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    碳纖維加固

    當前位置:首頁 - 業務范圍 - 碳纖維加固

    一、引言

    碳纖維片材加固混凝土結構作為一項科技含量很高的新的結構外部粘貼加固修復技術,雖然在我國研究、應用只有短短的幾年時間,但在廣大科技人員的共同努力下,有關研究成果不斷出現,工程應用范圍不斷擴大,已產生了巨大的經濟效益和較好的社會效益,現在該技術的巨大科技優勢已為廣大業主、土木和材料界工程技術人員和設計、施工單位所認同。《碳纖維片

    材加固修復混凝土結構技術規程我國第一個纖維增強材料加固修復混凝土結構技術領域的技術標準,它的編制和實施是為了在確保碳纖維片材加固工程質量的前提下,大力發展該項新技術,獲得更好的經濟效益和社會效益,并使該新技術在混凝土結構加固領域中的應用規范化,也為今后相關標準

    和規范的編制打下良好的基礎。二、規程的特點和適用范圍

    《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》

    適用于碳纖維片材加固修復房屋和一般構筑物的混凝土結構的設計、施工和驗收。對于混凝土結構因設計失誤、施工錯誤、材料質量不符合要求、結構荷載的增加、使用功能的改變和因遭受火災、水災、風災及地震等災害使結構和構件遭到損壞等均可采用碳纖維片材加固修復新技術來進行加固修復處

    理。另外對于鐵路工程、公路工程、港口工程和水利水電工程的混凝土結構用碳纖維片材進行加固也是可行的。同時,國內外研究和工程經驗表明,對砌體結構、

    鋼結構、木結構等也可以采用碳纖維片材進行加固,但應結合結構具體情況并參照本規程的規定執行。在執行本規程的同時,尚應配合使用和遵守其他現行國家標準、規范,如《混凝土結構設計規范》等。

    三、基本原則

    由于在混凝土結構外部粘貼碳纖維片材進行結構加固的設計、施工和檢驗都具有一定的特殊性,同時要與已有國家規范、標準協調,所以在保證安全適用、經濟合理、確保質量的前提下,需遵守下列基本原則:

    (用碳纖維片材加固修復混凝土結構前,應按照國家現行有關標準和規范對原有結構進行檢測鑒定或評估。通過檢測鑒定評定結構及其構件的可靠性程度,為碳纖維片材加固修復混凝土結構設計和施工提供基本依據。我國已有《工業廠房可靠性鑒定標準》和

    《民用建筑可靠性鑒定標準》等標準。

    #碳纖維片材加固修復混凝土結構技術作為一項新型結構加固技術,具有不同于其它加固方法的特殊性,規程強調應由對碳纖維復合材料性質及加固設計有經驗的專業設計人員進行設計,也應由熟悉該技術的專業施工隊伍施工,以保證該技術的有效實施。

    !保證加固修復后結構的可靠性,應使結構或構件在碳纖維片材加固修復失效的情況下不產生結構倒塌等嚴重破壞。

    )采用粘貼碳纖維片材加固修復的混凝土結構,長期使用環境溫度不應高于"$H。這是常溫固化樹脂類粘結材料的要求,同時也是因為一般混凝土結構

    "I


    使用溫度是低于此溫度的。當采用與碳纖維片材相配套的高溫固化樹脂類粘結材料,且有可靠依據時,可不受此規定限制。對處于特殊環境(腐蝕、放射、高溫等) 下的混凝土結構采用碳纖維片材進行加固修復時,還應遵守相應的國家現行有關標準和規范的規定,并應采取相應的防護措施。

    !當采用粘貼碳纖維片材對結構或構件進行加固修復時,應考慮加固后對結構中的其它構件或構件的其他性能可能產生的影響,保持加固前后結構體系的完整性和可靠度水平不降低。

    四、材料

    規程適用于高強度型的碳纖維布和碳纖維板,其本構關系呈典型的彈性材料的應力應變關系 "對于其他類型的碳纖維片材可以參照執行,但必須有可靠的試驗或工程依據,這也是今后研究的一個方向。

    材料的配套使用問題是碳纖維片材加固混凝土結構的關鍵問題之一,由于不同的碳纖維片材與不同的樹脂類粘結材料之間的復合效應不

    同,粘結質量有較大的差別,因此,要

    為試驗研究和工程經驗證明,單層碳纖維布的單位面積碳纖維質量越大,施工時浸漬樹脂越不容易完全浸透,施工質量越難以保證。碳纖維板過厚或過寬,施工質量均較難保證,在設計和施工時,都應盡量使用寬度較小的碳纖維板。材料研究表明碳纖維板中碳纖維體積含量在*%, !-%, 時性能最好,故本規程建議碳纖維板中纖維體積含量不宜低于*%,。設計與施工單位對此應予以重視。

