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    碳纤维加固

    当前位置:首页 - 业务范围 - 碳纤维加固

    一、引言

    碳纤维片材加固混凝土结构作为一项科技含量很高的新的结构外部粘贴加固修复技术,虽然在我国研究、应用只有短短的几年时间,但在广大科技人员的共同努力下,有关研究成果不断出现,工程应用范围不断扩大,已产生了巨大的经济效益和较好的社会效益,现在该技术的巨大科技优势已为广大业主、土木和材料界工程技术人员和设计、施工单位所认同。《碳纤维片

    材加固修复混凝土结构技术规程我国第一个纤维增强材料加固修复混凝土结构技术领域的技术标准,它的编制和实施是为了在确保碳纤维片材加固工程质量的前提下,大力发展该项新技术,获得更好的经济效益和社会效益,并使该新技术在混凝土结构加固领域中的应用规范化,也为今后相关标准

    和规范的编制打下良好的基础。二、规程的特点和适用范围

    《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》

    适用于碳纤维片材加固修复房屋和一般构筑物的混凝土结构的设计、施工和验收。对于混凝土结构因设计失误、施工错误、材料质量不符合要求、结构荷载的增加、使用功能的改变和因遭受火灾、水灾、风灾及地震等灾害使结构和构件遭到损坏等均可采用碳纤维片材加固修复新技术来进行加固修复处

    理。另外对于铁路工程、公路工程、港口工程和水利水电工程的混凝土结构用碳纤维片材进行加固也是可行的。同时,国内外研究和工程经验表明,对砌体结构、

    钢结构、木结构等也可以采用碳纤维片材进行加固,但应结合结构具体情况并参照本规程的规定执行。在执行本规程的同时,尚应配合使用和遵守其他现行国家标准、规范,如《混凝土结构设计规范》等。

    三、基本原则

    由于在混凝土结构外部粘贴碳纤维片材进行结构加固的设计、施工和检验都具有一定的特殊性,同时要与已有国家规范、标准协调,所以在保证安全适用、经济合理、确保质量的前提下,需遵守下列基本原则:

    (用碳纤维片材加固修复混凝土结构前,应按照国家现行有关标准和规范对原有结构进行检测鉴定或评估。通过检测鉴定评定结构及其构件的可靠性程度,为碳纤维片材加固修复混凝土结构设计和施工提供基本依据。我国已有《工业厂房可靠性鉴定标准》和

    《民用建筑可靠性鉴定标准》等标准。

    #碳纤维片材加固修复混凝土结构技术作为一项新型结构加固技术,具有不同于其它加固方法的特殊性,规程强调应由对碳纤维复合材料性质及加固设计有经验的专业设计人员进行设计,也应由熟悉该技术的专业施工队伍施工,以保证该技术的有效实施。

    !保证加固修复后结构的可靠性,应使结构或构件在碳纤维片材加固修复失效的情况下不产生结构倒塌等严重破坏。

    )采用粘贴碳纤维片材加固修复的混凝土结构,长期使用环境温度不应高于"$H。这是常温固化树脂类粘结材料的要求,同时也是因为一般混凝土结构

    "I


    使用温度是低于此温度的。当采用与碳纤维片材相配套的高温固化树脂类粘结材料,且有可靠依据时,可不受此规定限制。对处于特殊环境(腐蚀、放射、高温等) 下的混凝土结构采用碳纤维片材进行加固修复时,还应遵守相应的国家现行有关标准和规范的规定,并应采取相应的防护措施。

    !当采用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加固修复时,应考虑加固后对结构中的其它构件或构件的其他性能可能产生的影响,保持加固前后结构体系的完整性和可靠度水平不降低。

    四、材料

    规程适用于高强度型的碳纤维布和碳纤维板,其本构关系呈典型的弹性材料的应力应变关系 "对于其他类型的碳纤维片材可以参照执行,但必须有可靠的试验或工程依据,这也是今后研究的一个方向。

    材料的配套使用问题是碳纤维片材加固混凝土结构的关键问题之一,由于不同的碳纤维片材与不同的树脂类粘结材料之间的复合效应不

    同,粘结质量有较大的差别,因此,要

    为试验研究和工程经验证明,单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量越大,施工时浸渍树脂越不容易完全浸透,施工质量越难以保证。碳纤维板过厚或过宽,施工质量均较难保证,在设计和施工时,都应尽量使用宽度较小的碳纤维板。材料研究表明碳纤维板中碳纤维体积含量在*%, !-%, 时性能最好,故本规程建议碳纤维板中纤维体积含量不宜低于*%,。设计与施工单位对此应予以重视。

