CN102808525B - 混凝土柱的补强夹套及混凝土柱的补强方法 - Google Patents
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Abstract
一种补强夹套，包括一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状。本揭露提供一种混凝土柱的补强方法，其使用至少一补强夹套包覆该混凝土柱，其中该补强夹套包括一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状。之后，在该搭接部涂布树脂，使得该搭接部的纤维复合材料与该树脂产生架桥交联作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土柱的补强夹套及混凝土柱的补强方法。
背景技术
台湾属海岛型气候，夏季气候炎热，冬季风势强劲，日夜温差大，湿度偏高，沿海地区空气中甚至挟带盐分，易造成严重氯化物与腐蚀侵蚀等类似海砂屋的症状，导致结构物产生龟裂、剥落等缺陷，严重者可能导致倾倒、崩塌危及公共安全。此外，台湾地处欧亚板块与菲律宾板块的环太平洋地震带上，为全球地震发生频繁的地区，对于桥梁及既有建筑物的结构补强，以及新建案的公共公程的耐震度提升，实属当务之急。
依美国联邦高速公路行政局(FHWA，FederalHighwayAdministration)的一份评估报告中显示，在全美国面临严重功能丧失桥梁超过24万座，约占全美桥梁42％，估算修补这些桥梁须花上500亿美金以上，因此桥梁的修补对于已开发的国家已成为当前重要课题。台湾面临同样问题，仅以桥梁结构为例，目前台湾地区现有桥梁约18,000座，且数目日益增加，其平均桥龄在20年以上，这些桥梁面临老化、龟裂、破损、年久失修及外在超载车辆、环境腐蚀等情况日趋严重，更使桥梁的功能降低，使用寿命大为缩短，2008年因台风造成后丰大桥意外断裂，除产生人员伤亡外，后续更面临交通中断及改道问题，耗费极大的社会成本。
图1例示现有的纤维复合材手工贴覆补强施工流程。就耐震力不足桥梁而言，补强修复比拆除重建，更具经济效益，在桥柱所使用的补强工法虽然相当多，目前补强工法的新趋势为应用纤维强化高分子复合材料(FRP)于土木基层结构补强。1955年日本阪神大地震后，日本因灾后的修补与旧有建筑物耐震力提升的防震措施，促使碳纤维应用在土木建物补强用量大幅成长，据统计2008年日本碳纤维补强用织物约120万米平方用量，而克维拉Kevlar或Twaron补强织物约有30万米平方的用量。
图2例示现有使用纤维复合材料夹套的补强程序。现有的纤维复合材料夹套的制作方法有使用各式纤维复合材料的成型工法，例如席状模造法(SheetMoldingCoumpont)、拉挤成型法以及缠绕法，对于夹套的搭接部通常设置有一定的方式。
图3及图4例示现有的缠绕法制备一件式夹套10。现有的缠绕法是在一模具11上连续缠绕纤维13而形成内径大于被补强物外径的夹套10，其使用多余圆周长来当作为搭接部。缠绕法制备的一件式夹套，若将其切开成两件式，其夹套的曲率因大于被补强物的曲率，因此会有松脱或不密合的情形，影响补强效果。
图5及图6例示现有的两件式夹套20。席状模造法与拉挤成法以模具设计搭接部，一般以两件式作组合，搭接部21的吻合度相对比较好。然而，这些方法制备的夹套搭接方式有一共同特性，就是搭接部21与夹套本体23都是纤维复合材料已硬化反应完成的复合材料结构，当夹套20要组合搭接时，必须使用黏着剂将搭接部21胶着，两面均为高分子复合材料结构的接着力主要取决于黏着剂本身的强度以及与接着面的接着力。黏着剂的强度来自本身的拉张强度及剪切力的强度，这种强度通常与复合材料的强度相比仅为其1％至10％，接着面的厚度若超过一定厚度，将显现接着面的破坏模式属于黏着剂本身的拉张与剪切力破坏。
黏着剂的表面湿润程度及黏着剂是否与接着面产生架桥反应，影响接着强度的大小。简言之，黏着剂对接着面的湿润效果愈佳则有较佳的接着强度，黏着剂与接着面产生架桥作用的化学反应愈多则有较佳的接着强度，因此纤维复合材料的高分子树脂若已接近100％的反应程序，接着面与黏着剂很难也很少会产生架桥的化学反应，则接着力以物理接着力为主，化学接着力则很少，现有的两件式夹套的纤维复合材料已近100％的反应程序，即为此类，其补强的强度较弱。
发明内容
本发明目的在于提供一种补强夹套及一种混凝土柱的补强方法，在补强柱体承受力破坏时，不会在搭接处出现结合强度差的搭接破坏。
