碳纤维复合材料在建筑加固领域的应用

  用于建筑加固的碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂(通常是环氯树脂)将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求,贴在结构物被加固的部位,充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用,来修补加固结构物的一种方法通常称为碳纤维复合材料片修补加固工艺。

  碳纤维复合材料片修补加固工艺有以下特点:①碳纤维复合材料片轻,比重是铁的1/4~1/5。

  ②碳纤维复合材料片的拉伸模量比钢的高,特别是拉伸强度要比钢的高十倍以上,所以补强加固效果好。③碳纤维复合材料片的耐腐蚀性能优异。①可以手糊,故不需用重大机械,而且在狭小的地方,对复杂形状的结构也能施工。⑤工艺性好,工期短。

  正是因为上述特点,碳纤维复合材料片修补加固工艺在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物(约束裂纹发展、防止混凝土剥落)和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用越来越多。

  1、桥墩在增加荷载、出现裂纹和损伤的部位,垂直方向贴上碳纤维复合材料片,可以直接提高此部位的抗弯强度,能把破坏位置向基部转移,控制了脆性破坏;在基部的破坏形式,通常被认为是弯曲破坏和剪切破坏,因此为要提高该结构物的抗震性能,就需提高其对能量的吸收能力,即希望提高它的变形能力(韧性),故在此部位应周向卷贴碳纤维复合材料片。如上补强加固方案,在日本用来修复受版神大地震破坏的桥墩,获得了很好的效果。

  2、桥板修补加固桥板的目的:①提高桥板的承载力,使桥板长期使用安全,②防止桥板混凝土脱落,确保交通安全。即在车辆大型化等原因引起桥板弯矩增加,桥板下面产生裂纹,造成混凝土剥离的情况下,可以考虑用碳纤维复合材料片来承担桥板中的拉应力,防止裂纹发生和发展。

  补强、加固设计是根据道桥新确定的荷载去查找各个桥板所受的实际应力,主要是在超过许用应力的哪些桥板上进行加固处理。设计粘贴碳纤维复合材料片的种类和层数要以能使该桥板的应力降低到许用应力值以下为准。另外还要注意,由于在桥板上有主筋方向和配筋方向2个方向的弯距作用,所以应在两个方向上进行检查,并确定粘贴碳纤维复合材料片的设计方案;在以修补混凝土损伤部位为主的情况下,不需要查找应力值,因为碳纤维复合材料片只能在纤    维方向承受拉应力,故应在裂纹处垂直裂纹方向粘贴,碳纤维复合材料片及其修补加固工艺在实桥上应用结果证明;补强后混凝土表面和钢筋的应变值都有明显降低;提高了桥板在重复荷载作用下的耐疲劳性能。

  3、隧道隧道与其它钢筋混凝土结构物不同,它是一种长期使用的耐久结构物,但常有这种情况;就是隧道在建成后因外界条件(如取土、填土等引起地压改变)变化或在城市里见到的随着地下空间的大量利用对隧道的影响而造成早期状态变化,在这种情况下,可以采用碳纤维复合材料片在问题域的受拉部位进行补强加固,它具有以下优点:①能有效的控制变形,②能有效的控制裂纹的发展,③能满足建筑物使用要求,④实施简单,施工时间短。隧道补强加固的效果,因为地压等不能直接测出,定量验证很难,所以通常多是定性的说明。

  4、电线杆钢筋混凝土电线杆长期使用会劣化,出现裂纹、混凝土脱落、钢筋外露锈蚀等,致使强度降低,通常采取的措施是,更换或进行修补加固,但更换对话线的处理和施工都很费时费事;向裂缝里注入树脂或灰浆进行修补又不能提高其强度。在这种情况下,将碳纤维复合材料片卷贴在钢筋混凝土电线杆的被加固部位,可以获得期望的效果:碳纤维复合材料片提高了断面的刚度,控制了变形;回复了裂纹或断面受损伤部位的强度,再破坏时部位会移到其它地方。

  5、建筑物的梁、柱、板碳纤维复合材料片对提高建筑物柱子的剪切强度和梁、板的抗弯强度效果都很好。日本的小松等人的试验表明:碳纤维复合材料片补强与钢板补强不同,虽然两者都不能提高梁的刚度,但在达到弯曲破坏的弹性极限应力(屈服点)时,钢板补强的在主筋屈服后很快就破坏了,而碳纤维复合材料片补强的在主筋屈服后,载荷仍在增加,这是因为钢板的屈服变形很少改变主筋的屈服变形,而碳纤维复合材料片的破坏受到一般要大于主筋屈服变形的10倍以上。用碳纤维复合材料片补强的试验梁,极少出现因碳纤维达到破坏变形而破坏,大多是由于碳纤维复合材料片与混凝土的粘结力达到极限,从混凝土表面剥离造成。因此,为要提高结构物的弯曲破坏强度,就必需提高碳纤维复合材料片与混凝土的粘结力,这是非常重要的。

  如上所述,碳纤维复合材料片及其修补加固工艺的效果已被确认并具有许多优点,完全可以用于钢筋混凝土结构物的修补加固工程,得以普及;它在大地震后,对损伤的钢筋混凝土结构物的修补加固和提高其抗震能力等方面也将会发挥重要作用。