    碳纤维布片材加固混凝土结构的耐火性能是许多业主和工程技术人员关心的问题之一,由于碳纤维片材本身不具有足够的防火能力,加上碳纤维片材主要起加固修复作用,并不是作为防火材料应用的,故规程要求在碳纤维片材加固混凝土结构后,应对已加固修复完的结构表面进行防护处理,表面防护材料应与浸渍树脂或粘结树脂可靠粘结,选用的防火材料及其处理方法应使加固后建筑物达到要求的防火等级;当被加固结构处于其它特殊环境时,应根据具体情况选择有效的防护材料。

    碳纤维片材的主要力学性能指标要 !


    求在采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构进行加固修复时,使用的碳纤维

    " 碳纤维片材

    应力#应变关系


    片材、树脂类粘结材料及表面防护材料必须配套、协调,这是加固成功的一个关键,原则上应有试验资料证明粘结材料与配套碳纤维片材的粘结效果,这是为了避免因粘结材料与碳纤维片材不配套而造成加固效果降低或加固失效。根据目前国内应用情况,规程中只列出了单向碳纤维片材性能指标的最低要求,即碳纤维片材及配套树脂类粘结材料应具有的物理力学性能指标、配套树脂类粘结材料的耐久性能指标及施工和

    使用环境要求,如表"!$ 所示,同时要求加固修复用材料应具有产品合格证和质检部门的产品性能检测报告。由于目前市场上使用的加固材料种类很多、性能各异,为了保证工程质量,加固修复用材料的基本要求是碳纤维片材和配套粘结材料各自产品的性能必须符合本规程的规定才能作为混凝土结构加固修复用材

    料,而使用不满足规定的产品进行结构加固修复会导致加固失效甚至造成严重事故。另外,为了保证材料之间的配套和协调,对材料粘结性能指标建立了标准检验方法,作为附录列入本规程中。

    规程规定单层碳纤维布单位面积碳纤维质量不宜低于"!%&(,不宜高于)!%&(。在施工质量有可靠保证时,单层碳纤维布单位面积碳纤维质量可提高到

    *%%&(。碳纤维板的厚度不宜大于(+%’’,宽度不宜大于(%%’’,纤维体积含量不宜小于*%,。这是因

    -%


     

    底层树脂及找平材料性能指123 "

     

    性 能

    性能指标要求

    正拉粘结强度

    !(4!123且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值!60

     

    浸渍树脂和粘结树脂性能指123 #

     

    性 能

    性能指标要求

    性 能

    性能指标要求

    拉伸剪切强度

     

    !"%

    正拉粘结强度

    !(4!,且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值!60

    拉伸强度

    !$%

    弹性模量

    !"!%%

    压缩强度

    !-%

    伸长率,

    !"4!

    弯曲强度

    !)%



    五、设计规定

    碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的受弯加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和应用最多,相应计算理论也较为成熟,规程列出了这三种加固形式的设计计算方法和构造规定。除此以外,碳纤维片材也可用于受拉构件的加固,用于轴心受压构件的加固。

    在受弯加固时,也可采用对碳纤维片材施加预应力的方法提高加固效果。碳纤维片材也可用于剪力墙以及壳体、筒仓、烟囱等特种结构的加固,虽有研究表明这些加固方法是有效的,但相应计算理论和方法的研究尚不充分,应用也较少,故目前暂未列入本规程。应用中,当有可靠依据时,可采用这种加固方法。


    碳纤维片材应采用配套树脂类粘结材料粘贴于构件表面,在构件受力过程中应与构件保持变形协调,应采取措施保证不发生粘贴面的过早剥离而导致加固效果显著降低。规程中的设计计算方法均是基于这一前提建立的,且主要按《建筑结构设计统一标准》以概率理论为基础的极限状态设计法确定有关加固计算方法,使其与结构设计规范协调。