本发明提供一种补强夹套，包括一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状。
本发明提供一种混凝土柱的补强方法，其使用至少一补强夹套包覆该混凝土柱，其中该补强夹套包括一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状。之后，在该搭接部涂布树脂，使得该搭接部的纤维复合材料与该树脂产生架桥交联作用。
上文已相当广泛地概述本揭露的技术特征及优点，以使下文的本揭露详细描述得以获得较佳了解。构成本揭露的申请专利范围标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本揭露所属技术领域中包括通常知识的人员应了解，可相当容易地利用下文揭示的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或制程而实现与本揭露相同的目的。本揭露所属技术领域中包括通常知识者亦应了解，这类等效建构无法脱离所附的权利要求书所界定的本发明的精神和范围。
通过参照前述说明及下列图式，本揭露的技术特征及优点得以获得完全了解。
附图说明
图1为现有的纤维复合材手工贴覆补强施工流程；
图2为现有使用纤维复合材料夹套的补强程序；
图3及图4例示现有的缠绕法制备一件式夹套；
图5及图6例示现有的二件式夹套；
图7例示本发明一实施例的补强夹套的制备流程图；
图8至图12例示本发明一实施例的补强夹套的制备方法；
图13至图15例示本发明另一实施例的补强夹套的制备方法；
图16至图18例示本发明另一实施例的补强夹套的制备方法；
图19为本发明一实施例的混凝土柱的补强流程图；
图20为本发明一实施例的混凝土柱(例如圆柱形的RC混凝土柱)的补强方法；
图21为本发明另一实施例的混凝土柱(例如圆柱形的RC混凝土柱)的补强方法；以及
图22为本发明另一实施例的混凝土柱(例如矩形的RC混凝土柱)的补强方法。
其中，附图标记说明如下：
10一件式夹套
11模具
13纤维
20两件式夹套
21搭接部
23本体
30补强材料
31纤维复合材料
33本体
35***部
37树脂
39模具
40补强夹套
40A补强夹套
41本体
43搭接部
50补强夹套
50A子夹套
50B子夹套
51本体
53搭接部
53A搭接部
53B搭接部
60补强夹套
60A子夹套
60B子夹套
61本体
63搭接部
63A搭接部
63B搭接部
70混凝土柱
80混凝土柱
具体实施方式
图7例示本发明一实施例的补强夹套40的制备流程图，图8至图12例示本发明一实施例的补强夹套40的制备方法。在本发明的一实施例中，首先依所要的尺寸及积层的层数剪裁一纤维复合材料(例如碳纤维单向预编织物)31，并剪裁2片比碳纤维单向预编织物31尺寸稍大的PET膜(未显示于图中)，其中纤维复合材料包括碳纤维、玻璃纤维、Kevlar或Twaron。的后，调配环氧树脂，将A、B剂按比例混合并充分搅拌均匀与真空脱泡。在本发明的一实施例中，纤维单向预编织物31可概分为一本体33及一***部35。
参考图9，将环氧树脂37倒于第一片PET膜上，并以刮刀将环氧树脂均匀涂布于PET膜上，再铺上一片纤维单向预编织物31，其中本体33与PET膜重叠；之后，将环氧树脂37倒于纤维单向预编织物31的本体33上并以刮刀均匀涂布环氧树脂，再覆盖第二片PET膜于本体33上，并以刮刀在PET膜上将环氧树脂37均匀分布，以完成一补强材料30，两片PET膜帖覆于碳纤维单向预编织物31的上下表面，用以压平碳纤维单向预编织物31。
参考图10及图11，将补强材料30帖覆于一模具39上，并以顺向聚丙烯(OPP)带(宽度以2至10cm，厚度0.2至0.4mm)施加3至6kgf的张力缠绕，顺向聚丙烯尽可能包覆补强材料30的表面。之后，依环氧树脂的反应条件，静置约12至24小时使环氧树脂完成架桥交联反应及硬化(或者放入烤箱130℃烘烤约90分钟后环氧树脂硬化反应完成)，再拆除顺向聚丙烯带、脱模及修整毛边即完成补强夹套40，如图12所示。
补强夹套40呈圆柱状一件式夹套，包括一本体41及一搭接部43。本体41包括含浸环氧树脂37的纤维复合材料31，搭接部43设置于本体41的侧边，其包括未含浸环氧树脂的纤维复合材料31且纤维复合材料31呈流苏状。搭接部43的宽度为本体41的圆周长的10至30％之间。
