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  • 甘肅郝氏炭纖維是一家專門從事碳布,硬質復合炭氈,炭纖維布,炭纖維復合氈的民營高新技術企業。
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    ?碳纖維復合材料在基礎設施和土木建筑中的應用
    來源:lzcf.com 發布時間:2019/1/22 17:03:46
    碳纖維復合材料在基礎設施和土木建筑中的應用

    本文介紹碳纖維復合材料在基礎設施和土木建筑上的應用,包括在基礎設施和土木建筑上采用復合材料的優點,用碳纖維復合材料修復補強技術與應用,碳纖維復合材料應用在基礎設施和土木建筑的研究推廣計劃和復合材料在基礎設施和土木建筑上應用的標準和法規。
       
       關鍵詞: 碳纖維;復合材料;基礎設施;土木建筑
       據美國聯邦高速公路局統計,全美國有57.5萬座橋,約有三分之一即19.1萬座橋梁因為年久腐蝕或有損傷裂紋需要維修。2003年聯邦政府撥款35億美元用于橋梁維修。其中5%采用復合材料,約合1.75億美元。美國海軍有40%碼頭需要用碳纖維復合材料進行增強修復。已經用碳纖維復合材料增強答復的海軍碼頭有圣地亞哥12號碼頭、珍珠港Wharf Bravo碼頭和三叉戟潛艇基地華盛頓州Ban-gor碼頭等。因此,復合材料在基礎設施和土木建筑的應用前景是極為廣闊的。
       
       基礎設施和土木建筑上采用復合材料是基于復合材料有六大優點:耐腐蝕。美國的統計數字表明,由于腐蝕給美國帶來的損失每年高達1379億美元,在基礎設施領域約為226億美元,包括公路橋梁、輸送管道、海港碼頭、機場、鐵路和倉庫等復合材料耐腐蝕性能遠比鋼材要好得多。采用復合材料取代傳統用的鋼材可以大大減少由于腐蝕造成的損失。減輕重量。復合材料的比強度和比剛度較鋼材高得多。用復合材料取代鋼材,可大幅減輕結構重量。例如在加拿大的Menitoba有座Headingley橋采用碳纖維復合材料增強加固。與鋼材相比,碳纖維復合材料強度高6倍、重量輕20%。既減少了維護費用,又大大增加了工作壽命和服務年限??拐鹉芰?。美國加州大學圣地亞哥分校和美國佛羅里達大學的研究表明碳纖維復合材料外套增強橋梁可大大提高橋梁的抗地震能力。用碳纖維復合材料外套增強水泥橋墩和橋柱(無內增強)比鋼筋增強水泥的橋墩和橋柱更牢固,具有更好的抗震能力。由于用碳纖維復合材料增強橋梁的橋墩和柱子有更大的允許彎曲變形,當橫向或側面用碳纖維復合材料增強后,水泥橋墩和柱子的壓縮允許變形成數量級地增加。
       
       碳纖維復合材料所形成的外套大幅提高了水泥橋墩和柱子的側向剛度,大大提高了抗剪切應力的能力,而剪切應力往往是引發裂紋的主要起因,因此用碳纖維復合材料的外套增強橋梁可大幅度提高抗震能力。耐久性好。碳纖維復合材料具有極好的耐久性。日本三菱化學公司對用于基礎設施的Replark碳纖維片材進行了3年室外曝露試驗。研究結果表明3年室外曝露對拉伸強度和粘結強度沒有影響。此后又做了相當于30~50年的加速曝露試驗104h,結論又表明拉伸強度和粘結強度沒有變化。壽命長。由于上述優點,因此用碳纖維復合材料取代鋼材制備的基礎設施構件的壽命長。操作、安裝容易,速度快。復合材料的密度是鋼材的1/4~1/5,復合材料的基礎設施構件質量比鋼制構件輕得多。因此,運輸、操作及安裝較鋼制構件要方便、容易,而且時間短、速度快。
       
       2 修補增強技術和應用[3~6]
       
       碳纖維復合材料修復補強技術包括下述方法。
       
       (1)Obayashi-Mitsubishi法。由日本三菱化學公司提出,其操作為:①首先對要求修復的表面清理,通常用打磨的辦法;②打底子,通常打底漆;③打膩子(亦可不用此工序):④刷底涂層(刷樹脂);⑤鋪碳纖維復合材料片材Replark;⑥刷面涂層(刷樹脂);⑦表面涂漆或精加工。
       
       (2)SIKA法操作為:①清理表面,去除損壞的水泥殘塊、填補裂紋、平整表面和噴沙清理;②在清理好的表面上涂覆Sikadur粘結劑;③將預固化的Cabodur條切割到要求的長度,去除殘留在表面的塵渣;④在Cabodur條和水泥表面都涂覆環氧樹脂,將其粘連在一起,不需任何捆扎或支撐,停留24h即可。
       
       (3)Mbrace法操作為:①清除表面多余物,涂Mbrace底漆和打膩子;②Mbrace片材量料切割;③在要求修復的水泥表面涂上Mbrace浸漬劑,將碳纖維復合材料片材Mbrace對好并壓實在其上;④30min后涂上第二種浸漬涂層。24~48h后涂表面涂層。
       
       (4)帶纏繞法使用碳纖維預浸帶(或大絲束碳纖維)人工纏繞在要求增強的柱、墩、梁的表面。
       
       (5)外套法采用碳纖維預浸料或碳纖維片材做成外套,覆蓋在要求加強的柱、墩、梁的表面。
       
       (6)自動纏繞法用濕法纏繞碳纖維束或碳纖維預浸料于水泥柱和墩等表面,以增強這些柱和墩。美國圣地亞哥的XX系統技術公司研制了自動纏繞設備-移動式ROBO纏繞機。
       
       除了上述技術外,近期發展起來的還有碳纖維層壓板修復歷史建筑,碳纖維帶維修橋,碳纖維殼建設新橋和用碳纖維棒修復海軍碼頭等。應用實例如下:
       