    采用粘贴碳纤维片材进行结构加固修复,必要时宜卸除结构上的活荷载作用。当不能完全卸载进行加固时,应考虑二次受力的影响。

    构造方面主要有如下几点,当碳纤维布沿其纤维方向需绕构件转角处粘贴时,应进行导角处理,且采用规定的材

    脆性破坏,且碳纤维片材中的应力很小,必须避免,一般通过构造或锚固措施予以保证,规程中有具体的阐述,不再赘述。

    试验研究表明,碳纤维片材加固混凝土结构构件有多种破坏形态,除了与普通混凝土构件相同的以外, 还有一些特殊的破坏形态,如碳纤维片材的剥离破坏等。构件达到破坏极限状态时,碳纤维片材的极限抗拉强度往往不能得到完全发挥,此时应以达到破坏极限状态时碳纤维片材所达到的应变值来确定其贡献。同时,由于碳纤维片材在最终拉断时表现为显著的脆性,因此即使对在构件破坏时碳纤维片材可达到其极限抗拉强度的情况,也应选择小于其极限拉应变的允许拉应变作为设计极限状态的标准,以保证有足够的可靠度。由于加固量过大时容易产生过早的剥离破


    料时转角处构件外表面的曲

    率半径应不小于!"##!这样可以保证碳纤维片材的

    ! 构件转角处粘贴示意图

    坏,而碳纤维片材的强度不能充分发挥,设计中通过限

    制受压区高度的方法予以解决。

    !%受剪加固方法


    受力和传力均匀。另外碳纤维布沿纤维受力方向的搭接长度应不小于$""##。当采用多条或多层碳纤维布加固时,各条或各层碳纤维布之间的搭接位置宜相互错开。为保证碳纤维片材能可靠地与混凝土共同工作,必要时应采取附加锚固措施。

    $%受弯加固要点

    考虑到碳纤维片材加固修复混凝土结构的特殊性,对梁、板构件受弯加固的承载力计算除应符合现行国家规范钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基本假定外,还应符合下列要求$达到受弯承载力极限状态时碳纤维片材的拉应变根据截面应变保持平面的假定确定,但不应超过碳纤维片材允许拉应变!当考虑二次受力影响时,应根据加固时的荷载状况,按截面应变保持平面的假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变&碳纤维片材的拉应力取碳纤维片材弹性模量与其拉应变的乘积达到受弯承载力极限状态前,碳纤维片材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。

    根据试验与理论分析研究,粘贴碳纤维片材进行受弯加固时构件的破坏形态主要有$受拉钢筋先达到屈服,然后受压区混凝土压坏,此时碳纤维片材未达到其允许拉应变!受拉钢筋先达到屈服,然后碳纤维片材超过其允许拉应变,并达到极限拉应变而拉断,而此时受压区混凝土尚未压坏&加固量过大,在受拉钢筋达到屈服前受压区混凝土压坏在达到正截面极限承载力前,碳纤维片材与混凝土产生剥离破坏。规程规定对受弯加固按前两种破坏形态进行设计计算。对于第& 种破坏形态通过控制加固量上限来避免,即通过受压区高度的限制来控制。第种破坏形态属于

    规程中碳纤维片材的受剪承载力是根据加固后构件达到最大受剪承载力时碳纤维片材的应变发挥程度确定的。受剪计算公式均是按碳纤维片材纤维方向与构件轴向垂直的情况给出的,当采用其它方向粘贴碳纤维片材时,相应的受剪计算公式应有可靠的依据。

    抗剪加固的构造措施中,应优先采用封闭粘贴形式,因 ( 形粘贴和侧面粘贴易产生剥离破坏,影响碳纤维片材加固作用的发挥,故当采用 ( 形粘贴和侧面粘贴时,应增加附加粘贴面积,提高抗剥离承载力。试验表明,对于 ( 形粘贴,当采取可靠的机械锚固措施时,与封闭粘贴具有同样效果。

    一般情况下,对结构 构件的加固是局部的。加固后结构体系的受力有可能改变,因此,加固设计中应进行验算,保证不发生脆性破坏。例如在受弯加固后避免剪切破坏先于受弯破坏发生等。考虑到实际工程中某些结构的混凝土强度可能低于现行国家规范的最低强度等级要求,但如果结构混凝土强度过低,与碳纤维片材的粘结强度较低,易产生脆性显著的剥离破坏, 碳纤维片材也不能充分发挥作用,因此被加固结构的混凝土强度不宜过低。而对于封闭粘贴碳纤维片材约束的混凝土,当封闭碳纤维片材搭接构造满足本规程的规定时,封闭粘贴碳纤维片材约束混凝土的抗压强度可以得到提高,故被加固结构的混凝土强度等级最低可放宽至)$"

