此页面上的内容需要较新版本的 Adobe Flash Player。

获取 Adobe Flash Player

当前位置:主页 > 工程选材 > 建筑材料 >

《中国建筑骄子•全国建筑工程选材指南》第五卷专论文稿05篇——预应力碳纤维板加固材料系统浅谈

时间:2016-07-13 14:09来源:中国建筑装饰材料网 作者:admin 点击:
近年来预应力碳纤维板加固技术逐渐成为研究和工程的热点。本文介绍了预应力碳纤维板加固技术的特点及目前国内的行业现状与问题。通过相关实验数据论述了该项新技术、新材料系

近年来预应力碳纤维板加固技术逐渐成为研究和工程的热点。本文介绍了预应力碳纤维板加固技术的特点及目前国内的行业现状与问题。通过相关实验数据论述了该项新技术、新材料系统的要求和当前国内技术水平。最后对预应力碳纤维板加固这项新技术的发展提出了相关的建议。
 

1 前言
 

  目前在国内的土木工程加固设计和施工过程中,绝大多数采用的均是传统的非预应力碳纤维板材粘贴的工艺路线。但在一些重载结构中,特别是桥梁,结构承受的是动载荷,加之其自重较大,如加固用的碳纤维板自身不施加预应力,属于被动加固。碳纤维板的弹性模量约为钢筋弹性模量的70%,而其拉伸强度比普通钢材高约10倍,通常充分发挥强度需要1.5%以上的拉伸变形,而钢筋的屈服变形一般仅为0.18,即便不考虑钢筋变形的条件下,钢筋屈服时碳纤维所能发挥的强度也很低,而在碳纤维能够发挥大部分强度时,除钢筋早已屈服外混凝土结构将产生无法接受的大变形及裂缝。传统粘贴技术的另一问题是碳纤维板在较低应力水平时将与混凝土发生剥离(一般为碳板粘结胶层破坏或混凝土表层破坏),导致加固结构提前失效,进一步降低其加固效能。因此,研究与工程技术人员对上述问题已经形成了共识:传统工艺粘贴碳纤维板材加固,碳纤维所能提供的抗拉贡献极其有限,材料浪费极大(强度发挥不足20%)。


2.1预应力碳纤维板加固技术特点
 

  对这一问题的有效解决方案是对碳纤维板施加预应力,再将其粘贴或固定于结构受拉区域,这样碳纤维板在承担结构传递的荷载应力之前就已经处于较高的应力水平,预先发挥了一定的强度,从而较充分利用其高强性能,属于主动加固方法,对结构的加固效果非常明显。
 

  与传统的粘钢或体外索加固技术相比,预应力碳纤维板材加固技术的优势是:(1)充分发挥碳纤维材料的高强特性,通过施加预应力使碳纤维材料和钢筋协同受力,显著提高了加固效果;(2)可以平衡结构的自重和一部分既有荷载,提高了梁的抗弯刚度,大大减小结构的挠度变形,显著改善其开裂、屈服和极限承载力,对结构原有的裂缝具有明显的抑制作用,提高了其正常使用性能;(3)长期耐腐蚀性、耐疲劳性和抗松弛性优异,可有效地延长构件使用寿命;(4)施工工艺简单可靠,可通过张拉应力和碳纤维板的伸长量两者的关系实现精确张拉控制;(5)可轻松实现与构件间的有粘结预应力加固,均匀分布应力,并且避免后期大量的湿作业工序,实现快速加固。
 

2.2预应力碳纤维板加固体系材料特性
 

  相较于非预应力碳纤维板的粘贴工艺,碳纤维板预应力张拉的工艺技术要求要更高,除了科学的操作工艺流程外,现场操作也必须由受过严格培训的专业工人来完成,对加固材料的防护也有一定的要求,尤其注意不能对碳纤维板材料造成不必要的损伤,导致最终张拉失败。另外,预应力碳纤维板加固系统的材料也有更高的要求。
 

  针对预应力碳纤维板加固材料系统,笔者认为关键点在于:
 

  1)用于预应力加固的碳纤维板材料,其抗拉伸性能必须稳定可靠,外观优良,不能有诸如裂纹、沟槽等缺陷存在,对直线度的要求也很高,否则在张拉的过程中极易出现应力集中,导致碳纤维板破坏;
 

  2)预应力锚具的锚固夹持力要足够大,否则无法满足高应力张拉的要求,其长期锚固效果必须稳定可靠。另外,锚具的结构必须适合碳纤维板这种脆性材料的夹持特点,尽量减小对碳纤维板的损伤,使碳纤维板实现充分均匀的受力,否则极易造成碳纤维板的破坏;
 

  3)实现碳纤维板和构件之间的有粘结预应力主要是靠碳板胶粘剂来完成,碳板胶粘剂将应力均匀分布于构件,处于长期的高应力工作状态,特别是针对桥梁结构,更是承受不均匀的动荷载。因此,对碳板胶粘剂的性能要求也更高,其抗剪切能力、抗冲击剥离能力及长期耐老化性能尤其至关重要。
 

