China heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek en de praktische toepassing van structurele versterking en versterking met behulp van koolstofvezelcomposieten. Veelgebruikte methoden die in de techniek worden gebruikt, zijn onder meer sectievergroting, stalen ommanteling, voorspanning, verlijming van stalen platen en verlijming van koolstofvezelcomposiet. Traditionele wapeningsmethoden zijn over het algemeen verouderd, met complexe constructieprocessen en -technieken die van invloed kunnen zijn op het gewicht en de bruikbare oppervlakte van de constructie. Daarentegen biedt de koolstofvezelcomposietverbindingsmethode voordelen zoals hoge sterkte, efficiëntie, corrosieweerstand, constructiegemak en geen toename van structurele afmetingen, waardoor deze op grote schaal wordt gebruikt in technische projecten.

1. Principes van koolstofvezelcomposietversterking

Koolstofvezelversterking van betonconstructies is een moderne methode die in de jaren tachtig met onderzoek begon en in 1996 in China werd geïntroduceerd. Het kreeg al snel aandacht in de technische gemeenschap en werd een populair onderwerp voor onderzoek en toepassing. Deze methode omvat het hechten van koolstofvezelcomposieten aan het oppervlak van betonconstructies, waardoor hun sterkte wordt vergroot en hun prestaties worden verbeterd door de samenwerking tussen de vezels en de constructie.

2. Koolstofvezelcomposietmaterialen

De belangrijkste materialen die worden gebruikt voor het versterken en repareren van betonconstructies met koolstofvezelcomposieten zijn koolstofvezelweefsels en compatibele harsen. Koolstofvezelcomposieten staan ​​bekend om hun hoge sterkte, hoge elasticiteitsmodulus, lichte gewicht en uitstekende corrosieweerstand, met een treksterkte die ongeveer tien keer zo groot is als die van gewone stalen staven. De compatibele harsen omvatten basisharsen, egalisatieharsen en hechtharsen. Deze harsen verbeteren de hechtingskwaliteit van koolstofvezels en helpen bij het vormen van een composietmateriaallichaam met het beton, waardoor de buig- en schuifweerstand van de constructie wordt verbeterd.

2.1 Koolstofvezelstoffen

Koolstofvezelstoffen kunnen op basis van hun grondstoffen worden onderverdeeld in stoffen op basis van PAN, viscose en asfalt. Ze variëren ook per specificatie, waaronder 1K, 3K, 6K, 12K en 24K of grotere koolstofvezelweefsels, en door carbonisatieproces tot gegrafitiseerde, gecarboniseerde en voorgeoxideerde stoffen. Bovendien verschillen ze in weefmethoden, zoals geweven, gebreide, gevlochten en vooraf geïmpregneerde stoffen.

2.2 Hechtmaterialen

De lijmen die worden gebruikt voor versterking van koolstofvezelcomposiet omvatten drie soorten: primer (basishars), reparatiehars (egalisatiemateriaal of stopverf) en impregneerhars. De primer versterkt het betonoppervlak en verbetert de hechting tussen het beton en koolstofvezelcomposieten. De reparatiehars egaliseert het betonoppervlak, waardoor de hechting van koolstofvezelplaten wordt vergemakkelijkt. De impregneerhars bindt de koolstofvezels aan elkaar en aan het beton, waardoor een composietmateriaal ontstaat dat bestand is tegen externe krachten. De prestaties van de impregneerhars zijn cruciaal voor het effectief versterken van betonconstructies.

3. Superieure prestaties van koolstofvezelcomposietversterkte betonconstructies

• Hoge sterkte en elastische modulus:Koolstofvezelcomposieten bieden een hoge treksterkte, ongeveer tien keer die van staal, en een elasticiteitsmodulus die vergelijkbaar is met staal.

• Corrosiebestendigheid en duurzaamheid:Koolstofvezelcomposieten zijn chemisch stabiel en reageren niet met zuren, logen of zouten, waardoor versterkte constructies uitstekend bestand zijn tegen corrosie en duurzaamheid.

• Lage thermische uitzettingscoëfficiënt:Koolstofvezelcomposieten hebben een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt, bijna nul in de vezelrichting.

• Gemak van constructie en hoog rendement:Voor het versterken met koolstofvezelstoffen zijn geen zware machines of grote apparatuur nodig, neemt het minimale ruimte in beslag en is flexibel snijden en snelle installatie mogelijk.

• Gegarandeerde bouwkwaliteit:Koolstofvezelstoffen zijn flexibel en kunnen na reparaties goed hechten op oneffen oppervlakken, waardoor een effectieve hechting van meer dan 95% wordt bereikt.

• Minimale impact op structuren:Het lichte gewicht en het dunne profiel van koolstofvezelcomposieten vergroten het gewicht of de afmetingen van de oorspronkelijke structuur niet significant, waardoor de bruikbare ruimte behouden blijft.

• Breed scala aan toepassingen:Geschikt voor het versterken van verschillende soorten structuren, vormen, materialen en verschillende zwakke punten in structurele elementen.

4. Toepassingen van koolstofvezelcomposietversterking in betonconstructies

In de praktische techniek worden koolstofvezelstoffen voornamelijk gebruikt voor versterking. De technologie is volwassen en wordt op verschillende gebieden breed toegepast:

• Verbetering van de afschuifcapaciteit:Koolstofvezelweefsels dragen bij aan de schuifweerstand, vergelijkbaar met beugels, en helpen voortijdig meegeven van de hoofdwapening te voorkomen door het beton tegen te houden en trekspanningen te dragen.

• Buigcapaciteit vergroten:Door koolstofvezelweefsels aan het trekoppervlak van structurele elementen te hechten, wordt hun buigvermogen aanzienlijk verbeterd.

• Verbetering van seismische prestaties:Koolstofvezelweefsels kunnen de ductiliteit en het energieabsorptievermogen van betonelementen verbeteren, vooral in ligger-kolomverbindingen en kolommen onder axiale belasting, waardoor een uitstekende seismische versterking ontstaat.

• Vermoeidheidsweerstand vergroten:Balken van gewapend beton en balken van voorgespannen beton, versterkt met koolstofvezelweefsels, behouden hun sterkte en stijfheid na herhaalde belastingscycli, waardoor hun levensduur tegen vermoeiing aanzienlijk wordt verlengd en vervorming wordt verminderd.

5. Beperkingen van koolstofvezelcomposietversterking in betonconstructies

• Broosheid:Koolstofvezels zijn lineair elastisch en bros, waardoor een aanzienlijke vervorming van de structuur nodig is om hun eigenschappen volledig te benutten.

• Hechtingsproblemen:Koolstofvezelversterking kan te maken krijgen met hechtingsfouten, wat kan leiden tot brosse faalwijzen in de gewapende betonconstructies.

• Beperkt onderzoek naar prestaties op lange termijn:Er is een gebrek aan onderzoek naar de prestaties van koolstofvezelversterkt beton onder langdurige en schokbelastingen.

• Theoretische hiaten:Hoewel er uitgebreid onderzoek is gedaan naar de schuif- en buigversterkingsmechanismen van koolstofvezelmaterialen in balken en kolommen, is er beperkt inzicht in de toepassing ervan in schuifwanden.

Over het geheel genomen biedt de versterkingstechnologie van koolstofvezelcomposiet aanzienlijke economische, sociale en ecologische voordelen. Met de ontwikkeling van koolstofvezelmaterialen, lagere productiekosten en voortdurend onderzoek zal deze technologie steeds meer toegepast worden in betonconstructieversterking, wat een mooie toekomst belooft.