碳纤维片材加固修复混凝土特种结构

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1、碳纤维片材(CFRP)加固修复混凝土特种结构 碳纤维片材(CFRP)加固修复混凝土特种结构李荣岳清瑞 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心 100088) DiagrandRehabilitationofIndustrialBlI 蛐 IlgEngineeringReseamhCeII【er) ;7>I.2 摘要本文介绍了碳纤维片材加固修复混凝土结构新技术的主要技术优势和国 内外应用情况 ,表明此种结构加固技术是一种也很适用于特种结构加固,补强的新技术.为国内在特种结构的加固度改建工程中应用此种技术提供参考.关键词墨堑丝苎盐竺旦苎苎竺苎缸壤土 墨构AB 踟FL1Th/spaperpre

2、s.erU methodofm 垤bonfUk.rre/n 脚 d.Somepractitd 佣 in specialslllzctttr 帆 also in troduced 删 at? temptsmadetothe衄 Ithis 蛔由 in the 删瑚 epro- c如.KEYWORICarbonfibe,forcedplastics(CFRP)StrengthenSpecialstrttctttres、, 、-前言 碳纤维加固修复混凝土结构新技术是近 几年来在国际上兴起的一种新型 ,高效的结 构加固技术 .它是利用改性环氧树脂类胶结 材料将碳纤维布状片材(GFRP)粘贴于混凝 土表面

3、 ,从而达到对结构补强加固及改善受 力性能的目的 .该项技术在日本 ,美国等发达国家已广泛应用 ,在建筑物 ,桥梁,特种结 构物等各类土木工程中均有大量成功应用的 实例我国于近 2 年引进该项技术 ,开展了系列研究开发及工程试点工作 ,已引起土 木建筑领域广泛的重视 .,技术特点 传统的混凝土特种结构物以及普通混凝 土结构物的加固通常采用以下几种方法 :加 大截面法 ,增设支点加固法 ,预应力加固法 , 外包钢加固法等等 .上述几种方法各有优 劣.均受到一定使用条件的限制 .总体来说 , 因加固后的结构为 2次组合结构 ,为了保证 新旧两部分整体工作 ,共同受力 ,传统的加固 方法均是在对原结

4、构有一定损伤的情况下 , 来实现新旧两部分的连接 .此外加固对结构 的外观及使用空间均有一定的影响 ,且施工 特种结构第n卷20呻年第3期 时的湿作业 ,大型设备等均对环境及生产有 不同程度的影响 .尤其对于烟囱 ,水池 ,筒 仓 ,管道等特种结构物来说 ,往往直接暴露于 大气环境中 ,或受高温 ,腐蚀介质的作用 ,急 需更为有效 ,便捷 ,耐久的结构加固技术 . 碳纤维片材加固新技术与传统加固方法 相比 ,具有明显的优越性 ,主要体现在以下几 个方面.1. 材料性能好 碳纤维片材是碳纤维丝单向排列的布状 织物,目前国内尚无可用于结构加固的定型 产品,工程应用中所使用的多为日本进口的 碳纤维片

5、材，其主要性能指标如表I.可见， 碳纤维片材的抗拉强度为普通钢材的 lO 倍 以上,弹性模量与钢为同一数量级 ,每平米重 量约为 3mm 厚钢板的 1/1O0. 碳纤维片材主要性能指标裹 1 号重量 I frs-CI 一 抗拉强度 :弹性模量（加】且）（W Da）3550J2.35xI 35501235xtOs 用于粘贴碳纤维片材的配套树脂 ,分为 底层涂料FP整平材料，授渍树脂FR473种,均为双组份,现场搅拌而成 .目前国内 已研制开发出通用型配套树脂 ,各项性能指 标均达到日本同类产品的水平 .3 种树脂的 主要性能指标和作用见表 2. 配套树脂的性能及作用裹 2 粘度拉伸强度压墙强度拉

