จีนมีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยและการประยุกต์ใช้การเสริมแรงโครงสร้างและการเสริมความแข็งแกร่งโดยใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ วิธีการทั่วไปที่ใช้ในงานวิศวกรรม ได้แก่ การขยายส่วน การหุ้มเหล็ก การอัดแรง การติดแผ่นเหล็ก และการติดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ วิธีการเสริมแรงแบบเดิมมักล้าสมัย ด้วยกระบวนการและเทคนิคการก่อสร้างที่ซับซ้อน ซึ่งอาจส่งผลต่อน้ำหนักของโครงสร้างและพื้นที่ใช้สอย ในทางตรงกันข้าม วิธีการติดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อดี เช่น มีความแข็งแรงสูง ประสิทธิภาพ ทนต่อการกัดกร่อน ก่อสร้างง่าย และไม่เพิ่มขนาดโครงสร้าง ทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงการวิศวกรรม

1. หลักการเสริมแรงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ในโครงสร้างคอนกรีตเป็นวิธีการสมัยใหม่ที่เริ่มการวิจัยในช่วงทศวรรษปี 1980 และเปิดตัวในประเทศจีนในปี 1996 ได้รับความสนใจอย่างรวดเร็วในแวดวงวิศวกรรม และกลายเป็นประเด็นร้อนสำหรับการวิจัยและการประยุกต์ใช้ วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการยึดวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์เข้ากับพื้นผิวของโครงสร้างคอนกรีต เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและปรับปรุงประสิทธิภาพผ่านการทำงานร่วมกันของเส้นใยและโครงสร้าง

2. วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

วัสดุหลักที่ใช้ในการเสริมแรงและซ่อมแซมโครงสร้างคอนกรีตด้วยคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ได้แก่ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินที่เข้ากันได้ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีชื่อเสียงในด้านความแข็งแรงสูง โมดูลัสยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม โดยมีความต้านทานแรงดึงประมาณ 10 เท่าของแท่งเหล็กธรรมดา เรซินที่เข้ากันได้ ได้แก่ เรซินพื้นฐาน เรซินปรับระดับ และเรซินยึดติด เรซินเหล่านี้ปรับปรุงคุณภาพการยึดเกาะของเส้นใยคาร์บอน และช่วยสร้างตัววัสดุคอมโพสิตกับคอนกรีต เพิ่มความต้านทานการโค้งงอและแรงเฉือนของโครงสร้าง

2.1 ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์

ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งประเภทตามวัตถุดิบเป็นผ้าที่มี กระทะ, วิสโคส และแอสฟัลต์ นอกจากนี้ยังแตกต่างกันไปตามข้อกำหนด รวมถึงผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบลาก 1K, 3K, 6K, 12K และ 24K หรือใหญ่กว่า และโดยกระบวนการคาร์บอไนเซชันเป็นผ้ากราฟิไทซ์ คาร์บอไนซ์ และพรีออกซิไดซ์ นอกจากนี้ ยังมีวิธีการทอที่แตกต่างกัน เช่น ผ้าทอ ผ้าถัก ผ้าถัก และผ้าที่ชุบไว้ล่วงหน้า

2.2 วัสดุประสาน

กาวที่ใช้สำหรับการเสริมแรงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีสามประเภท: ไพรเมอร์ (เรซินพื้นฐาน), เรซินซ่อมแซม (วัสดุปรับระดับหรือสีโป๊ว) และเรซินที่ชุบ สีรองพื้นช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับพื้นผิวคอนกรีต เพิ่มการยึดเกาะระหว่างคอนกรีตและคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เรซินซ่อมแซมปรับระดับพื้นผิวคอนกรีต ช่วยให้การยึดเกาะของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์สะดวกขึ้น เรซินที่เคลือบจะยึดเส้นใยคาร์บอนเข้าด้วยกันและเข้ากับคอนกรีต ทำให้เกิดเป็นวัสดุคอมโพสิตที่ต้านทานแรงภายนอก ประสิทธิภาพของเรซินเคลือบมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเสริมแรงโครงสร้างคอนกรีตอย่างมีประสิทธิผล

3. ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

• โมดูลัสความแข็งแรงสูงและยืดหยุ่น:คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความต้านทานแรงดึงสูง มากกว่าเหล็กประมาณ 10 เท่า และมีโมดูลัสยืดหยุ่นเทียบเท่ากับเหล็ก

• ความต้านทานการกัดกร่อนและความทนทาน:คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความเสถียรทางเคมีและไม่ทำปฏิกิริยากับกรด ด่าง หรือเกลือ ทำให้มีความต้านทานการกัดกร่อนและความทนทานที่ดีเยี่ยมสำหรับโครงสร้างเสริม

• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ:คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก เกือบจะเป็นศูนย์ในทิศทางของเส้นใย

• ความง่ายในการก่อสร้างและประสิทธิภาพสูง:การเสริมแรงด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรหนักหรืออุปกรณ์ขนาดใหญ่ ใช้พื้นที่น้อยที่สุด และช่วยให้ตัดได้อย่างยืดหยุ่นและติดตั้งได้อย่างรวดเร็ว

• รับประกันคุณภาพการก่อสร้าง:ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มีความยืดหยุ่น สามารถยึดเกาะได้ดีกับพื้นผิวที่ไม่เรียบหลังการซ่อมแซม โดยมีอัตราการยึดเกาะที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 95%

• ผลกระทบต่อโครงสร้างน้อยที่สุด:น้ำหนักเบาและโปรไฟล์บางของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ไม่ได้เพิ่มน้ำหนักหรือขนาดของโครงสร้างเดิมอย่างมีนัยสำคัญ โดยรักษาพื้นที่ใช้สอย

• การใช้งานที่หลากหลาย:เหมาะสำหรับเสริมโครงสร้างประเภทต่างๆ รูปทรง วัสดุ และจุดอ่อนต่างๆ ในองค์ประกอบโครงสร้าง

4. การประยุกต์การเสริมแรงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในโครงสร้างคอนกรีต

ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัตินั้น ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้เพื่อเสริมแรงเป็นหลัก เทคโนโลยีนี้มีความสมบูรณ์และมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลายด้าน:

• การเพิ่มความสามารถในการรับแรงเฉือน:ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มีส่วนต้านทานแรงเฉือนคล้ายกับโกลน และช่วยป้องกันการเสริมแรงหลักก่อนเวลาอันควรโดยการยึดคอนกรีตและรับแรงดึง

• เพิ่มความสามารถในการดัด:โดยการยึดติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์กับพื้นผิวแรงดึงขององค์ประกอบโครงสร้าง ความสามารถในการดัดงอของผ้าจึงดีขึ้นอย่างมาก

• การปรับปรุงประสิทธิภาพแผ่นดินไหว:ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถเพิ่มความเหนียวและความสามารถในการดูดซับพลังงานของชิ้นส่วนคอนกรีต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในข้อต่อคาน-คอลัมน์และเสาภายใต้ภาระตามแนวแกน ซึ่งช่วยเสริมแรงแผ่นดินไหวได้ดีเยี่ยม

• เพิ่มความต้านทานต่อความเมื่อยล้า:คานคอนกรีตเสริมเหล็กและคานคอนกรีตอัดแรงเสริมด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ช่วยรักษาความแข็งแรงและความแข็งหลังจากรอบการโหลดซ้ำๆ ช่วยยืดอายุความเมื่อยล้าและลดการเสียรูปได้อย่างมาก

5. ข้อจำกัดของการเสริมแรงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในโครงสร้างคอนกรีต

• ความเปราะบาง:เส้นใยคาร์บอนมีความยืดหยุ่นเป็นเส้นตรงและเปราะ ทำให้โครงสร้างต้องเสียรูปอย่างมากจึงจะใช้คุณสมบัติได้อย่างเต็มที่

• ปัญหาการยึดเกาะ:การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์อาจประสบกับความล้มเหลวในการยึดเกาะ ซึ่งนำไปสู่โหมดความล้มเหลวเปราะในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก

• การวิจัยที่จำกัดเกี่ยวกับประสิทธิภาพระยะยาว:ยังขาดการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพของคอนกรีตเสริมเหล็กคาร์บอนไฟเบอร์ภายใต้การรับน้ำหนักในระยะยาวและการรับแรงกระแทก

• ช่องว่างทางทฤษฎี:แม้ว่าจะมีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับกลไกการเสริมแรงเฉือนและการดัดงอของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ในคานและเสา แต่มีความเข้าใจที่จำกัดเกี่ยวกับการประยุกต์กลไกเหล่านี้ในผนังรับแรงเฉือน

โดยรวมแล้ว เทคโนโลยีการเสริมแรงด้วยคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ให้ประโยชน์ทางเศรษฐกิจ สังคม และสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการพัฒนาวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ ต้นทุนการผลิตที่ลดลง และการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ เทคโนโลยีนี้จะเห็นการประยุกต์ใช้ที่เพิ่มขึ้นในการเสริมโครงสร้างคอนกรีต ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะมีอนาคตที่สดใส