1 材料
1. 1 碳纖維增強材料( CFRP)
直徑為 5 μm 至 20 μm 的連續纖維通常稱為碳纖維增強材料,簡稱為碳纖維,其基材由樹脂和固化劑組成。碳纖維浸漬常使用樹脂(用固化劑固化), 樹脂固化形成碳纖維增強材料。建築行業使用的碳纖維具有許多優異的性能: 密度小, 為普通鋼的1 / 6,抗拉強度約為普通鋼的 4 - 6 倍;耐腐蝕性好, 強度不受酸鹼腐蝕介質的影響; 非磁性,不影響電磁信號的傳播;抗疲勞性能優良;疲勞壽命普遍高於鋼材;溫度係數和混凝土相當; 彈性模量和鋼材相近,極限延伸率1%。常見的纖維布,短纖維,棒材, 纖維板等型材都可由成品纖維製造。
1. 2 配套樹脂類黏結材料
混凝土結構加固修補配套樹脂系包括底層塗料,用於滲透混凝土表面以增強粘附性並形成耐用界面的基礎;使用流平材料( 油灰) 填充整個表面空隙並形成平坦表面。是一種用於粘合碳纖維布的浸漬樹脂。
粘接材料是加固補強工程成功的重要保證。要求粘合劑對粘合界面和碳纖維布具有高粘合性和強度,並且耐拉伸和壓縮應力。特別是黏結剪切強度應高於混凝土的相應強度, 黏結材料應具有良好的滲透性和與界面和碳纖維布的相容性。它可以抵抗衝擊, 疲勞, 抗老化等, 並且應該滿足簡單結構的要求。
通常, 下層樹脂和流平材料的正粘合強度大於 2. 5MPa且不小於鋼筋混凝土抗拉強度的標準值; 浸漬樹脂將碳纖維布附著到混凝土構件表面,並將二者牢固粘合在一起。浸漬樹脂是形成整體工作的關鍵, 同時也是兩者的薄弱環節。為保證碳纖維布和混凝土之間的剪切傳遞,要求浸漬樹脂應具有足夠的剛度和強度。同時,由於混凝土的開裂,必須有足夠的韌性和脆性破壞。浸漬樹脂和粘合劑樹脂的性能指標應滿足表 1 所示的要求。
2 碳纖維加固的技術特點
碳纖維種類繁多,其中PAN基碳纖維具有優異的物理機械性能,良好的附著力,耐熱性和耐腐蝕性。它是一種碳纖維材料,用於加固和加固建築結構。有許多方法可以加固鋼筋混凝土,與其他加固方法相比,碳纖維加固技術具有明顯的技術優勢。
1) 高強,高效。碳纖維板的抗拉強度遠高於鋼,一般高於3500MPa;抗拉彈性模量為230000~470000MPa亦高於鋼材,因此它的比強度(即材料的強度與其密度之比)可達到2000MPacm3/g以上而Q235鋼的比強度僅為59MPacm3/g左右,比模量也比鋼材高。在混凝土結構的加固和加固過程中,可以充分利用優異的物理和機械性能來提高結構和部件的承載能力和延展性。提高其應力性能並實現有效的加固。
2) 施工簡便,快捷。使用碳纖維材料來增強混凝土結構不需要施工現場的大型施工機械,佔用空間小,不需要溼工作,因此工作效率高。
3) 耐腐蝕性和耐久性。碳纖維材料化學性質穩定的。酸和鹼鹽等化學物質不與其發生化學反應。因此,用碳纖維材料增強的鋼筋混凝土構件可以完美的解決了化學腐蝕問題。
4) 不增加結構的自重及體積。碳纖維布重量輕,厚度薄,修復和修復的構件基本上不增加原始結構的重量和尺寸,因此不會降低建築物的使用空間。對於混凝土結構的裂縫可以使用碳纖維布有效地密封,來延長使用壽命。
5) 適用面廣。碳纖維布是一種可以隨意切割的柔性材料。並且,在不改變結構的形狀和尺寸的情況下,結構的各個部分不會影響結構的外觀。