6、伸势切正拉牯接 （-8）（慨】 f 哑强度 （蛐）强度（蛐）作甩 夏八辊鼍土丧层 强他混鼍土表 i咖嘲5强塵.提高强女土噩寮纤维同轱蕞性 对固劣化 ,错位 引起的混鼍土 10面不平整进行乎 ,倒甫赴理时 _ 朴庇圈夏状 充丹夏连包裹窜,呻 0障丝 .使碗并爿螂30 10与巍疆土牯接在起最复音整捧 .共局量力2. 良好的施工性能 碳纤维片材成品为卷材 ,可据所需尺寸 现场随意剪裁 .其轻质柔软 ,易贴附 ,基本不 增加结构自重及截面尺寸 ,可广泛用于粱 , 板 ,柱等各种结构构件的补强加固 ,适用于特 种结构中环状构件 ,壳体 ,球体等各种结构形 状及曲面的加固 .施工的主要步骤如图 1.1_土

7、埘打魁Iz庶帮P用早村辩FE拉平4. a曩肭5. 峙坪片材6. 参晨牯贴时 I 复 4.5 步7. 面8 根据需羹进抒衰面整悔囤 1 施工工序与传统的加固方法相比 ,碳纤维加固施 工极为便捷 ,没有湿作业 ,不需大型机具 ,无48 需附加锚固措施 ,不损伤原有结构 ,施工工期 短 ,且施工时对环境的影响小 .即使与目前 较为先进的粘钢板加固技术相比 ,碳纤维加 固的有效粘接面积更易保证 .施工时通过专 用工具将气泡赶出 ,树脂从碳纤维丝间充分 渗透 ,有效粘贴面积可达 95%以上.即使是 局部出现了空鼓 ,也可采用针管注胶的方式 进行补救 .可见 ,碳纤维片材加固技术从多 个环节加 I 控制

8、,充分保证了粘贴质量 ,这正 是粘贴类加固方法有效发挥作用的关键 . 囤 2 碳耋 F 维片材抗拉强度加速老化试验结果3. 理想的耐久性及耐腐蚀性 评价一种加固技术的优劣 ,其补强加固 的长期效果及耐久性是关注的焦点问题.国内在此方面的试验数据还较少 ,但在该项技 术已广为应用的国家日本 ,碳纤维加固 的耐久性已取得系统的试验研究成果 . 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 , 也是非常耐久的材料 .因而该项加固技术的 耐久效果 ,往往取决于粘贴用环氧树脂的耐 久性有关资料表明2j,碳纤维配套环氧树 脂的大部分对无机 ,有机酸及碱都具有较好 的安定性，

9、在PH值为3 一 13的范围内是基本 稳定的.图2,图 3为日本加速老化试验的部分试验结果3J.可以看出，当加速老化 loooh（约相当于实际暴露于大气环境中 35 特种结指第 l7 卷2000年第 3期年以上 ）,碳纤维布的抗拉强度及树脂的粘结 强度均没有明显的降低 ,说明采用碳纤维加 固具有理想的抗紫外线侵蚀能力 .与其它加 固方法相比，后期维护费用大大降低.I问（图3粘结强度的加速老化试验结果 当然 ,碳纤维这种高新材料应用于土木 工程领域的时间还相对较短 ,目前尚无已投 入使用 30 年以上的应用实例 .但应注意到 的是,碳纤维加固后往往外面还会进行整饰 , 也就是说碳纤维及树脂通常均

10、不会直接暴露 于紫外线照射下及有害介质中 ,因而其耐久 性还能进一步提高 .二,应用实例 碳纤维加固技术在发达国家已成熟应用 并已形成产业化 .以日本为例 ,在建筑物,桥 梁,烟囱,隧道等各类结构形式中均得到广泛 的应用 .我国采用碳纤维片材进行加固修复 的工程项目已达 5O 余项,正由建筑领域逐渐 向市政,交通,电力,铁路,粮食等方面的特种 结构领域扩展 .1. 某烟囱加固实例【 IJ 日本某石油精制工厂的钢筋混凝土烟囱 已使用 36 年,混凝土老化 ,钢筋锈蚀 ,有多条 宽0.3nan 1crn左右的纵向裂缝,混凝土保 护层有脱落现象 .结构尺寸见图 4.经检 测自地面至10.5m钢筋锈蚀

