1 底涂:粘著強(qiáng)度 

  底涂必須確實(shí)具有把作用在混凝土表面上的荷載傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此粘著強(qiáng)度成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。 

  2.1.2 膩?zhàn)樱簤嚎s強(qiáng)度·壓縮彈性率 

  膩?zhàn)佑糜谔畛浠炷辽系奈⑿∪睋p部分。因此,要求必須具有與混凝土同等以上的壓縮強(qiáng)度。此外,還要求具有較高的壓縮彈性模量。根據(jù)以上理由,制定膩?zhàn)拥奈镄詷?biāo)準(zhǔn)時(shí)主要根據(jù)其壓縮強(qiáng)度及壓縮彈性模量。剪切強(qiáng)度·粘著強(qiáng)度 

  膩?zhàn)优c底涂一樣必須具有把因荷載作用等在混凝土表面上發(fā)生的應(yīng)變確實(shí)傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此剪切強(qiáng)度及粘著強(qiáng)度便成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。 

  2.1.3 粘著樹脂: 

  A張拉強(qiáng)度·彎曲強(qiáng)度 

  碳纖維片工法系通過向碳纖維片內(nèi)滲透浸滲粘著樹脂、通過固化形成CFRP。重要的是固化后的CFRP的物性,而浸滲粘著樹脂本身的物性并非重要。但要想獲得良好的CFRP物性,浸滲粘著樹脂本身的物性確實(shí)也有影響。因此制定了最小限度的張拉強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的物性標(biāo)準(zhǔn)。 

  B剪切強(qiáng)度·粘著強(qiáng)度 

  浸滲粘著樹脂除滲透到碳纖維片內(nèi)、通過固化形成CFRP之外,還具有粘著劑的功能。與膩?zhàn)?、底涂同樣,必須具有把因載荷作用等在混凝土表面上發(fā)生的應(yīng)變確實(shí)傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此剪切強(qiáng)度及粘著強(qiáng)度便成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。 

  相比之下,國產(chǎn)的樹脂材料目前缺乏配套產(chǎn)品,用途單一,且尚未制定出嚴(yán)格的物性標(biāo)準(zhǔn)。 

  2.2 碳纖維材料與其他加固材料對比 

  抗拉強(qiáng)度:碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍;彈性模量:碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材,但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一; 疲勞強(qiáng)度:碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下,疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%~40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展,以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性,復(fù)合材料的疲勞極限較高,約為靜荷強(qiáng)度的70%~80%,并在破壞前有變形顯著的征兆;重量:約為鋼材的五分之一;與碳纖維板的比較:碳纖維片材可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面,而板材更適用于規(guī)則構(gòu)件表面。此外,由于粘貼板材時(shí)底層樹脂的用量比片材多、厚度大,與混凝土界面的粘接強(qiáng)度不如片材。 

  2.3 材料性能碳纖維片是以碳纖維為組分,以樹脂為基體,通過一定的成型方法形成的單向排列的碳纖維的復(fù)合片材。它具有極其優(yōu)越的品質(zhì):材料質(zhì)輕高強(qiáng),碳纖維片的抗拉強(qiáng)度比同截面鋼材高7~10倍,用環(huán)氧樹脂將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體,能可靠地與鋼筋混凝土共同工作,獲得優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果,而結(jié)構(gòu)物自重的增加幾乎可以忽略;其抗疲勞強(qiáng)度高,耐久性能好,耐磨損、抗老化等。
 
 
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