Китай добился значительных успехов в исследованиях и практическом применении структурного усиления и усиления с использованием композитов из углеродного волокна. Общие методы, используемые в проектировании, включают увеличение сечения, стальную оболочку, предварительное напряжение, соединение стальных пластин и соединение композитных материалов из углеродного волокна. Традиционные методы армирования, как правило, устарели, связаны со сложными процессами и методами строительства, которые могут повлиять на вес конструкции и полезную площадь. Напротив, метод соединения композитов из углеродного волокна предлагает такие преимущества, как высокая прочность, эффективность, коррозионная стойкость, простота конструкции и отсутствие увеличения структурных размеров, что делает его широко используемым в инженерных проектах.

1. Принципы армирования композитным материалом из углеродного волокна

Армирование бетонных конструкций углеродным волокном — это современный метод, исследования которого начались в 1980-х годах и который был представлен в Китае в 1996 году. Он быстро привлек внимание инженерного сообщества, став горячей темой для исследований и применения. Этот метод включает в себя приклеивание композитов из углеродного волокна к поверхности бетонных конструкций, повышение их прочности и улучшение характеристик за счет совместной работы волокон и конструкции.

2. Композиционные материалы из углеродного волокна.

Основными материалами, используемыми для армирования и ремонта бетонных конструкций композитами из углеродного волокна, являются ткани из углеродного волокна и совместимые смолы. Композиты из углеродного волокна известны своей высокой прочностью, высоким модулем упругости, легким весом и превосходной коррозионной стойкостью, а предел прочности на разрыв примерно в десять раз превышает прочность обычных стальных стержней. Совместимые смолы включают базовые смолы, выравнивающие смолы и связующие смолы. Эти смолы улучшают качество сцепления углеродных волокон и помогают сформировать тело композитного материала с бетоном, повышая сопротивление конструкции изгибу и сдвигу.

2.1 Ткани из углеродного волокна

Ткани из углеродного волокна можно разделить в зависимости от сырья на ткани на основе ПАН, на основе вискозы и на основе асфальта. Они также различаются по спецификациям, включая ткани из жгута углеродного волокна 1K, 3K, 6K, 12K и 24K или более, а также по процессу карбонизации в графитированные, карбонизированные и предварительно окисленные ткани. Кроме того, они различаются методами плетения: тканые, трикотажные, плетеные и предварительно пропитанные ткани.

2.2 Связующие материалы

Клеи, используемые для армирования композитов из углеродного волокна, включают три типа: грунтовку (основную смолу), ремонтную смолу (выравнивающий материал или шпатлевку) и пропитывающую смолу. Грунтовка укрепляет бетонную поверхность, улучшая связь между бетоном и композитами из углеродного волокна. Ремонтная смола выравнивает поверхность бетона, облегчая приклеивание листов углеродного волокна. Пропитывающая смола связывает углеродные волокна вместе и с бетоном, образуя композитный материал, устойчивый к внешним воздействиям. Характеристики пропиточной смолы имеют решающее значение для эффективного армирования бетонных конструкций.

3. Превосходные характеристики железобетонных конструкций из углеродного волокна.

• Высокая прочность и модуль упругости:Композиты из углеродного волокна обладают высокой прочностью на разрыв, примерно в десять раз большей, чем у стали, и модулем упругости, сравнимым со сталью.

• Коррозионная стойкость и долговечность:Композиты из углеродного волокна химически стабильны и не вступают в реакцию с кислотами, щелочами и солями, обеспечивая отличную коррозионную стойкость и долговечность армированных конструкций.

• Низкий коэффициент теплового расширения:Композиты из углеродного волокна имеют очень низкий коэффициент теплового расширения, почти нулевой в направлении волокна.

• Простота конструкции и высокая эффективность:Армирование тканями из углеродного волокна не требует тяжелой техники или крупного оборудования, занимает минимальное пространство, обеспечивает гибкую резку и быструю установку.

• Гарантированное качество строительства:Ткани из углеродного волокна, будучи гибкими, могут хорошо приклеиваться к неровным поверхностям после ремонта, достигая эффективной степени адгезии более 95%.

• Минимальное воздействие на конструкции:Легкий вес и тонкий профиль композитов из углеродного волокна существенно не увеличивают вес и размеры исходной конструкции, сохраняя полезное пространство.

• Широкий спектр применения:Подходит для армирования различных типов конструкций, форм, материалов и различных слабых мест в элементах конструкций.

4. Применение композитной арматуры из углеродного волокна в бетонных конструкциях.

В практическом машиностроении ткани из углеродного волокна в основном используются для армирования. Технология является зрелой и широко применяется в нескольких областях:

• Повышение способности к сдвигу:Ткани из углеродного волокна способствуют сопротивлению сдвигу, как и стремена, и помогают предотвратить преждевременное разрушение основной арматуры, удерживая бетон и выдерживая растягивающие напряжения.

• Увеличение способности к изгибу:За счет приклеивания тканей из углеродного волокна к растягиваемой поверхности элементов конструкции их способность к изгибу значительно улучшается.

• Улучшение сейсмических характеристик:Ткани из углеродного волокна могут повысить пластичность и способность поглощать энергию бетонных элементов, особенно в местах соединений балок и колонн и колонн, находящихся под осевой нагрузкой, обеспечивая превосходное сейсмическое усиление.

• Повышение устойчивости к усталости:Железобетонные балки и предварительно напряженные бетонные балки, усиленные тканями из углеродного волокна, сохраняют прочность и жесткость после многократных циклов нагрузки, что значительно продлевает их усталостную долговечность и снижает деформацию.

5. Ограничения использования композитной арматуры из углеродного волокна в бетонных конструкциях.

• Хрупкость:Углеродные волокна линейно эластичны и хрупки, поэтому для полного использования их свойств требуется значительная деформация структуры.

• Проблемы с адгезией:У арматуры из углеродного волокна могут возникать нарушения сцепления, что приводит к хрупким разрушениям в железобетонных конструкциях.

• Ограниченное исследование долгосрочной эффективности:Исследований по характеристикам углеволоконного железобетона при длительных и ударных нагрузках недостаточно.

• Теоретические пробелы:Несмотря на обширные исследования механизмов усиления сдвига и изгиба материалов из углеродного волокна в балках и колоннах, понимание их применения в стенах, работающих на сдвиг, ограничено.

В целом, технология армирования композитами из углеродного волокна предлагает значительные экономические, социальные и экологические преимущества. Благодаря развитию материалов из углеродного волокна, снижению производственных затрат и постоянным исследованиям эта технология будет все чаще применяться при армировании бетонных конструкций, обещая светлое будущее.