3 鋼筋混凝土柱的破壞特徵及原因分析
3.1 鋼筋混凝土柱的破壞特徵
鋼筋混凝土柱的破壞模式可分為兩種類型:壓縮破壞(包括軸向壓縮柱和小偏置柱)和拉伸破壞(大偏置柱)。
3.1.1 軸壓柱的破壞特徵
軸心受壓柱的受力過程為:在大的外部載荷的作用下,首先出現與載荷方向基本平行的縱向裂縫,剝離保護層的混凝土,使混凝土破碎。上述過程根據色譜柱中條的排列略有不同。例如:當混凝土保護層很薄並且箍筋的間距很大時,鋼筋周邊的混凝土看起來被剝殼,分裂或剝落,並且鋼筋快速彎曲成燈籠形狀。這種損壞是突然的,並且當破裂時構件的縱向變形很小。
3.1.2 小偏心受壓柱的破壞特徵
當偏心距很小時,柱部分全部受壓,並且通常靠近軸向力的一側的壓縮應力較大。當負荷增加時,該側的混凝土首先被壓碎(發生縱向裂縫),並且壓制鋼筋的應力也達到抗壓強度。當構件破裂時,混凝土應力和另一側的鋼應力沒有達到抗壓強度。
當偏心率略大時,張力區的一小部分將出現在截面中,但壓縮應變的發展大於拉伸應變的發展。損傷首先發生在壓力側,受壓側的混凝土應變達到破壞時的極限壓應變,產生縱向裂縫,破碎部分較長。
3.1.3 大偏心受壓柱的破壞特徵
對於大偏心受壓柱,在張緊柱側面的柱的側表面首先承受載荷。裂縫繼續發展,延伸,並且在破壞之前主要裂縫是明顯的。並延伸到壓縮區,導致壓區面積迅速減小,最後在壓區內出現縱向裂縫,造成混凝土破碎,破壞區張力側的橫向裂紋較寬,壓力側的加固一般可達到抗壓強度,但在某些情況下,如果張緊鋼筋的量小,則壓制鋼筋的應力可能達不到抗壓強度。
綜上所述,除鋼筋混凝土柱的大偏心受壓外,其外觀性能明顯,軸向受壓和小偏心受壓的損傷跡象不明顯均屬於脆性破壞。
3.2 混凝土承載力不足的原因
設計錯誤,施工質量差,使用不當,材料在惡劣環境中老化,意外自然損壞,結構損壞,導致結構可靠性降低。
由於功能變化,通常需要加強結構。功能變化可以在使用階段或在應用階段發生。
國家設計規範的調整也將是結構強化的原因。由於設計標準的增加,所使用的結構可能不再符合當前規範的要求並需要加固。
重要結構超期服役。對於具有遺產價值的項目,有必要通過加固儘可能延長使用壽命。
4 鋼筋混凝土柱碳纖維加固的技術原理
當鋼筋混凝土受到軸向壓力時,損壞是由橫向膨脹引起的,具有非常小的極限值,例如在構件周圍產生橫向約束。為了防止壓力接收構件的這種橫向膨脹,可以提高構件的壓縮承載能力和變形能力。
碳纖維增強鋼筋混凝土柱在混凝土和碳纖維增強帶之間形成約束。由於橫向界面應力的約束,與單個相應的力狀態相比,塑性區的核心混凝土處於三相應力狀態。增加混凝土的極限壓應變和承載力,達到加固的目的。
5 碳纖維加固混凝土柱的方法
加固施工的一般工藝流程,首先進行卸荷,然後對基底驚醒處理,接著塗底膠,再找平,粘貼和保護。
5. 1 基底處理
1) 混凝土表面應去除剝落,空鼓,蜂窩,腐蝕等退化現象。
2)採用混凝土角磨機,砂紙等工具去除混凝土表面浮油麵,油汙等雜質,部件底座的混凝土基面應拋光平整。特別是,表面的凸起部分應該是平滑的,並且角部接頭應該被倒角並拋光成弧形。
