碳纖維材料在柱、梁加固中的應(yīng)用

李世雷,毛瑩瑩

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

碳纖維材料又稱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱 CFRP),是用聚丙烯晴、人造纖維、石油或煤瀝青、苯酚樹脂等原料,在不活潑氣體中經(jīng) 2000℃～3000℃的高溫?zé)杉従€形狀,并使其碳素化而制造出來的高性能無機(jī)纖維。

1 碳纖維材料的特點(diǎn)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種理想的新型復(fù)合材料,與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固材料相比,碳纖維加固材料具有明顯的性能優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在:

(1)強(qiáng)度高。測試證明,碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 4500 N/mm2以上,形成復(fù)合材料后為 3500 N/mm2以上,分別是普通合金結(jié)構(gòu)鋼的 9倍和 7倍左右。

(2)極佳的耐腐蝕性能。試驗(yàn)表明,碳纖維材料可以抵御建筑物遇到的各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕;對空氣中氯離子含量高的沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)加固工程特別適用。

(3)施工簡便,質(zhì)量容易保證。即使被加固結(jié)構(gòu)的表面不是非常平整,粘結(jié)碳纖維加固也可以接近 100%的粘貼率,且現(xiàn)場檢測方便,即使有小的空鼓,也可以用針管注膠法補(bǔ)救。

(4)質(zhì)量輕。碳纖維材料質(zhì)量輕且厚度薄,粘貼后每平方米重量增加不到 1.0 kg(包括樹脂重量),一層粘貼后厚度僅 0.1mm左右,加固修補(bǔ)后基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原結(jié)構(gòu)尺寸。

(5)與混凝土協(xié)同工作。由于碳纖維材料膨脹系數(shù)與混凝土相近,當(dāng)環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時(shí),CFRP與混凝土協(xié)同工作,不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

(6)適用面廣。碳纖維布是一種柔性材料,且可以任意裁剪。所以這種加固技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位,且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。

2 碳纖維在柱加固中的應(yīng)用

2.1 碳纖維加固框架柱的加固機(jī)理

鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時(shí),構(gòu)件的破壞是由于受到極限值非常小的橫向擴(kuò)張引起的。如能在構(gòu)件四周創(chuàng)造橫向約束,以阻止受壓構(gòu)件的這種橫向擴(kuò)張,就可以提高構(gòu)件抗壓承載力和變形能力。

碳纖維 CFRP加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增強(qiáng)帶之間產(chǎn)生約束作用(它們之間的相互作用力稱為界面約束應(yīng)力)。受橫向界面約束應(yīng)力的作用,塑性區(qū)的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)。與單向受力狀態(tài)相比,混凝土的極限壓應(yīng)變和承載力會提高。在柱彎曲承載力沒有明顯下降的情況下,并不考慮失穩(wěn)的影響;當(dāng)混凝土受壓產(chǎn)生橫向變形時(shí),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,改善鋼筋混凝土框架柱的延性,從而提高框架柱的承載力和抗震性能。

2.2 柱碳纖維加固詳圖

圖1為混凝土柱采用碳纖維加固詳圖。

圖1 柱碳纖維加固詳圖

3 碳纖維在梁加固中的應(yīng)用

3.1 基本假定

依照加固梁的破壞特性,在極限狀態(tài)下受拉鋼筋屈服、碳纖維失效、混凝土被壓壞的原則,并結(jié)合現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于正截面受彎承載力計(jì)算的基本原理,做出如下假定:

(1)在混凝土梁破壞的過程中,截面的應(yīng)變始終保持線性關(guān)系,即符合平截面假定;

(2)忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度;

(3)應(yīng)力 -應(yīng)變的物理關(guān)系為:

①鋼筋采用理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。即當(dāng)應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí),應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系;當(dāng)應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí),應(yīng)力取屈服強(qiáng)度;

②混凝土采用如下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

③碳纖維采用線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;

(4)達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)之前,碳纖維與混凝土不發(fā)生剝離破壞。

3.2 計(jì)算方法

如圖 2為加固梁相應(yīng)的截面應(yīng)力圖。

圖2 加固梁的截面應(yīng)力

極限狀態(tài)下,加固梁的平衡方程可分為以下幾種情況:

3.3 梁碳纖維加固詳圖

圖3為混凝土梁采用碳纖維加固詳圖。

4 碳纖維加固施工

(1)施工前的準(zhǔn)備工作:認(rèn)真閱讀圖紙,根據(jù)現(xiàn)場以及所需加固構(gòu)件的實(shí)際情況確定施工方案。

(2)卸荷:加固前對于承受二次荷載的構(gòu)件不需卸荷;不承受二次荷載的構(gòu)件必需卸荷。

(3)基底處理:①清理所需加固構(gòu)件表面的劣化混凝土。②對于裂縫應(yīng)采取灌縫或者封閉處理。③混凝土表面應(yīng)該打磨平整,可以采用混凝土角磨機(jī)除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì),轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑 R不應(yīng)小于 20mm。④采用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈并保持其干燥。

圖3 梁碳纖維加固

(4)涂底膠:①按主劑∶固化劑 =3:1配制底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中,用秤計(jì)量,電動攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間,一般情況下 20～50mim內(nèi)用完。②將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時(shí)間視現(xiàn)場氣溫而定,以指觸干燥為準(zhǔn))再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時(shí)間為 6～24h。

(5)找平:①混凝土表面凹陷部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填平,模板接頭等出現(xiàn)高差的部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填補(bǔ),盡量減小高差。②轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用修補(bǔ)劑修補(bǔ)成光滑的圓弧,半徑不小于 20 mm。待修補(bǔ)劑表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一步工序。

(6)粘貼:①按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。②調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑(使用方法與底膠相同),然后均勻涂抹于待粘貼的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴(yán)禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象,特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。③粘貼碳纖維布,在確定所粘貼部位無誤后,用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓,去除氣泡,并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布;并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復(fù)沿纖維方向滾壓,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。

(7)表面保護(hù):加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

[1]鄭伏龍.淺談碳纖維加固應(yīng)用技術(shù)[J].山西建筑,2009(1)

[2]周會平.碳纖維加固混凝土梁的工程應(yīng)用[J].山西建筑,2008(3)

[3]曾自雄.框架柱碳纖維加固的應(yīng)用和探討[J].江西建材,2006(4)

[4]閆建廠,程浩軍.淺談碳纖維加固技術(shù)[C]∥土木建筑學(xué)術(shù)文庫,2007

[5]滕文川,錢銘,安炳.碳纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2006(5)

[6]王祥.碳纖維布加固技術(shù)在保護(hù)性歷史建筑中的應(yīng)用[J].建筑施工,2008(8)

[7]姜衛(wèi)東,尚麗穎.碳纖維加固技術(shù)[J].哈爾濱鐵道科技,2008(3)