3、国内发展现状
 

  国内对于预应力碳纤维板加固技术的研究起步时间不长,工程实际应用也不算太多。锚具的主要形式可分为平板夹片锚、楔形锚和波形锚等,锚具外观、尺寸、锚固夹持特点及锚固效率亦不相同,张拉工艺大同小异,基本采用一端固定,另一端移动张拉的方法。
 

  目前,绝大多数预应力碳纤维板锚具系统均是采用永久锚固的方法,即碳板张拉完毕后,锚具系统永久固定在结构件上共同受力。但也有使用工具锚进行张拉,待张拉及碳板胶粘剂初步固化后,安装平板工作锚板,再将工具锚移除的工艺。笔者认为第二种工艺方法的效果还有待进一步验证,工具锚的锚固力显然要远远优于工作锚,工具锚移除后,碳纤维板必然有回缩的趋势,而碳板胶粘剂的弹性变形量要大于碳纤维板,因此碳纤维板的预应力损失率是一个不得不考虑的重要因素,但目前还没有这方面的试验结果或文献供我们参考。
 

  关于锚具的另一个误区是:目前市场上一部分锚具的锚固力只能够达到碳纤维板理论破坏应力的30-50%,即锚固效率指标只有0.3-0.5,锚固力仅能满足设计图纸上规定的张拉应力。这在实际工程应用中是存在风险的,加固结束后结构投入使用,载荷进一步加大,碳纤维板的受力也在进一步增大,这对端部的锚固力会提出更高的安全要求,考虑到超载等状况,锚具所提供的锚固力必须有安全的富余储备量,这一点也是不少厂家目前所没有意识到的。
 

  另外,和国外碳纤维板材相比,由于起步较晚及工艺的缺陷与不足,目前国产碳纤维板材只有为数不多的厂家产品可以达到国外产品的水平。由于没有真正接触过预应力碳纤维板加固的实际工程,很多生产厂家都是将原先用于非预应力粘贴工艺的碳纤维板直接用于预应力张拉。除了力学性能指标的欠缺之外,其碳纤维板表面存在着不同类型的缺陷,且在10-30米的工作范围内,碳纤维板的直线度偏差也较大,这些因素都会使碳纤维板在高应力张拉的过程中产生应力集中、受力不均匀或锚固端部损伤等现象,在十几甚至二十多吨的应力状态下,极易发生破坏,给操作现场的安全带来不小的隐患。
 

  在规范方面,目前也只有在2013年改版的《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2013)中将预应力碳纤维板加固技术予以纳入,但也只是针对结构和材料的设计依据、方法和取值方面做了相关的规定。而对于预应力碳纤维板加固系统相关产品的规范、施工规范、验收规范目前还都是空白,因此目前国内预应力碳纤维板加固技术还有待进一步完善和规范化。
 

4 我司研究现状
 

  海拓公司经过长期的研究与探索,研制出力卡®(Lica®)系列预应力碳纤维板加固系统,形成了碳纤维板、预应力锚具及胶粘剂为一体的完整材料体系(表1),配套性强,规格齐全(表2),锚具轻便,占用空间小,并且碳纤维板与锚具在工厂内已完成装配,避免了现场工人手工安装所带来的缺陷和隐患。同时我们自主开发了相关张拉及锚固体系的评价手段和装备,锚具可实现在碳纤维板极限破坏的情况下不发生失效,并且通过了400万次疲劳载荷试验。经过一系列实际工程的应用,质量稳定,性价比高,使用效果良好。
 

产品名称

型号

作用

高强预应力碳纤维板

Lica-SCFP

抗拉性能优异,为系统提供充足的应力

预应力锚具

Lica-MJ

提供强大、可靠的夹持力,实现有效锚固

植筋胶粘剂

Lica-300

协同锚栓共同参与紧固,防止腐蚀,双重保护

碳板胶粘剂

Lica-131

实现有粘结预应力加固,抑制构件裂缝扩张

抗紫外线防护胶粘剂

Lica-302

为碳板提供长期有效的表面防护


表1 力卡®(Lica®)预应力碳纤维板加固材料系统
 

碳纤维板型号

碳纤维板规格(厚×宽)

碳板极限强力(KN)

锚具型号

锚固力(KN)

SCFP1.4-50

1.4mm×50mm

196.0

MJ1.4-50-25

250.0

SCFP3.0-50

3.0mm×50mm

420.0

MJ3.0-50-45

450.0

SCFP1.4-100

1.4mm×100mm

392.0

MJ1.4-100-45

450.0

SCFP2.0-100

2.0mm×100mm

560.0

MJ2.0-100-60

600.0


表2 力卡®(Lica®)预应力碳纤维板及配套锚具规格参数
 

5 结语
 

  总体来说,主动预应力碳纤维板加固技术是一种效果明显、应用前景广阔的一项新技术。它既克服了传统碳纤维加固的缺陷,同时又结合体外预应力技术的优势,显著提高结构受力性能,充分利用材料强度,节省了材料及工程造价,拥有良好的耐老化和抗松弛能力,因此成为近年来混凝土结构加固技术研究的热点。随着这项技术的不断完善和提高,其必将会成为土木工程结构加固的一个新的发展方向。
 

  (本文作者:南京海拓复合材料有限责任公司陈杰、孙滨、包兆鼎)


(责任编辑:admin)

------分隔线----------------------------