3) 用風機清潔混凝土表面並保持乾燥。
5. 2 塗 膠
1) 按配合比主劑:固化劑成比例的3∶1的量製備底膠。將主劑和固化劑依次放入容器中,通過彈簧秤計量,並均勻攪拌電動攪拌器。根據現場的實際溫度,確定劑量,嚴格控制使用時間。
2) 混凝土表面均勻塗刷底膠,膠水固化後,將底漆均勻塗在混凝土表面(固化時間取決於現場的實際溫度,下一步是繼續指尖的乾燥。
5. 3 找 平
1) 在混凝土表面填充修復劑,並在模板接頭的高度差內填充修復劑,使高度差最小化。
2) 轉角部位也用修補劑修復,形成半徑不小於20mm的光滑弧形。
5. 4 粘 貼
1) 裁剪碳纖維布,按照設計要求的尺寸進行裁剪。
2) 混合粘合劑材料的粘合劑(與底漆相同的方法),然後均勻地塗在等待粘貼的部分上。塗層的厚度略微厚於底漆。
3) 粘貼碳纖維布。在確認粘貼部分是正確的之後,用專用工具反覆沿纖維方向按壓纖維以除去氣泡,使粘合劑完全被碳纖維布浸透。並用刮刀刮擦碳纖維布表面使其均勻。應重複上述步驟以進行多層黏合。
4) 在碳纖維布表面塗上均勻的粘合劑。用工具在纖維方向上反覆滾動,用刮板刮塗碳纖維布表面使其均勻。
5) 將粘合劑均勻塗在最後一層碳纖維布的表面上。使用工具反覆沿纖維方向滾動,並用刮板刮塗纖維布表面,使其均勻。
6) 碳纖維布沿纖維方向的重疊長度不小於200mm。
5.5 保 護
加固的碳纖維布應塗抹或噴塗防火材料給以保護。
5. 6 質量要求
1)每道工序完成後,應按工藝要求進行檢驗,並製作相應的驗收記錄。
2)碳纖維布與混凝土之間粘接質量作為施工結束後的現場驗收的評估標準。用小錘子等輕輕得敲擊碳纖維布的表面,根據回聲評估黏合的程度。如果存在空鼓粘附等現象,應使用粘貼方法來解決問題。如果粘合面積小於90%,則判定粘合無效並需要重新構造。
3) 嚴格控制施工現場的溫度和溼度。施工現場溫度在5°C~35°C範圍內,相對溼度不大於70%。
6 注意事項
1) 鋼筋混凝土柱加固前的卸載工作往往容易被忽略。容易發生碳纖維沒有被破壞並且混凝土已經被壓碎。該效果降低了碳纖維布的增強效果,並且不能充分發揮碳纖維布的高拉伸強度。
2) 矩形柱角部的倒角半徑應不小於20mm,並且優選改造柱的側面以形成凸面,以減小碳纖維布在拐角處的集中應力。
3) 混凝土表面的修復的好壞直接影響碳纖維布對混凝土的橫向約束作用,因此應高度重視該修復工作。
4) 使用碳纖維布進行加固時,應通過計算確定要粘貼的具體層數。考慮到每層的共同工作係數,抗疲勞和避免脆性破壞的能力,它通常不超過5層。另外,從機械性能的觀點來看,單層優於多層,窄寬度優於寬寬度,並且如果需要,縱向可以重疊。但是,搭接接頭的長度不得小於100mm,碳纖維布的末端應牢固固定。
7 結束語
採用碳纖維布加固的鋼筋混凝土柱能有效提高立柱的承載力,使鋼筋混凝土柱具有更大的延性和能量耗散。該方法施工對環境影響小,符合現代工程施工技術要求,有利於環境保護。但值得注意的是,有機橡膠耐高溫性差,高溫環境和防火等級要求較高的建築不能使用。
本文來源：鋼筋混凝土柱碳纖維加固技術的應用
作者：畢於欽
通訊單位：中鐵二十二局集團第四工程有限公司,天津301700