淺談碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理

淺談碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理【摘要】本文主要介紹了碳纖維片材的技術(shù)特點、加固原理及其在各類混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的機(jī)理作用?！娟P(guān)鍵詞】碳纖維、粘結(jié)材料、加固1．前言碳纖維增強(qiáng)材料，簡稱碳纖維，是近十年來在發(fā)達(dá)國家新興的一種加固混凝土結(jié)構(gòu)的新材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域日漸受寵，被人們稱為“結(jié)構(gòu)加固的新星”。采用碳纖維加固技術(shù)具有如下幾個特點：1.1強(qiáng)度高。碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，遠(yuǎn)高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。因此它的比強(qiáng)度（即材料的強(qiáng)度與其密度之比）可達(dá)到2000MPa/g/cm3以上，而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/g/cm3左右，比模量也比鋼材高。1.2施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構(gòu)件不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟(jì)性好。1.3抗酸堿鹽類介質(zhì)的腐蝕，應(yīng)用面廣。加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性，可以應(yīng)用于各種工作環(huán)境的構(gòu)件加固。1.4可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1.5易于保持結(jié)構(gòu)原狀，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。2．材料碳纖維加固鋼筋混凝土技術(shù)所涉及的材料主要有兩種：一是碳纖維布；二是配套樹脂類粘結(jié)材料。2.1碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）CFRP乃英文CarbonFibireReinforcementPolymer的首字母縮寫，意為碳纖維增強(qiáng)材料。碳纖維絲的產(chǎn)生，是通過氧化有機(jī)聚合物（通常是聚丙稀硝胺纖維或乳化瀝青），只留下碳素材料，其碳原子沿原有纖維長度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲由3000～12000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細(xì)僅相當(dāng)于人的1根頭發(fā)絲。碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中應(yīng)用量最大和最普通的還是碳纖維布（片材）。表1列出了我國《CECS146－2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的碳纖維布的主要力學(xué)性能指標(biāo)要求。表1碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)性能項目碳纖維片碳纖維板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ffcfk≥3000MPa≥2000MPaa彈性模量Ecf≥2.1x105MPa≥1.4x105MPa伸長率≥1.5％≥1.5％2.2配套樹脂類粘結(jié)材料（粘結(jié)劑）粘結(jié)材料是施工成功的重要保證。為了使被加固構(gòu)件與碳纖維布共同受力，要求粘結(jié)劑對被粘貼界面和碳纖布有較高的粘結(jié)力和強(qiáng)度，抗拉、抗壓特別是粘貼抗剪強(qiáng)度應(yīng)高于混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度，而且粘結(jié)材料對界面和碳纖維布都要有良好的滲透性和相容性，還能夠抗沖擊、耐疲勞抗老化等。采用碳纖維片材對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)時，通常選用配套底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂，所選材料除滿足上述要求外，尚應(yīng)滿足施工簡易的要求。一般要求底層樹脂及找平材料的正拉結(jié)強(qiáng)度大于2.5MPa且不小于被加固混凝土拉結(jié)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值ftk，而浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂性能指標(biāo)則應(yīng)達(dá)到表2的要求。表2浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂性能指標(biāo)抗剪強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度正粘結(jié)強(qiáng)度彈性模量伸長率≥10MPa≥30MPa≥70MPa≥40MPa≥2.5MPa≥1500MPa1.5％3．碳纖維的補(bǔ)強(qiáng)、加固原理粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（抗彎、抗剪）承載能力。用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、加固的目的。值得注意的是，使用碳纖維進(jìn)行加固時，具體粘貼層數(shù)要通過計算確定，考慮到各層的共同工作系數(shù)，抗疲勞的能力和避免脆性破壞，一般不宜超過5層。另外，從受力性能角度而言，單層優(yōu)于多層，窄幅優(yōu)于寬幅；必要時縱向可以搭接，搭接長度不能少于100mm，而且要保證碳纖維端部有可靠的錨固，除計算要求外，還應(yīng)有必要的構(gòu)造措施。4．碳纖維布在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的機(jī)理分析碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用廣泛，適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級不低于C15即可，這里著重介紹碳纖維布加固鋼筋混凝土抗彎、抗剪、抗震構(gòu)件的機(jī)理作用，其它從略。4.1碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)，代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂前，碳纖維的應(yīng)變很??；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應(yīng)變增長加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應(yīng)變增長迅速加快，其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。4.2碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件。鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構(gòu)件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構(gòu)件屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展緩慢，所達(dá)到的最大應(yīng)變值也較??；在構(gòu)件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展加快，應(yīng)變值要高于箍筋的應(yīng)變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應(yīng)變發(fā)展緩慢。4.3碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。應(yīng)用碳纖維對混凝土柱進(jìn)行抗震加固，是通過用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來提高其延性而實現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，這種約束是一種被動約束，隨著混凝土柱軸向壓力的增大，橫向膨脹促使外包碳纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長，從而提高側(cè)向約束力。約束機(jī)制取決于兩個因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點在素混凝土峰值應(yīng)力附近；第二階段，構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增長，環(huán)向約束力增加，混凝土極限壓應(yīng)變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構(gòu)件的延性。我國是一個地震多發(fā)國家，建筑物的抗震加固技術(shù)是工程抗震領(lǐng)域研究與應(yīng)用的一個重要方面。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土技術(shù)對混凝土柱的抗震加固在工程中應(yīng)用最多。5．結(jié)語粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，我國已經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程（即《CECS146－2003碳纖