碳纤维复合材料的新应用.pdf

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1、第?期?年?月纤 维复合 材 料?旧?,综述碳纤维复合材料的新应用徐维强哈尔滨玻璃钢研究所提要本文介绍了国外碳纤维复合 材料片及其在修补加固钢筋混凝土结构中的应用情况、碳纤维 复合材料片修补 加固工艺的特点和对钢筋 混凝土结构物修补加固的效果及推广应用前景。关键词碳纤维复合材料片碳纤维复合材 料片修补加固工艺钢筋混凝土结构物?,?,一?,?厂?甘?,?臀?只?亨?骨?少甘?,?!?!?一、前,一匀一口以往,碳纤维主 要 用 于制造先进复合材料,并起到 了支柱 作用。但,由于碳纤维的优异特性和 随着价格的不断降低,近年来国外在建筑领域中,用来修补 加 固钢筋混 凝土结构物,引起了新的 注目,将出

2、现巨大市场。一种被称为碳纤维复合材料片修补加 固钢筋混凝土的新工艺已在日本、美 国、英国等国 出现,并在日本用于 由阪神大地震造成损坏 的钢筋混凝土桥板、桥墩 的修补加 固工程上,获得突破性进展。表?和表?分别列 出了日本近期采用这种新工艺修补加 固钢筋混凝土结构的种类、数量和与阪神大地震有关的工程项 目。据报导,英国曾用碳纤维复合材料来增强伦敦地下隧道的铸铁梁和 增 加石 油平台壁的耐冲击波性能等,他们最感兴趣的是用于海洋工业的基础结构物,并称可用碳纤维复合材料替代钢、混凝土、铸铁和铝。复合材料常用的热固性粘结剂有不 饱和 聚醋树脂、乙烯基酷树脂和 环氧树脂。表?日本近期用碳纤维 复合材料

3、片加固结构物的应用情况应用方面桥梁?桥板、桥墩?隧道烟简电线杆其它?平板、引水 渠、管道?件数?纤维复合材料?年表?应用方面桥梁隧道其它与阪神大地震有关工程项目万由于 混凝土的抗压强度高、抗拉强度低且脆,所以通常要埋入钢筋才能制成受力结构 物,这 就是钢筋混凝土。钢筋混凝土结构物本来可以说是永久性结构物,但因长期使用 且伴随疲劳、环境条件恶化等,表面会风化,易产生裂纹?裂纹的发展将引起钢筋腐蚀和 混凝土 剥落,需要 即时修补?另外,近来由于车辆趋于大型化,道桥的限制重量也随之提高,例如日本的限制重量由平和?年的?吨已提 高到?吨,在这种改变荷载的条件下,对已建成的道桥?包括桥墩和桥板?就需要

4、增强、加固,控制钢筋混凝土结构物 的裂缝发展 和缓和发生在钢筋上 的应 力,于是碳纤维在这里就有效的发挥了抗拉模量高和抗拉强度高的作用。例如,一般的钢筋混凝 土桥墩,从经济观点 出发,钢筋的用量通常采用中途减 少的设计方案,若在此部位贴 上碳 纤维复合材料片就 可以提高桥墩的抗弯强度?若从桥墩外侧 周向贴上碳纤维复合材料片就 能提 高它的剪切强度,同时由于对混凝土产生约束力,故改变了变形性能,提高了韧性,因而增 强了结构的抗震能力。二、碳纤维复合材料片及其修补加固工艺碳纤维复合材料片是采用常温固化的热 固性树脂?通常是环氧树脂?将定向排列 的碳纤维束粘结起来制成的薄片?见 图?。把这种薄片按照

5、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?见图?。碳纤维复合材料片修补加 固工艺有以下特点?碳纤维复合材料片轻,比重是铁的?。?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。?碳纤维复合材料片的耐腐蚀性能优异。?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。?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

6、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。徐维强?碳纤维复合材料的新应用脱 模纸布纂厂只对 脂”结剂图?碳纤维复合材料片断面示意图被加固?血?的处理整平涂 底漆涂粘结剂树脂贝占碳纤维复 合材 料片涂 粘结 剂树脂表面涂装碳纤维 复合材料片修补加 固工艺修补加固设计与效果夕一图一一一?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

7、?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,在日本用来修复受阪神大地震破坏的桥墩,获得 了很好的效果。?桥板修补加 固桥板的目的?提高桥板的承载力,使桥板 长期使用安全,?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

8、 要 注意,由于在桥板上有主 筋方向和配筋方向?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纤维复合材料?年维方 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。?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

9、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?能有效 的控制变形,?能有效的控制裂纹的发展,?能满足建筑物使用要求,?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。?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

10、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。?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

11、主 筋 屈服变形的?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。四、结论如上所述,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。参 考文献?卜?,?年?工业材料,第?卷,第?号,?月号森、松井、若下、西川?炭素纤维夕一卜忆止石床版下面补强效 果仁关寸石研 究,桥梁基础?宇治?夕 一卜状连续炭素纤维忆上石铁筋口夕夕?一卜构造物。补强耐久性向上仁关寸石研 究?小松、井上、明星?炭 素纤维少一卜补强?梁的曲强度研 究,土木学会第?回学术讲演会概要集第?部