粘钢加固与粘碳纤维布加固性能对比

  现在混凝土中粘钢加固和粘碳布加固在建筑结构改造加固工程中都经常用到,粘结加固的位置也大致相同。现根据施工经验,对本工程使用钢板和碳纤维布从物理性能、施工工艺、提高构件承载力、造价、市场分析等方面进行比较。

  (1)钢板和碳纤维材质的物理性能

材料名称

强度
(Mpa/mm²)

单层厚度
(mm)

密度
(g/cm³)

单层强度
(N/mm)

碳纤维材料

3500

0.167

1.8

525

补强用钢板

210

5

7.8

630(Q235补强钢板)

  由上表可以看出,钢材和碳布都是抗拉强度很高的材料,尤其是碳纤维布的抗拉强度是普通钢筋的l0倍多。钢材与碳纤维布材料的物理性质相差很大,也是设计加固方案时要重点考虑的因素。现在常用的钢材Q235是建筑行业熟知的,质量比较稳定,而较新型的碳纤维布的改造比较特殊,当前用到的碳布的质量为200~300g/㎡,厚度仅为0.111mm或0.617mm。粘贴施工完毕总厚度不超过3mm,而相对于被加固的混凝土构件,基本不增加重量,这是粘贴碳纤维布的一大优势,施工后不会影响构件面层的做法。但是从目前市场来看,碳纤维布的质量不容乐观,不说碳纤维布的真假,从国产碳纤维布和进口碳纤维布的比较来看,国产材料的匀质性、碳纤维片中预浸树脂的含量、碳纤维的断丝率、杂质含量多少等方面,与国外产品相比仍有较大差距。为确保补强混凝土结构的质量,本公司使用的碳纤维布是性能质量优异的日本东丽公司的产品。

  (2)使用的粘结剂。用的粘结剂主料又有很大的相似性,比如现在生产粘钢结构胶的企业也开始生产粘碳布的胶,主要成分都是环氧树脂,一般分2个组分:主剂和固化剂,按照一定比例均匀,在一段时间内有较好工作性,便于施工,一段时问后开始固化。在验收标准上两种施工方法也是相似的,除了表观检查外,粘结剂的质量是重要一环,可以通过做实验来检验。另外一项重要验收就是空鼓率的限定标准不同,但检测方法是相同的。对碳布粘贴施工检验,粘结面积<95%,则判定为粘结无效,需重新施工;对钢板粘贴施工检验,若锚固区有效粘结面积<90%,非锚固区有效粘结面积<70%,应剥离钢板,重新粘贴。

  (3)施工时效和空间。粘碳布时不需要设置加压系统,相对于粘钢,施工工艺简单,施工速度快,占用施工空间小,一个作业面只需1~2人操作即可,熟练工人每人每天可完成近200㎡左右。同样工程量,粘碳布的施工工期约是粘钢的40%:(4)基面处理。粘钢和粘碳布在基面处理时都要求混凝土构件表面坚实,去除碳化层,平整清洁;而钢材表面的处理较碳布要复杂,需打磨出金属光泽,磨纹垂直受力方向,而碳布只需将粘贴面擦拭干净保持干燥。

  (5)碳纤维加固与粘钢加固在提高构件承载力方面的比较。钢板和碳布粘贴于梁、板底,用于增强构件抗弯性能,粘贴于梁支座附近的侧面,用于提高构件抗剪性能等,但是碳布的抗剪强度却远低于钢材,现在设计粘贴碳布是不考虑其抗剪的,因而一些设计还是倾向粘钢加固,尤其是在受力较复杂的结构改造中的拆改和受损构件的加固工作中,在本工程中梁侧、支座负弯矩处加固方法为粘钢板,也正是考虑到这一点。

  碳纤维加固与粘钢加固都能一定程度上提高构件的承载力,但是任何一种加固方法都不是万能的。因为碳纤维加固与粘钢加固是在原构件基础上进行的,原结构的截面尺寸、配筋、混凝土强度等级限制了发挥作用的程度。

  (6)造价方面。断面为5mm×100mm的Q235b钢板,能提供的设计强度约为5×100×215=107(kN),若改为100mm宽、0.167mm厚的碳纤维布,假定碳布的设计强度为3500MPa。则碳布提供的设计强度为0.167×100×3500=58(kN),稍微粗略地说,粘一层5mm厚钢板和粘两层碳布强度相当,可是粘贴5 rain厚钢板比起粘贴双层碳布,造价要节省一些。

  (7)技术成熟程度方面。由于粘钢加固技术兴起于20世纪70年代,设计和施工都相对比较成熟,现行加固规范对粘钢的设计计算及施工要求都有较详细的规定,而粘碳纤维在国内出现于20世纪9o年代末,现在只是个别加固专业公司推出企业标准和验收标准,标准化协会2003年推出的试行规范也只是综合采用了几家企业标准的规定。

  现在已经有设计开始探索新技术的弥补。以前存在的缺陷,如粘贴加固材料的混凝土基面存在碳化的缺陷,又是光靠打磨是弥补不了的,而且混凝土构件的钢筋保护层内没有的钢筋的束缚和连接,只能按照素混凝土考虑,曾经做过的粘钢破坏试验大多是混凝土保护层剥落与结构胶和钢板一起脱离?昆凝土构件。在某工程梁底粘钢加固的设计方案中,要求人工剔除梁底、梁侧保护层露出纵筋,使结构胶直接粘到纵筋上,这样更使得钢板与原梁协同受力,成为一个整体构件。

  综上所述,粘碳纤维布和粘钢粘贴形式、加固机理均较类似,那么,两种加固方法是否可以互换呢?两种加固方法本质上相当于增加构件配筋,在抗剪、抗弯加固中一般可以互相替换。如果碳纤维布抗拉强度设计值取为2000 MPa,钢材(Q235)抗拉强度设计值取为200MPa,可按照0.1 mm厚碳纤维布相当于1mm厚钢板的原则代换。但应注意以下几点。

  (1)碳纤维和钢材弹性模量基本一致,但碳纤维的抗拉强度是钢材的10倍左右,所以要充分发挥加固材料的强度,粘碳纤维需要加固构件产生更大地形变。也就是说,在小变形情况下,粘碳纤维加固应力滞后显著,所以当构件承载力相差较多时,应优先选用粘钢加固。

  (2)碳纤维和钢材弹性模量基本一致,达到同样的力值,钢材截面要大的多,所以粘钢加固提高构件刚度的幅度要超过碳纤维加固。也就是说,若补充同样的抗弯能力,构件粘钢加固的挠度、裂缝宽度小于粘碳纤维加固的。

  (3)钢板上可以焊接锚筋,也可钻孔设植筋锚固,所以锚固方式较粘碳纤维灵活。

  (4)碳纤维和钢材相比,属惰性材料,不锈蚀,也不易被有害介质腐蚀,在恶劣环境下耐久性好。因此,我们对构件进行加固处理时应综合各方面因素,做出既保证质量、又降低造价、节省工期的正确决策。