การซ่อมแซมรอยแตกร้าวคอนกรีตด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

อาคารสำนักงานแบบองค์รวมนี้สร้างเสร็จในปี พ.ศ. 2540 จากการตรวจสอบคุณภาพในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2549 พบว่ามีรอยแตกร้าวแบบเฉียงที่เห็นได้ชัดที่ปลายคานของโครงอาคารบางส่วน ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัยได้ ผู้ออกแบบได้เสนอให้เจ้าของอาคารใช้วัสดุเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับคานบางส่วนของอาคารนี้ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเฉือนของคานโครงสร้าง

ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพคือ ทิศทางเส้นใยเดี่ยว, มวลต่อหน่วย 200 กรัม/ตารางเมตร, ความหนา 0.111 มิลลิเมตร, ความต้านทานแรงดึง 3550 เมกะปาสคาล, โมดูลัสยืดหยุ่น 2.35×105 เมกะปาสคาล ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของกาวสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์คือ ความต้านทานแรงดึง 30 เมกะปาสคาล, ความต้านทานแรงเฉือน 10 เมกะปาสคาล, ความต้านทานการยึดติด 2.0 เมกะปาสคาล, อุณหภูมิใช้งาน 5-35 องศาเซลเซียส และระยะเวลาใช้งาน 20-120 นาที รูปแบบการเสริมแรงคานแสดงในรูปที่ 1 หลังจากการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ความสามารถในการรับแรงเฉือนของคานจะเพิ่มขึ้น 43%-62%

แนวคิดเบื้องต้นในการออกแบบเสริมแรงผ้าคาร์บอนไฟเบอร์

(1)สำหรับส่วนประกอบที่มีลักษณะสวยงาม การกัดกร่อนของเหล็กเส้นน้อย และชั้นป้องกันคอนกรีตที่ยังไม่แตกร้าว นั่นคือโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กที่สึกกร่อนเล็กน้อย เมื่อคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนัก ความแข็งแรงของเหล็กเส้นและคอนกรีตสามารถพิจารณาเป็นความแข็งแรงยึดเกาะระหว่างทั้งสองได้ ไม่มีอะไรลดลง ดังนั้น สำหรับส่วนประกอบดังกล่าว หากใช้การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ มีเพียงการเสริมแรงป้องกันการกัดกร่อนเชิงป้องกันเท่านั้นที่สามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของส่วนประกอบภายใต้สภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย การเสริมแรงประเภทนี้เป็นการเสริมแรงโครงสร้าง และไม่จำเป็นต้องคำนวณปริมาณผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ต้องการ

(2) สำหรับโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กที่สึกกร่อนอย่างรุนแรง ซึ่งชั้นป้องกันคอนกรีตแตกร้าว การกัดกร่อนของเหล็กเส้นทำให้พื้นที่หน้าตัดของเหล็กเส้นลดลง ความแข็งแรงของเหล็กเส้นลดลง และสูญเสียพันธะระหว่างเหล็กเส้นกับคอนกรีต เมื่อทำการเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอน ควรคำนวณจำนวนผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ตามยาวที่ต้องการตามระดับการกัดกร่อนของโครงสร้างที่แตกต่างกัน เพื่อเพิ่มความต้านทานการดัด คำนวณจำนวนผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ตามขวางเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับแรงเฉือน ในที่นี้ จำเป็นต้องชี้ให้เห็นว่าการเสริมแรงโครงสร้างมีไว้เพื่อฟื้นฟูและเพิ่มความแข็งแรงของส่วนประกอบทั้งหมด ไม่ใช่เพื่อชดเชยการสูญเสียเหล็ก

ปริมาณผ้าคาร์บอนไฟเบอร์

ตามหลักการแรงเท่ากัน พื้นที่หน้าตัดของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแปลงเป็นพื้นที่เหล็กเส้นสมมูลได้ ดังนี้

พื้นที่หน้าตัดของผ้า CFRP คูณด้วยแรงดึงที่ยอมรับได้ของผ้า CFRP แล้วหารด้วยความต้านทานแรงดึงของเหล็กเส้น

พื้นที่หน้าตัดของผ้า CFRP จะถูกใช้เป็นพื้นที่สุทธิ กล่าวคือ ความหนาที่คำนวณได้ของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกคูณด้วยความกว้างของเส้นใยคาร์บอน แล้วคูณด้วยจำนวนชั้นของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์

ความยาวสมอ

ประสิทธิภาพการยึดติดระหว่างผ้า CFRP กับคอนกรีต ไม่ว่าจะมีการกระจายตัวหรือความเค้นที่แตกต่างกัน ล้วนมีความยาวการยึดเกาะที่มีประสิทธิภาพ จากกราฟระยะห่างระหว่างความเครียดและรอยแตกร้าว จะเห็นได้ว่ารูปร่างของเส้นโค้งมีความคล้ายคลึงกันมาก นอกจากความแตกต่างของค่าแล้ว แสดงให้เห็นว่าความเครียดและแรงเค้นในผ้าคาร์บอนไฟเบอร์กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน ความเครียดและแรงเค้นในการยึดเกาะจะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายในระยะ 50 มม. จากรอยแตกร้าว ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าความยาวการยึดเกาะและยึดเกาะของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 100 มม.

ในช่วงครึ่งศตวรรษนับตั้งแต่ CFRP ออกมา CFRP ได้ถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และทางเคมีที่วัสดุดั้งเดิมไม่สามารถเทียบได้ ประกอบกับมีวัตถุดิบให้เลือกใช้มากมาย อีกทั้งราคาก็ค่อยๆ ใกล้เคียงกับวัสดุดั้งเดิมมากขึ้นเรื่อยๆ