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碳纤维在土木工程加固中的应用研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第33卷第6期 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 69 2007年12月 碳纤维在土木工程加固中的应用研究 蒋文勇,李碧雄,甘立刚 (四川大学建筑与环境学院土木系,四川成都610065) 摘要:碳纤维补强加固结构技术是近年来在国内外快速发展的一种结构补强加固新技术,由于碳纤维材料具有优良的物理 力学性能,良好的粘结性、耐久性等特点,利用碳纤维加固混凝土结构,能有效地提高混凝土结构的强度、刚度、耐久性。主要 介绍了碳纤维增强材料加固补强混凝土结构的应用情况和研究现状,并对其应用前景进行了展望。 关键词:碳纤维;混凝土结构;加固;耐久性 中图分类号:TU746.3 文献标识码:A 文章编号:1008—1933(2007)06—0069一o4 The research on application of carbon fiber reinforcing in civil engineering JIANG Wenyong,LI Bixiong,GAN Ligang (Ci、ril Engineering department,The CoUege of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China) Abstract:More and more Carbon Fiber Reinforced Polymer has been used to strengthen concrete structures in the past 30 years in the world,for Carbon Fiber Reinforced Polymer material is of perfect physical and mechanical properties and excellent mucosity and durability,further more,it Can increase the strength and the stifness and the durabiily of tconcrete stuctrures effectively to use Carbon Fiber Reifornced Polmer materyil tao strengthen concrete structures. Various researches on concrete stucturres with Carbon Fiber Reifornced Polymer material are discussed in this paper,and the applying of Carbon Fiber Reiforced Polymer on stnengrthening concrete structures is also prospected. Key words:Carbon Fiber Reifornced Polmer;concryete structres;sturengthening;durabiily t0前言 碳纤维材料用于土木工程结构加固的研究,开 始于2O世纪8O年代的美、Et等发达国家,而我国在 2O世纪9O年代末才开始涉足这一领域,经过国内 外学者的不断探索,在碳纤维加固土木工程结构的 研究方面已经取得了丰硕的成果,如碳纤维加固后 随着建筑业的飞速发展,在新建建筑不断涌现 的同时,一方面,大量的既有建筑物接近其使用寿 命,需要维护和补强加固;另一方面,由于存在一些 缩短既有建筑物使用寿命的因素,如混凝土碳化、开 裂、钢筋腐蚀等,引起结构的承载力及耐久性的降低 从而使结构不满足原有的设计要求,甚至危及结构 的安全,这些结构都亟待补强加固;此外,使用功能 的改变也是导致加固的一个重要原因。目前,对混 凝土结构进行补强加固的方法有:加大截面法、外包 构件的强度、刚度以及耐久性的研究等。 目前,碳纤维材料主要以片材、筋材以及型材的 形式应用于加固领域 J。碳纤维片材分为碳纤维 布和碳纤维板。碳纤维布一般是采取特定的方法把 连续的碳纤维单向或者双向排列形成补强加固材 料。加固运用是用环氧树脂胶粘贴在经过处理的结 钢法、预应力法、增设支点法、粘钢法、玻璃钢法、喷 射混凝土法等¨ 。相对于上述加固方法,碳纤维具 有优良的物理力学性能,良好的粘结性、耐久性等特 点,使其在土木工程加固领域中得到了广泛的应用。 构构件表面上,使碳纤维与构件一起协同工作,提高 构件的承载力,从而达到对建筑物增强加固的目的。 碳纤维板一般是在碳纤维材料使用前润浸环氧类树 脂,使碳纤维固化成板状。