淺析碳纖維布加固混凝土結構的技術原理

時間：2022-02-23 11:46:52 點擊：187次

碳（tàn）纖維增強材料，簡稱（chēng）碳纖維，是近十年來在發達國家新興的一種加（jiā）固混凝土結構的新材料，以其優異的力學性能在工程領域日漸受寵，被人（rén）們稱為“結構加固的新星”。采用碳纖維加固技術具有如（rú）下幾個特點：
1.1強度高（gāo）。碳（tàn）纖維片（piàn）材的抗拉強（qiáng）度一般都在3500MPa以上，遠高於鋼材；抗拉彈性模量為（wéi）230000～430000MPa，亦高於鋼材。因（yīn）此它的比（bǐ）強度（dù）（即材料的強度與其（qí）密度之比）可達到2000MPa/g/cm3以上，而Q235鋼的比強度僅為59MPa/g/cm3左右，比模量也比鋼材（cái）高。
1.2 施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構件不需大型施（shī）工機構（gòu）及周轉材料，易於操作，施（shī）工周期短，經（jīng）濟性（xìng）好。
1.3 抗（kàng）酸堿鹽（yán）類介質的腐蝕，應用（yòng）麵廣。加固後（hòu）能（néng）大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性，可（kě）以應用（yòng）於各種工作環境的構件（jiàn）加固。
1.4 可以有效的封（fēng）閉混凝土結構的裂縫（féng），延長結構的使用壽命。
1.5 易於保持（chí）結構（gòu）原狀，基本不增加結構自重及截麵尺寸。
2．材料
碳纖維（wéi）加固鋼筋混凝土技術所涉及的材料主要有兩種：一是碳纖維布；二（èr）是配（pèi）套樹脂類粘（zhān）結材料。
2.1碳纖維增強材料（CFRP）
CFRP乃（nǎi）英文Carbon Fibire Reinforcement Polymer 的首字（zì）母縮寫，意（yì）為碳纖維增強材料。碳纖維絲的產生，是通過氧（yǎng）化有機聚合物（通常是（shì）聚丙稀硝胺纖維或乳化瀝青），隻留下碳素（sù）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（xiān）維絲由3000～12000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細僅相當於人的1根頭發絲。
碳纖維成品可以製成不同的型材如纖維布、纖維（wéi）板、棒材、短纖維等，根（gēn）據不同工程的不（bú）同部位和需要而定。在加（jiā）固工程中應用量最（zuì）大（dà）和最普通的（de）還是碳纖維布
2.2配（pèi）套樹脂類粘結材料（liào）（粘結劑）
粘（zhān）結材料是施工（gōng）成功的重要保證。為了使被加固構（gòu）件與碳（tàn）纖維布共同受力，要求粘結劑對被粘貼界麵和（hé）碳纖布有較高的粘結力和強度，抗拉、抗（kàng）壓特別是粘貼抗剪（jiǎn）強度應高於混凝土相應的強（qiáng）度，而（ér）且粘結材料對界麵和碳（tàn）纖維布都要有良好的滲透性和相容性，還能夠抗衝（chōng）擊、耐疲勞抗老化等。
采用碳（tàn）纖維片材對混凝（níng）土結構進行加固修複時，通常（cháng）選用配套底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結樹脂，所選材（cái）料除滿（mǎn）足上述要求外，尚應滿足（zú）施工簡易的要求。一般要求（qiú）底層樹脂（zhī）及找平材料的正拉結強（qiáng）度大於2.5MPa且不小（xiǎo）於被加固混凝土拉結強度的標準值ftk
3．碳（tàn）纖維的補強、加固原理（lǐ）
粘貼碳（tàn）纖維結構（gòu）加固技術是指采用高性能粘結將碳纖（xiān）維（wéi）布（bù）粘貼（tiē）在建築結構構件表麵，使（shǐ）兩者共同工作，提高結構構件（jiàn）的（抗（kàng）彎、抗（kàng）剪）承載能（néng）力。
用（yòng）於（yú）建築結構加固的碳纖維材料具（jù）有優良的力學性能，其抗（kàng）拉強（qiáng）度約為（wéi）普通鋼（gāng）材（cái）的10倍；但是，碳纖（xiān）維材料織成碳纖維（wéi）布後，其（qí）中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平（píng）較高（gāo）的碳纖維絲首先達到其抗拉強度並（bìng）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。而使用粘結劑後，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度，故碳纖維加固首（shǒu）先必須使碳（tàn）纖維（wéi）布中的碳纖維絲能（néng）共同工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的（de）作用，它既要確保各碳纖（xiān）維絲共同工作，同（tóng）時又確保碳纖維布與結（jié）構共同工作，從而達（dá）到（dào）補強、加固的目的。
