2007 No.6 蒋文勇,等:碳纤维在土木工程加固中的应用研究 71 2.2碳纤维的耐久性 碳纤维是一种广泛应用于航空航天领域的高科 技材料,在化学上是非常稳定的物质,也是具有良好 耐久性的材料。国内外关于碳纤维的耐久性方面的 研究,已取得了一系列的实验成果 。 。表3,4给 出的其中一部分实验结果表明,CFRP的耐久性能 好;碱性环境对CFRP的耐久性能影响较小,但水环 境、冻融循环、湿热环境对CFRP的耐久性能有一定 不利影响。碳纤维布材本身在各种环境条件下有良 好的耐腐蚀性,可以抵抗常遇的酸、碱、盐及大气腐 蚀等作用,有较好的抗疲劳性能。碳纤维加固后往 往外面还会进行整饰,也就是说,碳纤维通常均不会 直接暴露于有害介质中,因而,其耐久性还能进一步 提高。 表3环境因素对碳纤维的抗拉强度、弹性模量、极限应变 影响结果 Table 3 The effect on tensile strength。modulus of elastic- ity。peak strain caused by environmental factors 实验试件 抗拉强j F/MPa 弹性模量/GPa 极限应变s 注:表中括号内数据表示5个试件中的最大值、最小值与平均值的 差值。 表4碳纤维布耐久性试验结果 Table 4 The result of CFRP durability test 试验目的 试验方法 试验结果 境布下抗拉的强碳度纤 及维墓 自lOa 然及 的50a 快速暴自露然试暴验露(相时蓍当间 触未于) ~ 象 的耐采用水喷雾试验 强度未 的耐 茬蓑 艄维温度 ℃’2s ℃ 围 碳纤维片材加固混凝土结构,在维持碳纤维片 材应力不变的情况下,碳纤维片材的应变会随时间 不断地增加。碳纤维片材的徐变性能对耐久性的影 响 见表5。在对结构进行承载能力加固时,碳纤 维片材受到长期的荷载作用,徐变现象的存在,会对 加固的长期效果产生一定的不利影响。 表5碳纤维片材的徐变性能对耐久性的影响 Table 5 The effect on durability of CFRP by creep 2.3碳纤维与混凝土粘结界面的耐久性 碳纤维布与混凝土粘结界面性能的主要指标是 抗剪粘结强度。大部分试验都是通过对碳纤维布与 混凝土粘结界面性能的抗剪强度测试进行评定。 cFRP一混凝土在紫外线照射下拉伸剪切强度试验 结果¨ 见表6。可见,紫外线对CFRP与混凝土的 粘结性能影响较大。水和水汽的存在,会影响粘结 界面的质量 ;而在长期暴露湿气环境中,是影响 粘结强度最有害的因素¨副(暴露在10000 h的 100%湿气下,温度为38℃±2℃,其粘结强度平均 降低33%)。文献[19]指出,经过海水腐蚀后,碳 纤维与混凝土界面的粘结强度下降。虽然混凝土强 度等级对cFRP一混凝土界面的粘结强度影响很 小,但不同种类的纤维布、粘结树脂、有无防护以及 预加应力,对界面的粘结强度都有一定的影响。冻 融循环和湿热环境对FRP与混凝土的粘结性能有 较大的不利影响¨ 。 表6 2种cFRP一混凝土在紫外线照射下拉伸剪切强度 试验结果 Table 6 The result of two kinds of CFRP.concrete ter ̄sile and shear strength test under the ultraviolet 照射时间/n— 墨 骂 墅曼 对于用碳纤维加固的混凝土结构,温度的变化 会引起碳纤维与混凝土界面应力的变化,影响加固 结构的耐久性。文献[20]指出,在碳纤维片材刚度 一定的条件下,随温差的增大,碳纤维与混凝土界面 的温度应力也随之增大。在温差一定条件下,碳纤 维的刚度越大,界面温度应力也越大。而混凝土构 件的刚度对界面温度应力影响不大,在降温温差作 用下,碳纤维加固混凝土构件在界面处混凝土受拉, 碳纤维受压。由于温度的变化,引起碳纤维、混凝土 以及碳纤维与混凝土界面应力的交替变化,虽然碳 维普资讯 http://www.cqvip.com
72 四川建筑科学研究 [2] 赵彤,谢第33卷 剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M]. 纤维以及粘结树脂的抗疲劳性能好,但是会引起混 凝土的疲劳破坏,从而降低结构的耐久性。 天津:天津大学出版社,2001. [3]岳清瑞.我国碳纤维增强塑料(CFRP)加固修复技术研究应用 现状与展望[J].工业建筑,2000,30(10):23-26. [4]李荣,等.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域—嵌入式 (NSM)加固法[J].工业建筑,2004,34(4):5一lO. [5]Omrane Benjeddou,et 1a.Damagd eRC b㈣8 repaired by bonding of CFRP laminates[J].Construction and Building Materials (2oo6),doi:10.1016/j.conbuildmat.2006.O1.008. 3 碳纤维加固混凝土结构需进一步 解决的问题 我国于1997年由日本引进该技术,目前主要用 于钢筋混凝土建筑物的梁、板、柱等构件的补强加 固。