11、断面损失为 10%左右,15.5m至顶部(C-A)钢筋锈蚀后断 面损失已达加 %.验算表明 ,F 断面钢筋应 特种结构第17卷.2卜o年第3期 力已超出允许应力 ,承载能力不足 ,需进行补 强加固.囊向粘贴一层 FI-Cl-20 童一拜 II 布r图4可以看出 ,为满足下一目标使用期的要 求,应进行两方面的修复 :结构补强加固和耐 久性修补 .所采用的加固措施为 :(1) 纵向粘贴一层兀 C1-20 型碳纤维 片材,使钢筋的应力满足允许应力要求 ,提高 承载能力 .(2) 环向粘贴一层兀孓 C 1 -20型碳纤维 片材,有效约束混凝土 ,抑制裂缝的开展 ,防 止混凝土剥离和脱落 ,同时也提高了

12、抗剪承 载能力.2. 某桥梁加固实倒 我国北方某新建高速公路桥 ,结构型式 为箱梁及连续板桥 ,因施工后路面荷载较原 2a虞设计增加 .经验算局部区段箱梁及连续板跨 中正弯矩处承载能力略有不足 ,需进行补强 加固 .由于该线路通车在即 ,施工工期很紧 , 综台比较多种加固方法 ,并经有关专家论证 , 决定采用粘贴碳纤维片材加固 .加固采用 型碳纤维布，贴于箱梁底面及板底 （如图 5）,并保证足够的锚固长度 .粘贴碳 纤维后采用与混凝土颜色相近的聚合物砂浆 做整饰层 ,保证了该桥梁外观上的整体性 . 目前该桥梁已如期通车 ,投入正常使用 ,并运 行良好.iiiii.一 i;f 盟堕星壁堑堡查a）

13、糖纂加固田IIIIIIlIr 厂一景 l孟窖号蠢 !芎层碟纤维布b）连续扳加同图图5图 6 立交桥桥扳加固三,结语碳纤维片材（CFRP）加固混凝土结构技术是将高科技材料成功运用于土木工程领域 的一个典范 ,它为国内混凝土结构包括特种 50 一 结构物的加固打开了一个崭新的窗口 .目前 国内对于该项技术的研究推广工作已迅猛展 开 .随着国内相关设计 ,施工规程及材料检 验标准的相继出台 ,该项技术将会在我国得 到规范地 ,系统地 ,迅速地推广应用 . 参考文献1FORCA 碳素纤维朴强工法技术赘料日车末燃株式台 社 19972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 .日车

14、铁道综合技术研究所 .19963 M鹏工法.日车皿八砖研究会1999某大型体育场膜材屋顶破裂事故1 999年冬季,一场暴风雪之后 ,加拿大蒙特利尔 奥林匹克体育场的一块膜屋盏突然破裂 .体育场为1 976年奥运会而兴建 .但膜结掏顶盏到 1 987年才完 成.覆盖整个比赛场的膜屋盖是通过 26 报钢索悬吊 在高l?Sm的斜塔上，开闭的屋盖不用时可以收缩到 塔内.当初用的是开夫拉尔 （Kd 盯）织物,在使用过 程中至少划破了 17次,因此决定在 1 998年更换成 以特氟龙（Telhm）涂覆的玻璃纤维织物该工程由 美国鸱腾（Bird）公司承包,整个屋盖用了 63块织 物扳.总造价为 3700万美

15、元 .由于施工进度大大落后于计划 .事故发生时膜 工程尚未正式交工 ,织物板连接处的封缝盖板要到 春季再进行热焊 .当屋顶的积雪开始融化 .发现大 约面积为 3.50的膜面开始下沉 ,管理人员急忙在 下面设置安全栅栏 ,疏散工人 ,并搌人上屋顶清扫融 雪.但为时已晚 .建设公司称体育场屋盖可承受如 OII 蚰厚的雪 , 即为设计雪荷载的 4 倍.事故的原因尚待调查 .该 体育场所采用的玻璃纤维织物和正在建造的英国千 年穹顶是相同的 ,但千年穹顶的业主认为蒙特利尔 体育场的事故对该工程的长期安全并无影响 ,因为 千年穹顶的外形与其不大一样 ,没有引起积雪的各 另外格林威治的雪也比蒙特利尔小得多 . （摘鳊自空问蛄构 ） 特种结构第 17 卷 2OO0 年第 3 期