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土木吧丨碳纤维布“短命”问题分析

来源:球王会官方网址  作者:球王会官网登录  2022-09-04 20:42:12

  外贴碳纤维布加固技术是利用胶粘剂(常用环氧树脂) 将碳纤维布在现场浸渍并粘贴至被加固结构表面,以提高结构承载力的一种加固技术。由于碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀等优势,施工流程简单,逐渐成为主流加固技术之一。

  但是,随着该技术不断实践,在工程中发现部分加固年限较短( 5~10年) 的桥梁结构出现外贴碳纤维布断裂或剥离等质量问题,远未达到规范规定的加固后设计使用年限要求,严重影响结构安全。

  碳纤维布加固技术是通过在被加固构件表面粘贴碳纤维布以改善结构受力状态,实现结构有效加固的关键在于碳纤维布质量、碳纤维布与界面的可靠粘结。但在实际操作中,要解决以上两方面的问题并不容易。

  近年来受下游需求拉动,我国碳纤维产能快速扩张, 2021 年我国碳纤维运行产能 6.35 万吨,同比增长 75.41%, 占全球碳纤维运行产能的 30.5%, 产能规模全球第一。2021 年我国碳纤维产量 2.43 万吨,同比增长 31.35%, 产能利用率为 38.27%,产量增速不及产能增速,主要系新增产能多在 2021年下半年或年底投产,正常生产时间不足所致,预计2022年这些产能将充分释放。这也就是说2022年碳纤维产量相较于2021年将有大幅增长。

  这是否意味着在2022年加固行业需求量没有明显增长的情况下,碳纤维布这类产品将会受供求、竞争关系影响,出现品质提升、价格下跌。如果简单地这样认为,可能有些过于“乐观”。相反,由于碳纤维产能大量释放,反而导致高质量碳纤维布的比例会更低。

  GB 50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》中规定:对重要结构,必须选用聚丙烯腈基(PAN基)12K或12K以下的小丝束纤维,严禁使用大丝束纤维。其性能指标需要符合GB 50728-2011表8.2.4。

  根据GB 50728-2011表8.2.4中的要求,高强Ⅰ级碳纤维布的抗拉强度标准值要达到3400MPa,考虑到碳纤维在编制过程性能折损等问题,要保证高强Ⅰ级碳纤维布性能稳定且符合要求,建议选择T700以上、12K或12K以下小丝束PAN基碳纤维原丝。

  T700,指的是碳纤维的品级,通常以拉伸强度指标作为衡量标准。T700抗拉强度应达到4900MPa,目前也仅有12K小丝束碳纤维原丝可以达到T700。

  需要指出的是,对重要结构,必须选用聚丙烯腈基(PAN基)12K或12K以下的小丝束纤维,严禁使用大丝束纤维,主要原因是因为小丝束抗拉强度十分稳定,离散性很小,其变异系数均在5%以下,且胶液容易浸润、渗透,故在生产和使用过程中,均能对其性能和质量进行有效控制;而大丝束则不然,其变异系数均在高达15~18%,甚至更大。

  经过长期的技术积累,我国以吉林化纤、中复神鹰、宝旌、 新创碳谷、恒神股份、光威复材等为代表的国内碳纤维龙头企业正逐步打破国外技术垄断, 产能规模不断扩张,但仅有部分企业能实现 T700 级、 T800 级碳纤维的规模化生产,产品性能与国际龙头比肩;行业内仍有不少企业没有掌握碳纤维核心生产技术,存在工业生产稳定性差、成本高的问题。

  由此可见,符合高强Ⅰ级碳纤维布所需原丝要求的厂家并不多。小丝束碳纤维性能优异但价格较高,一般用于航天军工等高科技领域,以及体育用品中产品附加值较高的产品类别。大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低,往往运用于基础工业领域。

  随着碳纤维产能的释放,将会出现采用价格较低的大丝束或者等级较低的碳纤维原丝替代小丝束碳纤维的情况,致使碳纤维布的质量鱼龙混杂,进而影响碳纤维加固的寿命,因此,通过正规渠道,选择高品质、质量稳定的碳纤维布,是避免碳纤维布加固“短命”问题的有效措施之一。

  即使碳纤维和胶粘剂两种材料均满足设计要求,碳纤维布加固系统的强度也未必能达到设计强度,因此GB50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》8.1.4规定,纤维复合材的安全性鉴定必须与所选用配套结构胶同时进行。配套胶粘剂与碳纤维布的匹配性直接影响碳纤维布加固系统性能。

  此外,配套胶粘剂(浸渍胶)混合后黏度也是一个关键指标,若浸渍胶黏度过小,可能从碳纤维布中析出,若浸渍胶黏度过大,则不利于对碳纤维布充分浸透且易夹带气泡。浸渍胶黏度对温度比较敏感,低温时不利于对碳纤维有效浸润,影响加固效果。

  碳纤维布在施工现场通过树脂浸渍并粘贴于混凝土结构表面,在形成的碳纤维片材易出现纤维弯曲的现象。纤维弯曲导致纤维增强复合材料在受力过程中纤维束之间受力不均匀,导致拉伸强度降低并出现较大离散性,因此碳纤维外贴施工过程中需要一定的预张力。此外,纤维弯曲还会导致长期荷载作用下产生较大蠕变变形。

  随着长度、宽度、厚度的增加,碳纤维布性能将出现一定程度下降。长度方向的尺寸效应由沿纵向不均匀性气泡造成。研究表明,10m长碳纤维布的拉伸强度仅为材性试件的40%左右。此外,宽度、厚度增加,均会降低加固效果。

  因此,应用规范要求采用粘贴碳纤维布加固时,应选择多密布的方式进行粘贴,而不得使用未经裁剪成条的整幅织物满贴,并控制纤维布的粘贴层数。

  此外,碳纤维片材与混凝土界面的粘结性能受多种现场施工工序影响,比如基面的处理、环氧胶粘剂的刚度、基面平整度等多因素的影响,比如基面平整度差,致使碳纤维弯曲,产生垂直应力,导致碳纤维拔出、断裂等破坏。

  碳纤维布加固效果发挥的限制因素较多, 需要 保证碳纤维在加固过程中的顺直,充分浸胶,胶粘剂与界面的有效粘结等,而这些要求在实践环节达到,难度还是非常大的。此外,随着碳纤维产能的大量释放,价格较便宜的大丝束、低等级的碳纤维原丝涌入市场,不符合加固要求的碳纤维布比例必将增加,这将在很大程度上加剧了碳纤维加固“短命”问题的发生概率。

  [1] 吴智深. 外贴碳纤维布加固桥梁结构失效原因与对策分析[J].现代交通技术,2022,19:1-14.

  [2]《碳纤维深度报告:高壁垒、高成长,国产替代正当时》2022.06.19.

  [3]《建筑材料:风电等新能源势起,碳纤维前景广阔》2022.01.11.


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