图13至图15例示本发明另一实施例的补强夹套50的制备方法。如果被补强柱体为圆形柱体时，可通过两个半圆柱状的子夹套50A及50B构成一补强夹套50(如图13所示)，其中子夹套50A及50B各包括一搭接部53，设置于本体41的侧边；此外，子夹套50A及50B可各自包括一第一搭接部53A及一第二搭接部53B，分别设置于本体51的相对两侧边(如图14所示)，其组合时结合搭接部53A及53B耦接而形成圆柱状补强夹套50(如图15所示)。
图16至图18为本发明另一实施例的补强夹套60的制备方法。如被补强柱体为矩形柱体时，可通过两个倒U形(半矩形柱状)的子夹套60A及60B构成一补强夹套60(如图16所示)，其中子夹套60A及60B各包括一搭接部63，设置于本体61的侧边；此外，子夹套60A及60B可各自包括一第一搭接部63A及一第二搭接部63B，分别设置于本体41的相对两侧边(如图17所示)，其组合时结合搭接部63A及63B耦接而形成矩形柱状补强夹套60(如图18所示)。
图19为本发明一实施例的混凝土柱的补强流程图，图20为本发明一实施例的混凝土柱(例如圆柱形的RC混凝土柱)80的补强方法。在本发明的一实施例中，混凝土柱80的补强方法首先进行施工准备(工地现场的勘察、夹套尺寸的量测与订制及物料的准备)及修复工程(将RC混凝土柱表面清洁、除尘、裂缝填补、去漆等损坏修复工程使表面平整)。
之后，在柱体表面涂布环氧树脂，除了预留的搭接位置外，其余的柱面以环氧树脂均匀涂布于柱体表面，环氧树脂的厚度约0.1mm至0.4mm，其中环氧树脂玻璃转化温度(Tg)为50℃至100℃，黏度为50,000至150,000cps(厘泊centipoises)。接着，将补强夹套40(补强夹套50亦可)包覆混凝土柱70，并在搭接部43及对应的柱面涂布与本体41相同的环氧树脂，并以刮刀将环氧树脂涂布均并使树脂充分湿润搭接部43的纤维。
之后，以OPP带在补强夹套40由中央往两侧分别缠绕，使补强夹套40的外表均被OPP缠绕包覆，其中缠绕OPP时施予3至6kgf的张力，使补强夹套40紧密贴合于混凝土柱70。OPP带的宽度以2至10cm为佳，厚度0.2至0.4mm，缠绕OPP时应尽可能包覆整个补强夹套40。在养护24小时后，即可拆除OPP带完成补强工程。
图21为本发明另一实施例的混凝土柱(例如圆柱形的RC混凝土柱)70的补强方法。相较于图20的实施例，图21的补强方法使用的补强夹套40A包括一第一搭接部43及一第二搭接部45，分别设置于本体41的相邻两侧边，其中第二搭接部45用以补强混凝土柱70的基部。
图22例示本发明另一实施例的混凝土柱(例如矩形的RC混凝土柱)80的补强方法。在本发明的一实施例中，混凝土柱80的补强方法首先进行施工准备(工地现场的勘察、夹套尺寸的量测与订制及物料的准备)及修复工程(将RC混凝土柱表面清洁、除尘、裂缝填补、去漆等损坏修复工程使表面平整)。
之后，在柱体表面涂布环氧树脂，除了预留的搭接位置外，其余的柱面以环氧树脂均匀涂布于柱体表面，环氧树脂的厚度约0.1mm至0.4mm，其中环氧树脂玻璃转化温度(Tg)为50℃至100℃，黏度为50,000至150,000cps(厘泊centipoises)。接着，将补强夹套60包覆混凝土柱80，并在搭接部63及对应的柱面涂布与本体61相同的环氧树脂，并以刮刀将环氧树脂涂布均并使树脂充分湿润搭接部63的纤维。
之后，以OPP带在补强夹套40由中央往两侧分别缠绕，使补强夹套60的外表均被OPP缠绕包覆，其中缠绕OPP时施予3至6kgf的张力，使补强夹套60紧密贴合于混凝土柱80。OPP带的宽度以2至10cm为佳，厚度0.2至0.4mm，缠绕OPP时应尽可能包覆整个补强夹套60。在养护24小时后，即可拆除OPP带完成补强工程。
本发明的补强夹套通过搭接部的流苏状纤维复合材料与环氧树脂以架桥交联化学反应而形成呈一体化的复合材料构造，在补强柱体承受力破坏时，不会在搭接处出现结合强度差的搭接破坏，而且因搭接处的纤维数量较多或厚度较厚，包括较佳的补强效果。此外，本发明的补强夹套因接着的界面变较不明显，负荷时力量的传递将由纤维复合材料中模数较大的纤维来传递，而非由接着面的黏着剂的高分子胶来传递，使得负荷的破坏模式变成整个复合材料的破坏模式，因此包括最佳的接着强度。
本揭露的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本揭露所属技术领域中包括通常知识者应了解，在不背离后附申请专利范围所界定的本揭露精神和范围内，本揭露的教示及揭示可作种种的替换及修饰。例如，上文揭示的许多制程可以不同的方法实施或以其它制程予以取代，或者采用上述二种方式的组合。