    碳纖維布片材加固混凝土結構的耐火性能是許多業主和工程技術人員關心的問題之一,由于碳纖維片材本身不具有足夠的防火能力,加上碳纖維片材主要起加固修復作用,并不是作為防火材料應用的,故規程要求在碳纖維片材加固混凝土結構后,應對已加固修復完的結構表面進行防護處理,表面防護材料應與浸漬樹脂或粘結樹脂可靠粘結,選用的防火材料及其處理方法應使加固后建筑物達到要求的防火等級;當被加固結構處于其它特殊環境時,應根據具體情況選擇有效的防護材料。

    碳纖維片材的主要力學性能指標要 !


    求在采用粘貼碳纖維片材對混凝土結構進行加固修復時,使用的碳纖維

    " 碳纖維片材

    應力#應變關系


    片材、樹脂類粘結材料及表面防護材料必須配套、協調,這是加固成功的一個關鍵,原則上應有試驗資料證明粘結材料與配套碳纖維片材的粘結效果,這是為了避免因粘結材料與碳纖維片材不配套而造成加固效果降低或加固失效。根據目前國內應用情況,規程中只列出了單向碳纖維片材性能指標的最低要求,即碳纖維片材及配套樹脂類粘結材料應具有的物理力學性能指標、配套樹脂類粘結材料的耐久性能指標及施工和

    使用環境要求,如表"!$ 所示,同時要求加固修復用材料應具有產品合格證和質檢部門的產品性能檢測報告。由于目前市場上使用的加固材料種類很多、性能各異,為了保證工程質量,加固修復用材料的基本要求是碳纖維片材和配套粘結材料各自產品的性能必須符合本規程的規定才能作為混凝土結構加固修復用材

    料,而使用不滿足規定的產品進行結構加固修復會導致加固失效甚至造成嚴重事故。另外,為了保證材料之間的配套和協調,對材料粘結性能指標建立了標準檢驗方法,作為附錄列入本規程中。

    規程規定單層碳纖維布單位面積碳纖維質量不宜低于"!%&(,不宜高于)!%&(。在施工質量有可靠保證時,單層碳纖維布單位面積碳纖維質量可提高到

    *%%&(。碳纖維板的厚度不宜大于(+%’’,寬度不宜大于(%%’’,纖維體積含量不宜小于*%,。這是因

    -%


     

    底層樹脂及找平材料性能指123 "

     

    性 能

    性能指標要求

    正拉粘結強度

    !(4!123且不小于被加固混凝土抗拉強度標準值!60

     

    浸漬樹脂和粘結樹脂性能指123 #

     

    性 能

    性能指標要求

    性 能

    性能指標要求

    拉伸剪切強度

     

    !"%

    正拉粘結強度

    !(4!,且不小于被加固混凝土抗拉強度標準值!60

    拉伸強度

    !$%

    彈性模量

    !"!%%

    壓縮強度

    !-%

    伸長率,

    !"4!

    彎曲強度

    !)%



    五、設計規定

    碳纖維片材在混凝土結構受彎構件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應用最多,相應計算理論也較為成熟,規程列出了這三種加固形式的設計計算方法和構造規定。除此以外,碳纖維片材也可用于受拉構件的加固,用于軸心受壓構件的加固。

    在受彎加固時,也可采用對碳纖維片材施加預應力的方法提高加固效果。碳纖維片材也可用于剪力墻以及殼體、筒倉、煙囪等特種結構的加固,雖有研究表明這些加固方法是有效的,但相應計算理論和方法的研究尚不充分,應用也較少,故目前暫未列入本規程。應用中,當有可靠依據時,可采用這種加固方法。


    碳纖維片材應采用配套樹脂類粘結材料粘貼于構件表面,在構件受力過程中應與構件保持變形協調,應采取措施保證不發生粘貼面的過早剝離而導致加固效果顯著降低。規程中的設計計算方法均是基于這一前提建立的,且主要按《建筑結構設計統一標準》以概率理論為基礎的極限狀態設計法確定有關加固計算方法,使其與結構設計規范協調。