       (1)用碳纖維層壓板修復歷史建筑。比利時的ECC特種水泥維修公司用一種新的增強系統——Poly Coating Carbo-Comp Plus修復比利時恩塔威布動物園水族館歷史性建筑。Poly Coating Carbo—Comp Plus是一種碳纖維增強塑料層壓板,含0°方向和±45℃方向的碳纖維,根據建筑和施工的要求,可用鋼螺釘固定連接。由于館內熱帶魚要求高溫高濕,該建筑腐蝕嚴重,地板和12根8m長的鋼增強水泥主承力粱損傷破壞。原計劃置鋼板于承力梁底部,以恢復并提高梁的承載能力(5KN/㎡),地板下再用鋼梁支撐,以增加承載能力3倍。但鋼梁難以運送到建筑內,因而不可能實施。這種新研發的材料在根特大學瑪格奈爾水泥研究實驗室進行了測試。結果表明用鋼螺釘固定連接碳纖維增強塑料層壓板,提高抗剪切破壞能力44%。水族館用預制件現場施工。首先從損壞的水泥梁上去除碎裂塊,然后用PC 5187/BL THIX環氧修補膠漿整直粱,使每一面的寬度相等。先用PC 5800環氧膠把8×103(長)×300(寬)×7.2(厚)mm的碳纖維增強塑料層壓板粘在梁的底部,兩端用鋼螺釘固定。維修工程用了38d(用鋼材加固預計需6個月),費用降低了
       
       400%。在維修時水族館內的展品不用搬遷,照常對外開館,梁的載荷能力增加到15KN/×,安全系數達到2.5。
       
       (2)用碳纖維帶維修諾薩圣霍拉橋。葡萄牙保托大學工學院土木工程系與葡萄牙機械工程和工業管理學院研究開發了一種復合材料增強體系,由同厚度為1.4mm單向增強碳纖維/環氧帶組成。復合材料的拉伸強度2446MPa,模量163GPa,抗腐蝕和抗疲勞性能優越。該橋系鋼筋水泥雙箱梁結構,跨距50m由四個鋼筋水泥橋墩支撐。因年久失修,出現許多縱向裂紋。維修時,首先從雙箱梁內部鏟除松碎材料,然后充填環氧膠膏,采用反向彎曲法加預應力。在梁表面涂覆環氧樹脂底膠,并放置固化24h。再按需要的尺寸切割碳纖維層壓帶,粘貼在梁表面,粘貼時必須加壓,務必使梁與碳纖維/環氧復合材料帶間粘結劑厚度小于3mm。對新的復合材料體系縮比結構性能進行測試,表明剛度比原結構增加了一倍。 
       
       (3)用碳纖維殼建設King’s Stormwater channel橋。加州大學圣地亞哥分校研制開發了碳纖維殼體系(Carbon Shell System)。這是一種壁厚為9.5mm碳纖維/環氧樹脂殼。碳纖維選用Hexel公司AS4D 12K碳纖維,樹脂是Epon公司826環氧樹脂,固化劑用殼牌化學公司的Epi-Cure9551。碳纖維/環氧樹脂殼采用濕法沿90°和±10℃纏繞,以確保環向和軸向的強度。在安裝后再將水泥填充于殼內,以保證殼的穩定性和抗扭曲能力。
       
       這是美國第一座從設計到建造采用復合材料的最大型高速公路橋。橋長20m、寬13m,連接墨西哥和美國,交通極為繁忙。橋面板由Glassforms公司根據Martin Mafieta復合材料公司的技術生產的。玻璃纖維增強復合材料板橋面硬度較水泥橋面高20%,重量僅為其1/5。在37t載荷下,橋面變形約2.5mm;水泥橋面在小于23t載荷下,變形已達2.5mm。
       
       (4)用碳纖維棒修復海軍珍珠港Wharf Bravo碼頭。美國DFI拉擠復合材料公司用拉擠工藝產直徑9.5mm碳纖維棒,采用PAN基高強碳纖維,雙組份9300系列環氧樹脂,胺基固化劑。碳纖維含量為65%,材料的拉伸強度1517MPa,拉伸模量138GPa。這種碳纖維棒用于修復碼頭。首先用快速固化的環氧膩子填充水泥橋面的表面裂紋,然在橋面每隔10mm切割凹槽,深度應確保碳纖維棒可以放入而不凸出表面。凹槽經噴沙、清理,涂復Sikadur55膩子,保證密封不漏氣。在凹槽中灌入Sikadur32環氧樹脂,碳纖維棒用手工鋪放,用輥子壓入環氧灌膠中,用不銹鋼夾子保證碳纖維棒不移動。在環氧灌膠完全固化前,覆蓋以3mm厚的水泥表層和兩份60孔砂子和一份Sikadur22環氧樹脂覆蓋層,達到紫外線防護和降低熱膨脹??焖俟袒勾a頭在修復24h后即可投入使用。美國海軍設施工程服務中心George Warren博士認為碳纖維帶用于修復海軍碼頭不足以承受高密度載荷。用碳纖維棒修復的海軍碼頭能承受9t重的鋼材從2.5m高處落下,而橋面不受損傷。美國海軍將繼續用這種技術修復其他軍用碼頭。
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