碳纤维布加固混凝土抗爆性能研究

1. 碳纤维布加固混凝土抗爆性能研究 专业： 结构工程 姓名： 陈 德 磊 学号：06111177

2. 1 　前　言 ◆混凝土是当代应用最广泛的建筑材料，它具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材复合可制成各种承重结构的优点。但混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的应用。纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段，它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高。目前，较为常用的纤维为钢纤维。钢纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗弯韧性和疲劳性能较普通混凝土有明显的提高 。碳纤维是一种新兴的高强纤维材料。由于碳纤维价格的不断降低，碳纤维水泥基材料日益得到广泛运用。碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性 。

3. ◆碳纤维是一种高新技术密集型产品，附加价值很高，碳纤维及其复合材料是发展航天航空和军事工业必不可少的新材料,也是民用工业亟需更新换代的新产品。◆碳纤维是一种高新技术密集型产品，附加价值很高，碳纤维及其复合材料是发展航天航空和军事工业必不可少的新材料,也是民用工业亟需更新换代的新产品。

4. ◆国外碳纤维的研制始于七十年代初，主要是用聚丙烯腈( PAN) 碳纤维进行单向增 强 的研究，因PAN基碳纤维价格昂贵未能发展。1978 年，日本关羽化学工业公司 生 产了通用级沥青基碳纤维之后，碳纤维增强混凝土(CFRC) 才得到迅速发展。1982 年，日本鹿岛 建 设公司率先开发轻质CFRC 复合板，建 成 了巴格 达 AI－Sha heed 纪念馆。开始了工程 上的 首次应用。从此，CFRC 在建筑工程上的应用日益广泛。

5. ◆我国碳纤维的研制工作始于六十年代后期，至今已有30 多年历史,经过两代人的努力，从无 到有，从小到大，逐步形成了我国碳纤维工业的雏形。由此制成的碳纤维增强混凝土，比不含碳纤维的普通水泥混凝土的抗拉强度高2～4 倍，弹性模量高1.5～2 倍，具有较高的力学性能 。这样，CFRC 在建筑中被大量使用起来。其飞跃发展的趋势，正引起国内外建筑界的高度瞩目。除建筑材料以外，CFRC 还在军工、医疗器械、体育器材、导电及抗静电材料等领域获得了广泛的应用 。

6. 2 碳纤维的特性 ◆碳纤维是用含碳的有机纤维，在惰性气体中，经预氧化和高温碳化等多道工序，形成具有石墨状的结构，正是这一特殊结构使碳纤维获得了特殊的高性能。 ◆由于碳纤维中的碳以共价碳的形式存在，沿晶格轴向分布，故而其强度高，弹性模量也高。其强度比钢大4 倍，比铅大7 倍，比铝大12 倍。抗变形能力比钢大2倍多，比玻璃纤维大5～6 倍。碳纤维对温度的适应范围相当宽，它既能耐高温，又能耐低温。在600 ℃高温时，其性能不变，而尼龙和玻璃纤维等非金属材料，随温度升高而强度下降；当- 180 ℃时，由于低温冷脆,钢铁脆性很大 ，而碳纤维布仍有较好的柔韧。碳纤维耐化学腐蚀性好，它不象金属那样容易生锈，在50 %的盐酸溶液中浸泡200 天，其直径和强度都不会变化。碳纤维的高温导热性极低，是耐火粘土的1/ 10 。

7. 3 碳纤维混凝土的研究现状 ◆3.1碳纤维混凝土力学性能的研究 ◆3.2碳纤维混凝土耐久性的研究 ◆3.3碳纤维混凝土的机敏特性的研究

8. 3.1 碳纤维混凝土力学性能的研究 ◆目前，主要研究了碳纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折、抗冲击强度；碳纤维对混凝土断裂性能、韧性的增强作用。碳纤维会使混凝土的抗压强度有所降低，而抗拉、抗折、抗冲击强度均能得到不同程度的提高。文献 用压缩韧性指数衡量了碳纤维对混凝土韧性的增强作用，认为碳纤维混凝土的压缩韧性指数明显大于普通混凝土(增加 59 %～110 % ) , 且随着碳纤维掺量的增加,变形能力增强,承载能力增加。

9. 3.2 碳纤维混凝土耐久性的研究 ◆对碳纤维混凝土耐久性的研究主要集中在碳纤维混凝土抗裂、防渗、抗冻、耐磨性等方面。碳纤维的加入降低了混凝土表面的析水与集料的离析，使混凝土中直径大于50 mm的孔隙含量大大减少，从而极大地提高抗渗能力。碳纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐久性都有不同程度的提高， 其中耐冻融性和抗蚀性有显 著的 提高。掺有碳纤维0. 5 kg/ m 的混凝土 经150 次冻融循环，其抗压和抗弯强度约下降20 % ，而其它条件相同的普通混凝土却下降60 %以上。大量的试验表明,碳纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性。经300 次浸海水循环,碳纤维混凝土氯离子浸入深度较普通混凝土小很多。 暴露在污水中3 年后的试件碳化深度小于3 mm，大大抑制了混凝土表层分层剥落破坏 。这些优点在水工结构、地下工程及工民建结构的防水工程、公路建设等方面有广阔的应用前景。