    采用粘貼碳纖維片材進行結構加固修復,必要時宜卸除結構上的活荷載作用。當不能完全卸載進行加固時,應考慮二次受力的影響。

    構造方面主要有如下幾點,當碳纖維布沿其纖維方向需繞構件轉角處粘貼時,應進行導角處理,且采用規定的材

    脆性破壞,且碳纖維片材中的應力很小,必須避免,一般通過構造或錨固措施予以保證,規程中有具體的闡述,不再贅述。

    試驗研究表明,碳纖維片材加固混凝土結構構件有多種破壞形態,除了與普通混凝土構件相同的以外, 還有一些特殊的破壞形態,如碳纖維片材的剝離破壞等。構件達到破壞極限狀態時,碳纖維片材的極限抗拉強度往往不能得到完全發揮,此時應以達到破壞極限狀態時碳纖維片材所達到的應變值來確定其貢獻。同時,由于碳纖維片材在最終拉斷時表現為顯著的脆性,因此即使對在構件破壞時碳纖維片材可達到其極限抗拉強度的情況,也應選擇小于其極限拉應變的允許拉應變作為設計極限狀態的標準,以保證有足夠的可靠度。由于加固量過大時容易產生過早的剝離破


    料時轉角處構件外表面的曲

    率半徑應不小于!"##!這樣可以保證碳纖維片材的

    ! 構件轉角處粘貼示意圖

    壞,而碳纖維片材的強度不能充分發揮,設計中通過限

    制受壓區高度的方法予以解決。

    !%受剪加固方法


    受力和傳力均勻。另外碳纖維布沿纖維受力方向的搭接長度應不小于$""##。當采用多條或多層碳纖維布加固時,各條或各層碳纖維布之間的搭接位置宜相互錯開。為保證碳纖維片材能可靠地與混凝土共同工作,必要時應采取附加錨固措施。

    $%受彎加固要點

    考慮到碳纖維片材加固修復混凝土結構的特殊性,對梁、板構件受彎加固的承載力計算除應符合現行國家規范鋼筋混凝土構件正截面受彎承載力計算的基本假定外,還應符合下列要求$達到受彎承載力極限狀態時碳纖維片材的拉應變根據截面應變保持平面的假定確定,但不應超過碳纖維片材允許拉應變!當考慮二次受力影響時,應根據加固時的荷載狀況,按截面應變保持平面的假定計算加固前受拉區邊緣混凝土的初始應變&碳纖維片材的拉應力取碳纖維片材彈性模量與其拉應變的乘積達到受彎承載力極限狀態前,碳纖維片材與混凝土之間不發生粘結剝離破壞。

    根據試驗與理論分析研究,粘貼碳纖維片材進行受彎加固時構件的破壞形態主要有$受拉鋼筋先達到屈服,然后受壓區混凝土壓壞,此時碳纖維片材未達到其允許拉應變!受拉鋼筋先達到屈服,然后碳纖維片材超過其允許拉應變,并達到極限拉應變而拉斷,而此時受壓區混凝土尚未壓壞&加固量過大,在受拉鋼筋達到屈服前受壓區混凝土壓壞在達到正截面極限承載力前,碳纖維片材與混凝土產生剝離破壞。規程規定對受彎加固按前兩種破壞形態進行設計計算。對于第& 種破壞形態通過控制加固量上限來避免,即通過受壓區高度的限制來控制。第種破壞形態屬于

    規程中碳纖維片材的受剪承載力是根據加固后構件達到最大受剪承載力時碳纖維片材的應變發揮程度確定的。受剪計算公式均是按碳纖維片材纖維方向與構件軸向垂直的情況給出的,當采用其它方向粘貼碳纖維片材時,相應的受剪計算公式應有可靠的依據。

    抗剪加固的構造措施中,應優先采用封閉粘貼形式,因 ( 形粘貼和側面粘貼易產生剝離破壞,影響碳纖維片材加固作用的發揮,故當采用 ( 形粘貼和側面粘貼時,應增加附加粘貼面積,提高抗剝離承載力。試驗表明,對于 ( 形粘貼,當采取可靠的機械錨固措施時,與封閉粘貼具有同樣效果。

    一般情況下,對結構 構件的加固是局部的。加固后結構體系的受力有可能改變,因此,加固設計中應進行驗算,保證不發生脆性破壞。例如在受彎加固后避免剪切破壞先于受彎破壞發生等。考慮到實際工程中某些結構的混凝土強度可能低于現行國家規范的最低強度等級要求,但如果結構混凝土強度過低,與碳纖維片材的粘結強度較低,易產生脆性顯著的剝離破壞, 碳纖維片材也不能充分發揮作用,因此被加固結構的混凝土強度不宜過低。而對于封閉粘貼碳纖維片材約束的混凝土,當封閉碳纖維片材搭接構造滿足本規程的規定時,封閉粘貼碳纖維片材約束混凝土的抗壓強度可以得到提高,故被加固結構的混凝土強度等級最低可放寬至)$"