随着使用范围可能扩大至大体积混凝土加 固 ¨、水下混凝土结构加固、地下混凝土加固、腐蚀 性环境下的混凝土加固等情况,对碳纤维加固技术 提出了新的要求,碳纤维加固研究领域面临着许多 新的课题。 (1)开展受力机理、长期受力性能方面的深人 研究。虽然有少量这方面研究的论文发表,但总地 来说,目前的研究还停留在基本性、验证性的层面 上。 (2)开展在各种环境下碳纤维加固结构的耐久 性研究,如大气环境、海洋环境、工业环境、土壤环境 等。相对而言,海洋环境以及工业环境下加固结构 的耐久性研究较为深人,但也只停留在实验室内的 研究上,并且研究的结果也没有统一的结论。大气 及土壤环境下,碳纤维加固结构耐久性方面的研究 相对较少。 (3)开展对加固结构使用寿命的研究。国内外 这方面的研究相对甚少,虽然提出一些预测纤维强 度随着时间变化的回归公式,但是,对整个加固构件 及结构承载力、耐久性随着使用的增长而变化的规 律,还有待进一步研究。 (4)开展对于实际工程加固后耐久性能的评 估。目前,国外也只在这方面做了少量研究,而国内 在这方面的研究还是空白。 (5)推动碳纤维片材及粘贴用树脂生产的国产 化;降低研究和应用成本,加快该项新技术在我国的 推广与应用。目前,国内虽能少量生产碳纤维片,但 在材质均匀及预浸树脂含量等关键技术方面与国外 相比,尚有较大差距。国产树脂性能比较单一,与国 外产品性能相比,差异较大,这些都是急需解决的重 要问题。 参考文献: [1]万墨林,韩继云.混凝土结构加固技术[M].北京:中国建筑工 业出版社,1995. [6]杨勇新,等.碳纤维布加固混凝土梁截面刚度计算[J].工业建 筑,2001,31(9):14. [7]Thanasis C.Triantafillou.Shear Strengthening foReinforced Con— crete Beams Using Epoxy—Bonded FRP Composites[JJ.AC1 Struc— tural Journal/March—April 1998:107—115. [8]Hadi M N S.Behaviour foFRP strengthende concrete cdumns US— der eccentric compression loading[J].Composite Structures 77 (2007)92-96. E9]ch8jes M J,Thomason Jr T A and Farsehman C A.Durability of Concs ̄te Beams Externally Reinforced with Composite Fibers.Con— struetion and Building Materilas.1995,9(3):144—148. [10]Meire U.Strengthening of Structures Using Carbon Fiber/Epoxy Composites.Construction and Building Materilas 1995,9(6)314— 351. [11]岳清瑞,等.浸渍树脂快速与自然老化试验对应关系[J].工业 建筑,2006,(8):l-5. [12]粘贴碳纤维布进行铁道高架桥柱抗震补强加固工法的设计与 施工指南[R].日本铁道综合技术研究所,1996. [13]任慧韬,等.纤维增强聚合物加固混凝土结构耐久性[J].大连 理工大学学报,2005,(6):847-852. [14]Durabiliyt of Carbon Sheet Composite Materila[R].Forca Techni— cal Report.1998. [15]任慧韬,等.碳纤维片材的徐变性能试验研究[J].工程力学, 2004,(2):10—14. [16]杨勇新,等.紫外线对CFRP与混凝土粘结性能的影响[J].工 业建筑,2006,(8):18-20. [17]Wan Baolin.The effect ofthe presence ofwater on the durability fo obnd between CFRP nad concrete[J].Journal of Reifnoreed PIa8一 ties and Composites,v 25,n 8,2006,875 ̄0. [18]Gmee,Nabil F.eta1.Durabiliyt evlauaitonof carbonfiebr—rein— forced polymer strengthened concrete beams:Experimentla study nad design[J].ACI Structural Journal,v 102,n I,January/Feb— mary,2005,40-53. [19]杨勇新,等.海水对cFRP一混凝土界面影响的试验[J].工业 建筑,2006,(8):lO一12., C2o]黄龙男,等.碳纤维复合材料补强混凝土界面温度应力分析 [J].材料科学与工艺,2005,(13)2:158—161. [21]孙志恒,等.水工混凝土建筑物的检测、评估与缺陷修补工程 应用[M].北京:中国水利水电出版社,2004.
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