10. 3.3 碳纤维混凝土的机敏特性的研究 ◆水泥基材料是一种高电阻的惰性材料，通过掺入一定体积含量的短切碳纤维，可显著提高其电阻率， 当水泥基材料内部裂缝产生和扩展时，表现为材料电阻上升；而当水泥基材料内部裂缝闭合时其电阻下降，且电阻变化和所受载荷呈良好的线性关系 。混凝土电导特性的变化反映了材料内部的损伤状况，所以碳纤维混凝土具有实时诊断内部损伤的机敏性。为智能结构的设计提供了材料基础，并且对实现混凝土结构在自然灾害期间结构完整性的自我诊断，减少经济损失具有重要意义。

11. 4 碳纤维布加固混凝土构件抗爆能力提高效果初步研究 ◆碳纤维材料加固修补结构是一种新型的 结 构加固技 术，目前国内外已广泛应用于桥梁、建(构) 筑物、隧道、涵洞及其它各种混凝土结构的加固修补工程中。我国的冶金工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学土木工程系、东南大学土木工程学院也做了大量的研究工作 。但是，这些研究大都集中在静力荷载和震动荷载作用下碳纤维布补强加固混凝土结构的受力特性和破坏机理的研究探讨 ，对于爆炸冲击波荷载下的研究很少，限制了该技术在国防、人防工程中的应用。因此，我们对不同配筋率和不同加固层数的外贴碳纤维布钢筋混凝土模型进行了抗爆炸冲击波试验研究，分析碳纤维布加固技术的抗爆性能及其影响因素，为碳纤维布加固技术在国防、人防工程加固改造中应用提供依据 。

12. 4.1　试验原理和方法 ◆4.1.1　 模型设计 ◆4.1.2 　材料的力学参数 ◆4.1.3 　测试内容及测点布置

13. 4.1.1　模型设计 ◆模型采用钢筋混凝土矩形截面单向简支板 模 型，尺寸为900mm×400mm×120mm。纵筋保护层厚度为25 mm ，混凝土强度等级为C30，设26 架立筋及 26 箍筋，试件按配筋率分三类，配筋率分别为0.55 %、0.91 %、1.61 % ，即纵筋分别为310、 510、9 10 ，Ⅱ级螺纹钢筋(如图1 所示) 。待模型达到28 天的凝固期后， 按《碳纤维布片材加固修复混凝土结构技术规程》中的施工工艺进行模型底面碳纤维布粘贴加固。碳纤维布分别选用瑞典产SIKA 型和美国T20 型产品，按一层、二层和三层进行粘贴。碳纤维布粘贴加固由材料供应商派专业人员完成(模 型 数 量 见 表 1 ) 。

14. 图1 　不同配筋率模型截面

17. 项 目 种 类 粘结剂物理力学性能指 表3

18. 4.1.3 　测试内容及测点布置 ◆试验中主要用放大镜观察模型裂缝开展的情况和形态，测量在一定爆炸当量下的裂缝间距及裂缝长度；通过S2150－50AA 型应变计和模型跨中布置的两个GW2－100 型位移计及BPR－2/10 型空压传感器，分别测量模型侧面混凝土、底面碳纤维布的应变值和模型跨中的位移及爆炸冲击波荷载的压力。

19. 图2 　应变计布置

20. 位移计位于模型跨中底部,空压传感器位于与模型表面齐平的两侧,试验原理见图3。位移计位于模型跨中底部,空压传感器位于与模型表面齐平的两侧,试验原理见图3。

21. 4.2 　试验结果 ◆(1) 爆炸冲击波作用下，碳纤维布加固模型破坏特征为侧面混凝土产生竖向裂缝或混凝土压碎，未加固模型的裂缝明显比加固模型的裂缝长，加固碳纤维布层数少的模型裂缝比加固层数多的模型裂缝长，未加固模型裂缝最长达85mm ，加固三层碳纤维布模型侧裂缝只有45mm。

22. ◆(2)试验中无论是进口粘结剂(SIKA 产品) 还是国产粘结剂(东大改进型环氧胶) ，均没有出现碳纤维布与混凝土接触面滑移、剥落破坏，同时尽管试验模型产生裂缝等破坏现象，但碳纤维布没有出现破坏现象(征兆) ，表明不同粘结剂和碳纤维布均有优良的抗 爆炸冲击波能力，在爆炸冲击荷载作用下，碳纤维布和混凝土结构能够共同起作用，具有良好的 整 体工作 性能。