在施工中,再用树脂将其 粘贴于结构表面,类似于粘贴钢板。 碳纤维筋材用于土木工程领域,主要是作为钢 收稿日期:2007-04-10 作者简介:蒋文勇(1982一),男,重庆大足人,硕士研究生,研究方 向:结构检测鉴定和加固。 基金项目:教育部“春晖计划”资助项目(72004—2—51007) E—mailtj—yun828@sohu.COrn 筋的替代材料,既可以用于建筑物的补强加固,也可 一以代替钢筋用于新建结构中。用于补强加固的筋材 般是H J:在混凝土表面剔槽,在槽内先注入一定 维普资讯 http://www.cqvip.com 70 四川建筑科学研究 第33卷 的粘结材料,将碳纤维筋放入槽中并轻压,使筋材被 粘结材料充分包裹,再在槽内注满粘结材料并将其 表面修复平整,使筋材和混凝土共同受力,从而达到 增强加固混凝土构件的目的。 在正常使用荷载下,用碳纤维加固混凝土梁的 抗弯刚度有大幅提高,开裂后(特别是钢筋屈服 后),未加固梁的挠度迅速增长。而经过加固的梁 碳纤维型材加固主要是通过一定厚的聚合物灰 浆或者粘结材料,将型材粘贴在已有的结构上或者 通过适当的锚固固定在需要加固的结构上,使之与 挠度增长缓慢,在相同荷载作用下,加固梁的挠度小 于未加固梁的挠度。已有学者提出碳纤维布加固混 凝土梁的刚度计算公式_6 J,并得到了很好的实验验 已有结构共同受力,以达到补强加固的目的。 1 碳纤维加固钢筋混凝土梁强度及 刚度研究 随着研究的深入,碳纤维片材、碳纤维筋材、碳 纤维型材等各种材料形式都逐渐应用于混凝土结构 加固领域;其中,碳纤维片材加固混凝土构件的研究 最多,应用最广。 研究表明,包裹碳纤维布可以提高钢筋混凝土 梁的抗弯强度。使用碳纤维布补强加固后,钢筋混 凝土梁的屈服强度和极限强度都有大幅度的提高。 极限强度的提高随着碳纤维布的拉伸强度的提高而 增加幅度较大,分条包裹的加固效果明显优于整条 包裹的效果 J。碳纤维布加固混凝土梁弯曲实验 结果 见表1。碳纤维布加固混凝土构件,可以显 著地提高其抗剪能力,碳纤维条幅的宽度越大,间距 越小,粘贴层数越多,抗剪承载力提高越多。并且, 在用量相同时,间距越小,加固效果越好。碳纤维布 加固混凝土梁剪切实验结果 见表2。 表1碳纤维布加固混凝土梁弯曲实验结果 Table 1 The bending test result of the concrete beam strengthen by CFRP 表2碳纤维布加固混凝土梁剪切实验结果 TabIe 2 The shear test result of the concrete beam strengthen by CFRP 试件剪跨比 前{醛 丽丽而 开裂荷载极限荷载提高程度 卅裂伺载擞限伺载堤 度 2.27 90 15O 2.27 1oo 175 16.7 2.27 1oo 18O 2O.O 2.27 1oo 19O 26.7 2.27 11O 185 23.3 证。粘贴碳纤维布加固后的钢筋混凝土梁相对于未 加固梁出现裂缝较晚,且裂缝发展缓慢,分布相对均 匀,裂缝宽度较未加固构件的小【 。构件在开裂前 的情况下进行加固,效果好于开裂后加固。碳纤维 加固混凝土构件在提高构件强度、刚度的同时,还可 以明显改善构件的变形能力,增加构件的延性。碳 纤维布加固混凝土构件延性的提高通常是随着碳纤 维布用量的增长而增加,构件的混凝土强度越低,效 果越好 o 2 碳纤维加固混凝土构件耐久性研 究 随着碳纤维加固技术在混凝土结构加固修复中 的应用的快速发展,碳纤维片材补强加固的长期效 果及耐久性成为广大科研界和工程界关注的焦点。 目前,国内外碳纤维片材加固技术是采用特定的方 法,将连续碳纤维单向排列形成补强加固材料,并用 双组份环氧树脂胶粘贴在经过处理的结构构件外部 表面上以改善结构功能。采用碳纤维片材加固修复 混凝土构件的施工国内外基本采用三步法 ,即 在基底处理后,依次涂刷性质和作用不同的底层树 脂、找平材料、浸渍树脂,将碳纤维布粘贴在混凝土 的表面,树脂固化后,碳纤维能起到提高构件承载能 力、改善受力情况和使用性能或防腐的作用。在这 种施工方法中,碳纤维布加固混凝土结构的耐久性, 主要取决于碳纤维片材、粘结剂的耐久性及其与混 凝土粘结界面的耐久性。 2.1粘结剂的耐久性 文献[11]通过加速老化试验以及在干湿交变、 海水浸泡、湿热老化等条件下的老化试验,测试粘结 树脂性能的变化,指出各种树脂的拉伸率、拉伸强 度、弹性模量等随老化时间的变化具有相似的衰减 规律性;而且,不同树脂在不同条件下各种性能的衰 减规律不同。与碳纤维配套环氧的大部分树脂对无 机、有机酸及碱都具有较好的安定性,在pH值为3 ~l3的范围内是基本稳定的¨ 。 维普资讯 http://www.cqvip.com

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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