    &%抗震加固方法

    规程中抗震加固设计方法采用总折算体积配箍率限制方法进行加固量计算。采用碳纤维片材缠绕加固混凝土柱可以约束混凝土的变形,从而提高混凝土抗

    *$压强度,降低轴压比,但这方面的研究目前还不充分, 规程中没有给出明确的定量计算公式,当有可靠依据时,可以考虑轴压比降低的影响。柱的抗震加固必须采用封闭式粘贴并有可靠连接,搭接长度比受弯、受剪加固时的

    长度要长一些,以保证加固效果。

    六、施工规定

    与其他加固方法相比,外部粘贴碳纤维片材加固结构的施工方法具有一定的特殊性,必须遵循下列工序进行:施工准备、表面处理、涂刷底层树脂、找平处理、粘贴碳纤维片材、表面防护。这种三步式施工方法已经实践证明具有较好的效果和较高的效率。

    研究结果表明,在底层树脂表面指触干燥到完全固化期间进行下一步工序施工的粘结效果最好,当有试验依据时也可以在底层树脂完全固化后进行下一步工序。树脂的指触干燥是指树脂达到凝胶的状态,用手指触摸树脂表面有凝胶的感觉,但不会粘附树脂的状态。

    试验研究和工程经验证明,只有浸渍树脂充分浸透在碳纤维布中才能保证碳纤维布的粘贴质量,否则对粘贴质量有很不利的影响。用专用滚筒滚压碳纤维布时,可以向一个方向,也可以从中间向两个方向滚动,但不允许来回反复滚动,以免损伤碳纤维,影响粘结质量。研究结果表明,在浸渍树脂表面指触干燥到完全固化期间进行下一步工序施工的粘结效果最好, 当有试验依据时也可以在浸渍树脂完全固化后进行下一层碳纤维布的粘贴。

    施工现场的环境温度必须符合粘结材料的使用温度才能保证粘贴质量,如果不能满足,必须采取措施使其满足要求后再进行粘贴。当环境湿度不超过!"#时,可以不考虑环境湿度对常温固化树脂的不利影响, 当然如果采用适用于潮湿环境的粘结材料时可不受此限制。配制底层树脂、找平材料、浸渍树脂和粘结树脂

    时均应满足产品给出的要求,在施工中应根据施工进度和环境温度控制每次的拌合量,以保证在粘结材料的规定使用时间内有效地使用拌合好的粘结材料。由于碳纤维片材为导电材料,施工碳纤维片材时应远离电气设备及电源,或采取可靠的防护措施,并应保障工人人身安全,采取有效的劳动保护措施。

    七、检验与验收

    规程规定了从材料检验、隐蔽工程以及各项工序质量检验等的检验形式、检验位置、检验数量、检验方法等,符合一般工程质量检验要求和碳纤维片材加固修复混凝土结构技术质量检验的特殊要求。

    碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查,总有效粘结面积不应低于$%#。当碳纤维布的空鼓面积小&""""’’(  时,可采用针管注胶的方式进 行补救。空鼓面积大于&""""’’(  时,宜将空鼓处的碳纤维片材切除,重新搭接贴上等量的碳纤维片材,搭接长度应不小于&""’’。这种检查方法经实践检验是有效、简便的,适用于任何条件下的碳纤维片材与混凝土粘结质量的检查。主要要求有经验的人员完成。

    其中现场施工质量检验方法列入附录中,这是参考国内外的有关施工检验资料和国内实践经验开发出来的具有创新性的方法,该方法在检验设备、取样方式、数据计算与处理、质量判据等方面都作出了规定。

    八、结语

    《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》对已经成熟的碳纤维片材加固修复混凝土结构的有关技术作出了比较详尽的规定和论述,这里仅作一简单的介绍,当然,规程还有一些有待于补充和完善的地方,这也是今后工作内容之一,希望关心该技术发展的人士提出各自的见解,提供有关的研究成果,共同促进)*+ 混凝土结构技术在我国的发展。



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