值得注意的是，使（shǐ）用碳（tàn）纖維進行加固（gù）時，具體粘（zhān）貼層數要通過計算確定，考慮到各層的共同工作係數，抗疲勞的能力和避免脆性破壞，一般不宜超過5層。另（lìng）外，從受力性能角度而（ér）言，單層優於多層，窄幅優於寬幅；必要時（shí）縱向可以搭接，搭接長度（dù）不能少於100mm，而且要保證碳纖維端部有可靠的錨固，除計算要求外，還應有（yǒu）必要的構造措施。
4．碳纖維布在混凝土結構加固中的機理分（fèn）析
碳纖維加固技術應用廣泛（fàn），適用於各種結（jié）構類（lèi）型、各種結構部位的（de）加固（gù）修（xiū）補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體（tǐ）、殼體等結（jié）構（gòu），要求基層混凝土的強度等級不（bú）低於C15即可，這裏著（zhe）重介紹碳纖維布加固鋼筋混（hún）凝土抗彎、抗（kàng）剪、抗震構件的機理作用，其（qí）它從略。
4.1 碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構（gòu）件。
鋼筋混凝土受彎構件的抗彎（wān）加固，是通過（guò）將碳纖維布粘貼於（yú）構件受拉區，代替或補充鋼筋的受拉性能，從（cóng）而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖（xiān）維後，在構件受拉（lā）區（qū）混凝土開裂（liè）前，碳纖維的應變很小；在混凝土開裂後，碳纖維布逐漸參與共（gòng）同（tóng）工作，應變增長加快；而在鋼筋屈服後，碳纖維布充（chōng）分發揮作用，應變增長迅速加快，其高強高效的性能得以充分體現。
4.2 碳纖維加固（gù）鋼筋混凝土抗剪構件。
鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼於（yú）構件的受剪區，這裏碳纖維的作用類似於箍筋。在構件屈服前，碳纖維的應變發展（zhǎn）緩慢，所達到的最大應變（biàn）值也較小；在構件屈服後，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的（de）應變發展加快，應變值要高（gāo）於箍（gū）筋的應變值，而箍筋（jīn）所起的約束（shù）作（zuò）用減小，其應變發展（zhǎn）緩慢。
4.3 碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。
應用碳（tàn）纖維對混凝土柱進行抗（kàng）震（zhèn）加固，是通過用碳纖維布橫（héng）向包裹鋼筋（jīn）混凝土柱來提高其延性而實現（xiàn）的。碳纖維的主要（yào）作用是對其內部混凝土起到了約束作用，這種約（yuē）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生環向伸長（zhǎng），從而提高側向約束力。約束機製取決於兩個因素：混凝（níng）土的橫向膨（péng）脹性能和外包碳纖（xiān）維布的環向約束能力（lì）。碳纖維布約束混凝土表現出兩階段受力過程：第一階段，混凝土處於類似（sì）素混凝土的線彈（dàn）性階段，橫向（xiàng）變形小，故碳纖維橫向變（biàn）形也很小，分界點在（zài）素混凝土峰值應力（lì）附近；第二階段，構件達到極限承（chéng）載力（lì）後，混凝土（tǔ）橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環向應變顯著增（zēng）長，環向約（yuē）束力增（zēng）加，混凝土極限壓（yā）應（yīng）變得以提高，因而（ér）推遲了（le）受壓區混（hún）凝土的壓碎，充分發揮了縱向鋼筋的塑性變（biàn）形性能，顯著改善了構件的延性。
我國是一個（gè）地震多發國家，建築（zhù）物的抗震加（jiā）固（gù）技術是工程抗震領域研究與應用的（de）一個重要方麵。碳（tàn）纖維補強加固混凝土技術對混凝（níng）土（tǔ）柱的抗震加固在工程中應用最多。
5．結語
粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型的（de）加固（gù）技術（shù），已經得到較為（wéi）廣泛的應用，並（bìng）已（yǐ）產生較大的經濟效益，我（wǒ）國已經製定了相關的技（jì）術標準及規程（即《CECS146－2003碳纖（xiān）維片材加固混凝土結構技術規程》），為這門技術的應用和健康發展奠（diàn）定了基礎。