此外，本案的权利范围并不局限于上文揭示的特定实施例的制程、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。本揭露所属技术领域中包括通常知识者应了解，基于本揭露教示及揭示制程、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤，无论现在已存在或日后开发者，其与本案实施例揭示者以实质相同的方式执行实质相同的功能，而达到实质相同的结果，亦可使用于本揭露。因此，以下的申请专利范围用以涵盖用以此类制程、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。
Claims (22)
1.一种混凝土柱的补强夹套，包括：
一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及
一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状。
2.如权利要求1所述的补强夹套，其包括第一搭接部及第二搭接部，分别设置于该本体的相对两侧边。
3.如权利要求1所述的补强夹套，其中该本体呈圆柱状。
4.如权利要求3所述的补强夹套，其中该搭接部的宽度在该本体的圆周长的10至30％之间。
5.如权利要求1所述的补强夹套，其中该本体呈矩形柱状。
6.如权利要求5所述的补强夹套，其中该搭接部的宽度在该本体的边长的10％至30％之间。
7.如权利要求1所述的补强夹套，其中该本体呈半圆柱状。
8.如权利要求1所述的补强夹套，其中该本体呈半矩形柱状。
9.如权利要求1所述的补强夹套，其中该补强夹套包括第一搭接部及第二搭接部，所述第一搭接部及第二搭接部分别设置于该本体的相邻两侧边。
10.如权利要求1所述的补强夹套，其中该树脂包括环氧树脂。
11.一种混凝土柱的补强方法，包括下列步骤：
使用至少一补强夹套包覆该混凝土柱，其中该补强夹套包括：
一本体，包括含浸树脂的纤维复合材料；以及
一搭接部，设置于该本体的侧边，该搭接部包括未含浸树脂的纤维复合材料且该纤维复合材料呈流苏状；以及
在该搭接部涂布树脂，使得该搭接部的纤维复合材料与该树脂产生架桥交联作用。
12.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强方法还包括在该混凝土柱的表面涂布树脂的步骤。
13.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该树脂包括环氧树脂，黏度介于50,000至150,000cps之间，玻璃转化温度介于50至100℃之间。
14.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强方法还包括使用一带子缠绕该补强夹套。
15.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强夹套包括第一搭接部及第二搭接部，所述第一搭接部及第二搭接部分别设置于该本体的相对两侧边。
16.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该本体呈圆柱状。
17.如权利要求16所述的混凝土柱的补强方法，其中该搭接部的宽度在该本体的圆周长的10至30％之间。
18.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该本体呈矩形柱状。
19.如权利要求18所述的混凝土柱的补强方法，其中该搭接部的宽度在该本体的边长的10％至30％之间。
20.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强方法使用两个补强夹套，且各补强夹套的本体呈半圆柱状。
21.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强方法使用两个补强夹套，且各补强夹套的本体呈半矩形柱状。
22.如权利要求11所述的混凝土柱的补强方法，其中该补强夹套包括一第一搭接部及一第二搭接部，所述第一搭接部及一第二搭接部分别设置于该本体的相邻两侧边。
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