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碳纤维加固技术的特性及混凝土结构的加固方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2009-05-22  来源:中国混凝土网  作者:吴冬玲 乔瑞萍
核心提示:碳纤维加固技术的特性及混凝土结构的加固方法
  摘 要:在发展迅速的城市建设中,建筑是城市的标致,是城市历史的见证。历史遗留的古建筑,不同时期的建筑群及现代建筑,都在诉说着城市的衍变。面对着不同时期的诸多建筑所出现的质量问题,需要不同的维修方法来延续建筑的历史价值。 

  关键词:混凝土;加固;技术 
   
  1 混凝土结构加固方法 
   
  混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类,设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术。 

  1.1 直接加固的一般方法 

  1.1.1 加大截面加固法 

  该法施工工艺简单、适应性强,并具有成熟的设计和施工经验;适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固;但现场施工的湿作业时间长,对生产和生活有一定的影响,且加固后的建筑物净空有一定的减小。 

  1.1.2 置换混凝土加固法 

  该法的优点与加大截面法相近,且加固后不影响建筑物的净空,但同样存在施工的湿作业时间长的缺点;适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。 

  1.1.3 有粘结外包型钢加固法 

  该法也称湿式外包钢加固法,受力可靠、施工简便、现场工作量较小,但用钢量较大,且不宜在无防护的情况下用于600C以上高温场所;适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。 

  1.1.4 粘贴钢板加固法 

  该法施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业,对生产和生活影响小,且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响,但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平;适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。 

  1.1.5 粘贴纤维增强塑料加固法 

  此法除具有粘贴钢板相似的优点外,还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点,但需要专门的防火处理,适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。 

  1.1.6 绕丝法 

  此法的优缺点与加大截面法相近;适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固,或需对受压构件施加横向约束力的场合。 

  1.1.7 锚栓锚固法 

  该法适用于混凝土强度等级为C20~C60的混凝土承重结构的改造、加固;不适用于已严重风化的上述结构及轻质结构。 

  1.2 间接加固的一般方法有: 

  1.2.1 预应力加固法 

  该法能降低被加固构件的应力水平,不仅使加固效果好,而且还能较大幅度地提高结构整体承载力,但加固后对原结构外观有一定影响;适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固,但在无防护的情况下,不能用于温度在600C以上环境中,也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。 

  1.2.2 增加支承加固法 

  该法简单可靠,但易损害建筑物的原貌和使用功能,并可能减小使用空间;适用于具体条件许可的混凝土结构加固。 

  1.3 与混凝土结构加固改造配套使用的技术 

  1.3.1 托换技术系托梁(或桁架)拆柱(或墙)、托梁接柱和托梁换柱等技术的概称;属于一种综合性技术,由相关结构加固、上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成;适用于已有建筑物的加固改造;与传统做法相比,具有施工时间短、费用低、对生活和生产影响小等优点,但对技术要求较高,需由熟练工人来完成,才能确保安全。 

  1.3.2 植筋技术系一项对混凝土结构较简捷、有效的连接与锚固技术;可植入普通钢筋,也可植入螺栓式锚筋;已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程。 

  1.3.3 裂缝修补技术根据混凝土裂缝的起因、性状和大小,采用不同封护方法进行修补,使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复的一种专门技术。 

  1.3.4 混凝土表面处理技术系指采用化学方法、机械方法、喷砂方法、真空吸尘方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油迹、残渣以及其它附着物的专门技术。 

  1.3.5 混凝土表层密封技术系指采用柔性密封剂充填、聚合物灌浆、涂膜等方法对混凝土进行防水、防潮和防裂处理的技术。还有其它技术如结构、构件移位技术、调整结构自振频率技术等。 
   
  2 碳纤维加固技术在现代加固技术中的优势 
   
  碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理,该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右,基本上不增加构件截面,能保证碳素纤维布与原构件共同工作。 

  碳纤维根据原料及生产方式的不同,主要分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维(高强度型)及沥青基碳纤维(高弹性型)。仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能,只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作,才能达到补强的目的。因此,环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能,适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用,能渗入到混凝土内一定深度;粘贴碳纤维片的环氧树脂易于"透"过碳纤维片,有很强的粘结力。依使用温度的不同,树脂还分为夏用及冬用类树脂。 

  2.1 物理性能 

   碳纤维片工法中使用了底涂、腻子、浸渗粘着树脂等三种环氧树脂。上述三种环氧树脂的使用目的各不相同,其物性标准也不相同。 

  2.1.1 底涂:粘着强度 

  底涂必须确实具有把作用在混凝土表面上的荷载传递到碳纤维片上的力学性能。因此粘着强度成为制定其物性标准的重要依据。 

  2.1.2 腻子:压缩强度·压缩弹性率 

  腻子用于填充混凝土上的微小缺损部分。因此,要求必须具有与混凝土同等以上的压缩强度。此外,还要求具有较高的压缩弹性模量。根据以上理由,制定腻子的物性标准时主要根据其压缩强度及压缩弹性模量。剪切强度·粘着强度 

  腻子与底涂一样必须具有把因荷载作用等在混凝土表面上发生的应变确实传递到碳纤维片上的力学性能。因此剪切强度及粘着强度便成为制定其物性标准的重要依据。 

  2.1.3 粘着树脂: 

  A张拉强度·弯曲强度 

  碳纤维片工法系通过向碳纤维片内渗透浸渗粘着树脂、通过固化形成CFRP。重要的是固化后的CFRP的物性,而浸渗粘着树脂本身的物性并非重要。但要想获得良好的CFRP物性,浸渗粘着树脂本身的物性确实也有影响。因此制定了最小限度的张拉强度及弯曲强度的物性标准。 

  B剪切强度·粘着强度 

  浸渗粘着树脂除渗透到碳纤维片内、通过固化形成CFRP之外,还具有粘着剂的功能。与腻子、底涂同样,必须具有把因载荷作用等在混凝土表面上发生的应变确实传递到碳纤维片上的力学性能。因此剪切强度及粘着强度便成为制定其物性标准的重要依据。 

  相比之下,国产的树脂材料目前缺乏配套产品,用途单一,且尚未制定出严格的物性标准。 

  2.2 碳纤维材料与其他加固材料对比 

  抗拉强度:碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍;弹性模量:碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材,但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一; 疲劳强度:碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下,疲劳极限仅为静荷强度的30%~40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展,以及存在纤维内力再分配的可能性,复合材料的疲劳极限较高,约为静荷强度的70%~80%,并在破坏前有变形显著的征兆;重量:约为钢材的五分之一;与碳纤维板的比较:碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面,而板材更适用于规则构件表面。此外,由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大,与混凝土界面的粘接强度不如片材。 

  2.3 材料性能碳纤维片是以碳纤维为组分,以树脂为基体,通过一定的成型方法形成的单向排列的碳纤维的复合片材。它具有极其优越的品质:材料质轻高强,碳纤维片的抗拉强度比同截面钢材高7~10倍,用环氧树脂将它与结构物粘贴后形成一体,能可靠地与钢筋混凝土共同工作,获得优异的补强效果,而结构物自重的增加几乎可以忽略;其抗疲劳强度高,耐久性能好,耐磨损、抗老化等。
 
 
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