23. ◆(3)采用外部粘贴碳纤维布加固结构的方法，能有效地提高构件抗爆炸冲击性能。试验中粘贴碳纤维布层数多的模型跨中位移均小于粘贴碳纤维布层数少的模型。说明粘贴碳纤维布加固对结构的抗弯刚度和控制变形能力有一定的提高。◆(3)采用外部粘贴碳纤维布加固结构的方法，能有效地提高构件抗爆炸冲击性能。试验中粘贴碳纤维布层数多的模型跨中位移均小于粘贴碳纤维布层数少的模型。说明粘贴碳纤维布加固对结构的抗弯刚度和控制变形能力有一定的提高。 ◆(4)胶的剪切强度在碳纤维布加固层受力中起着关键作用，对加固抗爆性能也有较大影响，胶的剪切强度越 高，加 固效 果 越好，试验中用SIKA 胶粘贴的模型抗爆 性能 略优于东南大学改进型环氧树脂胶粘贴的模型。

24. 4.2.2 结果分析 (1) 碳纤维布加固模型与未加固模型对比 ◆由于未加固模型的抗弯刚度远低于加固模型，其抗爆性能明显低于碳纤维布加固模型，试验中没有量测到未加固模型的应变值，但是根据跨中位移和侧面裂缝的开展情况，我们可以看到：在空压值为0.4～0.45MPa 时，未加固模型的跨中位移为2.6～3.1cm ，侧面裂缝长度为8.5～10cm;在空压值0.4～0.45MPa 时，加固模型(一层加固） 跨中位移1.3cm左右；侧面裂缝长度7～8cm。从上述两方面比较可见，碳纤维布加固模型具有较优的抗爆炸冲击波性能。

25. (2) 碳纤维布加固层数对加固构件抗爆性能影响 ◆跨中挠度与碳纤维布加固层数有关系。试验中一、二层加固模型的跨中挠度为14～14.7 mm ，三层加固模型跨中挠度为5.5～5.8 mm。二层加固模型比一层加固模型跨中挠度减小约1 % ，三层加固模型比二层加固模型跨中挠度减小60 % ,三层加固模型比一层加固模型跨中挠度减小约61 %。三层加固模型对跨中挠度的控制较为明显，说明外贴碳纤维布能够提高结构刚度,较好的控制结构变形。 ◆ 碳纤维布加固层数对裂缝的开展有明显影响,加固层数越多，裂缝越小。加固一、二、三层碳纤维布模型侧面裂缝平均长度分别为78mm、72.5mm、48.3 mm。图5 为碳纤维布量测点跨中和2/3 跨中的应变时程曲线图。

26. ◆从图5 中可看出：模型碳纤维布加固层数越多，跨中和2/3 跨中的碳纤维布应变值越小，模型从一层碳纤维布加固增加到三层碳纤维布加固，跨中和2/3 跨中碳纤维布的应变值分别从5449με、5448με减少到2352με、2100με。这也说明碳纤维布加固层数对抗爆性能有明显的影响。

27. (3) 配筋率对碳纤维布加固结构抗爆性能的影响 ◆从图6 中可看出：模型配筋率越高，跨中和2/3 跨中的碳纤维布应变值越小，模型配筋率从0.55 %增加到1.61 %的加固试件，跨中和2/3 跨中碳纤维布的应变值分别从4674με、4524με减少到2282με、2108με。 ◆在混凝土等级为C30、采用二层碳纤维布加固的结构，配筋率发生变化时，作用相同的爆炸荷载，其配筋率对加固效果影响明显:

29. 1) 配筋率0.55 %的模型比配筋率0.91 %的模型，跨中应变提高32 %左右；配筋率0.91 %的模型比配筋率 1.61 %的模型，跨中应变提高约60 %；配筋率0.55 %的模型比配筋率1.61 %的模型,跨中应变提高118 %。 2) 配筋率为0.55 %、0.91 %、1.61 %模型跨中位移平均值分别为15mm、14.4mm、6.5mm；配筋率为0.91 %的模型跨中位移比配筋率为0.55 %的模型跨中位移减少约为4 %;配筋率为1.61 %的模型跨中位移比配筋率为0.91 %的模型跨中位移减少约为55 %；配筋率为1.61 %的模型跨中位移比配筋率为0.55 %的模型跨中位移减少约为57 %；可见配筋率0.91 %构件在试验荷载工作状态下，其对跨中挠度的控制性能较好。 3) 在配筋率变化时，裂缝开展长度随着配筋率的变化，其相对增加幅度小。说明在弹性工作状态下，配筋率对碳纤维布加固结构侧裂缝开展影响较小。

30. 5 　结论 综合以上试验结果,可以得到以下结论: (1) 爆炸冲击波作用下，碳纤维布加固模型弯曲破坏特征为侧面混凝土产生竖向裂缝或混凝土压碎。 (2) 在爆炸冲击荷载作用下，粘结剂能保证碳纤维布和钢筋混凝土结构共同工作，具有良好的整体工作性能。 (3) 试验研究表明，采用外部粘贴碳纤维布加固 结构方法，能有效地提高构件抗爆炸冲击性能，碳纤维布的使用增加了构件的抗弯刚度和抑制了构件的裂缝开展能力。 (4) 碳纤维布加固层数和配筋率对构件抗爆 性能影响明显，综合前述研究，考虑 效 费比因素，建议在结构加固中，采用碳纤维布加固时，其层数不超过三层 。

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