    &%抗震加固方法

    規程中抗震加固設計方法采用總折算體積配箍率限制方法進行加固量計算。采用碳纖維片材纏繞加固混凝土柱可以約束混凝土的變形,從而提高混凝土抗

    *$壓強度,降低軸壓比,但這方面的研究目前還不充分, 規程中沒有給出明確的定量計算公式,當有可靠依據時,可以考慮軸壓比降低的影響。柱的抗震加固必須采用封閉式粘貼并有可靠連接,搭接長度比受彎、受剪加固時的

    長度要長一些,以保證加固效果。

    六、施工規定

    與其他加固方法相比,外部粘貼碳纖維片材加固結構的施工方法具有一定的特殊性,必須遵循下列工序進行:施工準備、表面處理、涂刷底層樹脂、找平處理、粘貼碳纖維片材、表面防護。這種三步式施工方法已經實踐證明具有較好的效果和較高的效率。

    研究結果表明,在底層樹脂表面指觸干燥到完全固化期間進行下一步工序施工的粘結效果最好,當有試驗依據時也可以在底層樹脂完全固化后進行下一步工序。樹脂的指觸干燥是指樹脂達到凝膠的狀態,用手指觸摸樹脂表面有凝膠的感覺,但不會粘附樹脂的狀態。

    試驗研究和工程經驗證明,只有浸漬樹脂充分浸透在碳纖維布中才能保證碳纖維布的粘貼質量,否則對粘貼質量有很不利的影響。用專用滾筒滾壓碳纖維布時,可以向一個方向,也可以從中間向兩個方向滾動,但不允許來回反復滾動,以免損傷碳纖維,影響粘結質量。研究結果表明,在浸漬樹脂表面指觸干燥到完全固化期間進行下一步工序施工的粘結效果最好, 當有試驗依據時也可以在浸漬樹脂完全固化后進行下一層碳纖維布的粘貼。

    施工現場的環境溫度必須符合粘結材料的使用溫度才能保證粘貼質量,如果不能滿足,必須采取措施使其滿足要求后再進行粘貼。當環境濕度不超過!"#時,可以不考慮環境濕度對常溫固化樹脂的不利影響, 當然如果采用適用于潮濕環境的粘結材料時可不受此限制。配制底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結樹脂

    時均應滿足產品給出的要求,在施工中應根據施工進度和環境溫度控制每次的拌合量,以保證在粘結材料的規定使用時間內有效地使用拌合好的粘結材料。由于碳纖維片材為導電材料,施工碳纖維片材時應遠離電氣設備及電源,或采取可靠的防護措施,并應保障工人人身安全,采取有效的勞動保護措施。

    七、檢驗與驗收

    規程規定了從材料檢驗、隱蔽工程以及各項工序質量檢驗等的檢驗形式、檢驗位置、檢驗數量、檢驗方法等,符合一般工程質量檢驗要求和碳纖維片材加固修復混凝土結構技術質量檢驗的特殊要求。

    碳纖維片材與混凝土之間的粘結質量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法來檢查,總有效粘結面積不應低于$%#。當碳纖維布的空鼓面積小&""""’’(  時,可采用針管注膠的方式進 行補救。空鼓面積大于&""""’’(  時,宜將空鼓處的碳纖維片材切除,重新搭接貼上等量的碳纖維片材,搭接長度應不小于&""’’。這種檢查方法經實踐檢驗是有效、簡便的,適用于任何條件下的碳纖維片材與混凝土粘結質量的檢查。主要要求有經驗的人員完成。

    其中現場施工質量檢驗方法列入附錄中,這是參考國內外的有關施工檢驗資料和國內實踐經驗開發出來的具有創新性的方法,該方法在檢驗設備、取樣方式、數據計算與處理、質量判據等方面都作出了規定。

    八、結語

    《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》對已經成熟的碳纖維片材加固修復混凝土結構的有關技術作出了比較詳盡的規定和論述,這里僅作一簡單的介紹,當然,規程還有一些有待于補充和完善的地方,這也是今后工作內容之一,希望關心該技術發展的人士提出各自的見解,提供有關的研究成果,共同促進)*+ 混凝土結構技術在我國的發展。



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