Kina har gjort betydande framsteg i forskning och praktisk tillämpning av strukturell förstärkning och förstärkning med hjälp av kolfiberkompositer. Vanliga metoder som används inom teknik inkluderar sektionsförstoring, stålmantling, förspänning, stålplåtbindning och kolfiberkompositbindning. Traditionella armeringsmetoder är i allmänhet föråldrade, med komplexa konstruktionsprocesser och tekniker som kan påverka strukturens vikt och användbara area. Däremot erbjuder kolfiberkompositbindningsmetoden fördelar som hög hållfasthet, effektivitet, korrosionsbeständighet, enkel konstruktion och ingen ökning av strukturella dimensioner, vilket gör den allmänt använd i ingenjörsprojekt.

1. Principer för kolfiberkompositförstärkning

Kolfiberarmering av betongkonstruktioner är en modern metod som började forskning på 1980-talet och introducerades till Kina 1996. Den fick snabbt uppmärksamhet i ingenjörsvärlden och blev ett hett ämne för forskning och tillämpning. Denna metod innebär att kolfiberkompositer binds till ytan av betongkonstruktioner, vilket förbättrar deras styrka och förbättrar deras prestanda genom samverkan mellan fibrerna och strukturen.

2. Kolfiberkompositmaterial

De primära materialen som används för att förstärka och reparera betongkonstruktioner med kolfiberkompositer är kolfibertyger och kompatibla hartser. Kolfiberkompositer är kända för sin höga hållfasthet, höga elasticitetsmodul, låga vikt och utmärkta korrosionsbeständighet, med draghållfasthet ungefär tio gånger högre än vanliga stålstänger. De kompatibla hartserna inkluderar bashartser, utjämningshartser och bindehartser. Dessa hartser förbättrar bindningskvaliteten hos kolfibrer och hjälper till att bilda en kompositmaterialkropp med betongen, vilket förbättrar strukturens böj- och skjuvmotstånd.

2.1 Kolfibertyger

Kolfibertyger kan kategoriseras baserat på deras råmaterial i PAN-baserade, viskosbaserade och asfaltbaserade tyger. De varierar också beroende på specifikation, inklusive 1K, 3K, 6K, 12K och 24K eller större tyger av kolfiber, och genom karboniseringsprocess till grafitiserade, karboniserade och föroxiderade tyger. Dessutom skiljer de sig åt i vävmetoder, såsom vävda, stickade, flätade och förimpregnerade tyger.

2.2 Bindningsmaterial

De lim som används för kolfiberkompositförstärkning inkluderar tre typer: primer (basharts), reparationsharts (avjämningsmaterial eller kitt) och impregneringsharts. Primern stärker betongytan och förbättrar bindningen mellan betongen och kolfiberkompositerna. Reparationshartset jämnar ut betongytan, vilket underlättar vidhäftningen av kolfiberskivor. Impregneringshartset binder samman kolfibrerna och till betongen och bildar ett kompositmaterial som står emot yttre krafter. Impregneringshartsens prestanda är avgörande för effektiv armering av betongkonstruktioner.

3. Överlägsen prestanda hos kolfiberkompositarmerade betongkonstruktioner

• Hög hållfasthet och elasticitetsmodul:Kolfiberkompositer erbjuder hög draghållfasthet, ungefär tio gånger högre än stål, och en elasticitetsmodul jämförbar med stål.

• Korrosionsbeständighet och hållbarhet:Kolfiberkompositer är kemiskt stabila och reagerar inte med syror, alkalier eller salter, vilket ger utmärkt korrosionsbeständighet och hållbarhet för förstärkta strukturer.

• Låg termisk expansionskoefficient:Kolfiberkompositer har en mycket låg värmeutvidgningskoefficient, nästan noll i fiberriktningen.

• Enkel konstruktion och hög effektivitet:Förstärkning med kolfibertyger kräver inte tunga maskiner eller stor utrustning, tar minimalt med utrymme och möjliggör flexibel skärning och snabb installation.

• Garanterad konstruktionskvalitet:Kolfibertyger, eftersom de är flexibla, kan fästa bra på ojämna ytor efter reparationer, vilket uppnår en effektiv vidhäftningsgrad på över 95 %.

• Minimal påverkan på strukturer:Den låga vikten och tunna profilen hos kolfiberkompositer ökar inte nämnvärt vikten eller dimensionerna på den ursprungliga strukturen, vilket bibehåller användbart utrymme.

• Brett utbud av applikationer:Lämplig för att förstärka olika typer av strukturer, former, material och olika svaga punkter i strukturella element.

4. Tillämpningar av kolfiberkompositförstärkning i betongkonstruktioner

Inom praktisk teknik används kolfibertyger främst för förstärkning. Tekniken är mogen och brett använd inom flera områden:

• Förbättra skjuvkapacitet:Kolfibertyger bidrar till skjuvhållfasthet som liknar stigbyglar och hjälper till att förhindra för tidig eftergivning av huvudarmeringen genom att hålla tillbaka betong och bära dragspänningar.

• Ökad böjningskapacitet:Genom att binda kolfibertyger till dragytan av strukturella element förbättras deras böjningskapacitet avsevärt.

• Förbättring av seismisk prestanda:Kolfibertyger kan förbättra duktiliteten och energiupptagningsförmågan hos betongelement, särskilt i balk-pelarfogar och pelare under axiell belastning, vilket ger utmärkt seismisk förstärkning.

• Öka utmattningsmotståndet:Armerade betongbalkar och förspända betongbalkar förstärkta med kolfibertyger bibehåller styrka och styvhet efter upprepade belastningscykler, vilket avsevärt förlänger deras utmattningslivslängd och minskar deformation.

5. Begränsningar av kolfiberkompositförstärkning i betongkonstruktioner

• Sprödhet:Kolfibrer är linjära elastiska och spröda, vilket kräver betydande deformation av strukturen för att fullt ut utnyttja sina egenskaper.

• Vidhäftningsproblem:Kolfiberarmering kan uppleva bindningsfel, vilket leder till spröda brottlägen i armerade betongkonstruktioner.

• Begränsad forskning om långsiktig prestanda:Det saknas forskning om prestandan hos kolfiberarmerad betong under långtids- och slagbelastningar.

• Teoretiska luckor:Även om det finns omfattande forskning om skjuvnings- och böjförstärkningsmekanismer för kolfibermaterial i balkar och pelare, finns det begränsad förståelse för deras tillämpning i skjuvväggar.

Sammantaget erbjuder kolfiberkompositförstärkningsteknik betydande ekonomiska, sociala och miljömässiga fördelar. Med utvecklingen av kolfibermaterial, minskade produktionskostnader och pågående forskning kommer denna teknik att se en ökande tillämpning i betongstrukturförstärkning, vilket lovar en ljus framtid.