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碳纤维应用专业知识:一文简要了解如何使用碳纤维复合材料修复混凝土柱?
时间:2022年04月06日 来源:碳纤维及其复合材料技术  作者:佚名 浏览次数:

钢筋混凝土柱的强度和耐久性可能会受到四个主要因素的影响:内部金属钢筋的腐蚀、冻融劣化、化学侵蚀,以及极端荷载情况和自然灾害(如地震和洪水)带来的持续局部损伤。

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随着结构逐渐老化,可能会发生混凝土剥落,使钢筋暴露在环境中,从而加速钢筋腐蚀。如果没有及时对混凝土柱进行适当的修复,混凝土劣化加重,倒塌风险可能性大幅提高。因此,可能需要尽快加固,以防止进一步腐蚀和混凝土退化,并恢复钢筋混凝土的原始结构承载力。


01、混凝土柱加固修复技术


几十年来,研究人员一直致力于改进加固和修复混凝土柱的方法,来应对许多可能的缺陷,其中包括一些加固和维修技术,这些技术可以平衡结构要求与非结构问题,比如在最小化成本、保持功能和美观性、确保工人安全,以及短时间内进行维修。

近年来,一种使用高强度纤维增强聚合物(fiber-reinforced polymers,FRPs)的创新技术正在迅速成为建筑业传统改造技术的替代方案。

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FRP强度重量比和附着力、耐腐蚀性、易操作性和安装速度是传统维修(如柱拉杆、补充垂直钢筋等)无法比拟的。与无侧限钢筋混凝土构件相比,采用FRP包裹的柱可提高延展性,同时提供出色的抗剪、抗压承载力,并提供能量再分配。

02、传统的混凝土柱修补方法

对柱的修复可分为两类:外观修复和结构修复。如果设计得当,表面修复可以通过防止分层和阻止钢筋腐蚀来降低混凝土进一步退化的速度。

2.1、外观/表面修复

外观或表面修复是针对轻微的局部老化,如受影响柱的裂缝和点蚀以及混凝土分层等。当钢筋暴露在外时,腐蚀会显著加速。一些表面修复的例子包括更换砂浆、柱笼、使用保护涂层和复合材料包裹。

2.2、结构/全面维修

结构或全面修复可恢复或增强混凝土柱的完整性,并提高柱的整体强度。如果老化没有显著减少横截面,则可以成功使用钢筋混凝土保护层。

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2.3、钢筋混凝土保护层

钢筋混凝土保护层的应用是一种传统的修复技术,用于加固和修复缺陷和受损的混凝土柱。它包括在现有柱上覆盖一层新的混凝土,可以在钢筋支架周围浇筑,也可以直接用螺栓固定在原有柱的底部。钢护套也是一种有效的修复方法,可提高荷载和剪切能力,同时增加对柱上弯曲应力的抵抗力。

尽管这种柱修复技术是保护和加固柱的有效方法,但就轴向承载力、抗弯强度和延展性而言,它既昂贵又耗时。此外,延展性的改善程度很小,因为保护层材料通常很脆,并不总是能与老化混凝土有效粘结。此外,它还会改变柱的横截面积,从而改变质量和刚度。

03、碳纤维复合材料修复应用的增加

在现有柱的承载力不足时,建筑公司越来越多地使用碳纤维/环氧树脂和玻璃钢等复合材料,为受损和脆弱的混凝土芯提供外部约束。这些技术提供了阻止腐蚀钢筋进一步退化的额外优势。

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基于碳纤维的复合材料修复还可以提高水平荷载,并为混凝土结构提供抗剪加固。

3.1、为什么使用碳纤维进行结构修复和加固

几十年来,碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRPs)一直是航空航天行业的主要材料,目前已成功应用于许多其他行业。CFRP比任何其他典型建筑材料都更坚固、更轻,并提供更好的抗疲劳性。

CFRP结合了高强度重量比、优异的刚度、延展性、耐高温性、最小附加重量和优异的耐腐蚀性。它们还可用于修复和防止裂缝、拉直梁、升级桥柱、加固墙壁和桥墩、增强抗震性能、在结构修改后加固现有结构、增加横向承载力和提高抗压强度。

3.2、碳纤维复合材料的优异特性

用于建筑结构修复和补强的碳纤维复合材料主要有以下优势:

高强度重量比
重量轻,耐腐蚀
耐酸性
比补充柱安装更经济
安装简单快捷
降低运输和安装成本
防止立柱屈曲
提高了柱的承载能力
增强修复部分的弯曲强度

04、如何使用碳纤维复合材料修复混凝土柱

当受损或地震缺陷柱需要修复时,使用纤维增强聚合物(如碳纤维复合材料)加固现有柱可以根据DOT法规恢复结构完整性。
柱修复是碳纤维复合材料的理想应用,因为这种材料重量轻,强度极高。FRP复合材料的性能降低了修复的总厚度,并将任何附加重量降至最低。手工应用的系统将完全符合任何尺寸和形状,可防止对钢筋进一步腐蚀,并覆盖任何裸露金属。

使用碳纤维复合材料对混凝土柱修复时大致流程如下:

第1步:表面处理。修复受损混凝土时,首先要表面处理,清除立柱和基脚上的任何松散材料,并确保复合材料修复的粘结适当,这一点很重要。

第2步:更换缺失的混凝土。在先进的FRP系统中,通常在碳纤维修复之前使用聚合物水泥替换任何缺失的混凝土。混凝土在安装前立即进行渗透性底漆处理,以改善材料性能。底漆将增加碳纤维复合材料的附着力,并增强混凝土本身。

第3步:将碳纤维复合材料包裹在柱上。使用碳纤维复合材料进行包裹,重叠部分与随后缠绕的复合材料交错以提高粘结强度。在混凝土柱上使用规定数量的碳纤维复合材料层后,就可以使材料固化,并涂抹防紫外线面漆。
碳纤维加固系统以及适当的砂浆或聚合物水泥一起,为新修复提供无与伦比的强度、弹性和寿命。根据环境的不同,碳纤维最多可以使用 50 年以上而无需额外维修。


来源:碳纤维及其复合材料技术

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