碳纖維研制和應用可以追溯到1850年的碳素燈絲,此後的研究應用壹直處於停滯狀態,到上世紀五十年代隨著工業技術的發展和軍事工業的要求,碳纖維的研制和生產,相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業生產工藝,使碳纖維應用才進入到壹個新階段。首先是在航空航天等軍事領域的應用,逐步擴展到高級民用工業,而真正用於建築工程結構加固也就只有近十多來年的歷史。
碳纖維和石墨纖維壹般統稱為碳纖維,含碳量都在95%以上,但碳元素只有在高溫高壓下才能熔融,不可能直接從碳元素制取碳纖維,理論上任何有機纖維經碳化後均可制成碳纖維,實際上目前具有工業意義的原絲僅有聚丙烯腈纖維(PAN)和中間相瀝青,各國生產碳纖維主要是以聚丙烯腈纖維為原料,經過高溫碳化等特殊工藝加工成極細的纖維絲(直徑5~10μm),提高單絲強度,使壹定量纖維的表面積增大很多,更利於加強與樹脂膠的結合。
過去制約碳纖維加固技術應用的因素之壹是原絲和成品的價格,剛研制成功時每公斤的碳纖維原絲價在1000美元以上,當前已降至30美元以下;碳纖原絲產量最高的國家仍是日本和美國,而以碳纖布商品進入中國大陸市場的則有日本、法國、瑞士和臺灣等地的產品,用進口原絲加工編織的國產碳纖布亦開始進入市場,市場競爭日趨激烈,價格正在逐漸下降。
應用:碳纖維成品在土木工程中應用主要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等,各有不同的使用範圍,而當前加固工程中用量最大和最普遍的還是碳纖維布(片),碳纖維布常用的規格是200g/m2和300g/m2,厚度分別是0.111mm和0.167mm;碳纖維復合板厚度壹般為1.2~1.4mm,由3~4層碳纖布經過樹脂浸漬固化而成,主要用於梁、板的加固,用纖維板加固的結構,外形規整,施工簡便,但原材單價較高,國內使用尚不普及。
高性能碳纖維布的最主要指標仍是其強度、彈性模量和斷裂伸長.壹般抗拉強度都在3500 Mpa 以上,彈模在230000 Mpa 以上, 伸長率在1.4%以上,結構加固主要是利用碳纖維的高抗拉性能,廣泛用於鋼筋混凝土結構的梁、板、柱和構架的節點加固,也很適合用於古建築物或砌體結構的維修加固,恢復和提高結構的承載能力和抗裂性能,國內外成功的應用實例已不勝枚舉。1995年日本板神大地震和臺灣大地震後之後,碳纖維作為耐震補強材料和技術的地位得到了進壹步的發展和確定。
近年來在國內不少高等院校、科研部門、和各大設計院參與到對碳纖維的應用和研究,目前國家還沒有頒布正式的設計和施工規範,在建設部確定的研究項目中,已包括有“纖維增強復合材料(FRP)用於城市橋梁的加固與修補研究”、“碳纖維材料加固混凝土結構新技術”等課題,碳纖維的應用研究已得到國家的重視。
構造: 對於受彎構件碳纖布是粘貼於受拉區,以補充鋼筋的不足,粘於梁的兩側,以提高梁的抗剪能力,纏繞於混凝土柱外側約束了混凝土的側向變形,可以高柱的承載能力和柱的軸壓比,纏繞於桁架的節點可使節點得到整體的加固。碳纖布的層數可通過計算確定,考慮到各層的***同工作系數,抗疲勞的能力和避免脆性破壞,壹般建議不宜超過5層;從受力性能角度,單層優於多層,窄幅優於寬幅;必要時縱向可以搭接,搭接長度不得少於100mm,要保證碳纖維端部有可靠的錨固,除滿足計算要求外,還應有必要的構造措施。
粘貼:粘結劑的性能和粘貼工藝是使被加固構件與碳纖維布***同受力的保證,要求粘結劑對被粘貼界面和碳纖布有高的粘結力和強度,抗拉、抗壓、特別是粘貼抗剪強度應遠高於混凝土相應的強度,粘結劑對界面和碳纖維布都要有良好的滲透性和相容性,具有抗沖擊、耐疲勞、抗老化等優異性能,因此應該采用專用的粘結劑;
完善的施工工藝是加固效果的重要因素,主要的要求是:清理、修復、整平被粘貼面,被粘貼面應幹燥、防潮;采用專用的工具,塗布粘度較大的粘結劑,對碳纖布經過適度的輾壓,使粘結劑充分浸漬於單絲中;消除氣泡,不允許出現離殼、亂絲、鄒折、扭曲的現象;完善的工藝和訓練有素的工人,可以做到有效的粘貼面積在99%以上,使碳纖維的性能真正得以發揮 。
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