淺談碳纖維在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

孫偉豐

摘要：在土木工程中，由于各種原因，經(jīng)常需要對已有建筑物進行維修、加固。實踐證明，應(yīng)用碳纖維材料對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固，是一種有較高技術(shù)含量的、全新的建筑結(jié)構(gòu)加固方法。本文通過分析碳纖維在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的技術(shù)特點及設(shè)計原則，針對粘貼碳纖維加固施工工藝進行探討，并對工程性能進行評價。

關(guān)鍵字：碳纖維材料；混凝土加固；施工質(zhì)量；性能評價

1 碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的技術(shù)特點

高強高效。由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在加固修補混凝土結(jié)構(gòu)中可以提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。

施工便捷，工效高，無濕作業(yè)，不需大型施工機具，施工占用場地少。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維材料是粘貼鋼板施工工效的4-8倍。

具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性。試驗表明，碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抗御建筑物經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。

適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛適用于各種結(jié)構(gòu)類型(如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道等)、各種結(jié)構(gòu)形狀(如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等)、各種結(jié)構(gòu)部位(如梁、板、柱、節(jié)點、拱、殼、墩等)的加固修補，且不改變結(jié)構(gòu)形狀，這是目前任何一種結(jié)構(gòu)加固方法所不可比擬的。尤其重要的是，對于一些大型橋梁橋墩、橋梁、橋板以及隧道、大型筒體及殼體結(jié)構(gòu)工程等，采用舊的加固手段幾乎無法實施，而采用該項加固技術(shù)都能順利解決。

施工質(zhì)量易保證。由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整也基本可以達到100％的有效粘貼率，而粘貼鋼板則很難達到100％的有效粘貼面，相應(yīng)的驗收標準也只要求其達到70％ 就可以了。

碳纖維材料質(zhì)量輕且薄，粘貼后每平方米重量不到1.0kg，粘貼一層的厚度僅1.0mm左右，加固修補后基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。

2 碳纖維加固技術(shù)的設(shè)計原則

碳纖維加固修補砼結(jié)構(gòu)作為一項新技術(shù)，既有其不可比擬的優(yōu)點，但也有其一定的適用范圍和適用條件，超出此范圍而盲目地采用此技術(shù)就會導(dǎo)致不安全、不經(jīng)濟、不合理的后果。首先，被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小截面尺寸必須滿足有關(guān)規(guī)范的要求；其次，被加固構(gòu)件的受壓區(qū)高度、配筋率、面積配箍率、體積配箍率等仍要滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求；第三，要求加固后不改變原有結(jié)構(gòu)的最終破壞形式；碳纖維布的應(yīng)用存在使用效率問題，同樣的碳纖維布用量，分條加固效果好于整條粘貼，構(gòu)件受彎承載力隨碳纖維布用量的增加而提高，當(dāng)碳纖維布使用層數(shù)較少時，提高幅度相對較大，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，提高幅度相應(yīng)減少；當(dāng)碳纖維布用量過多時，構(gòu)件破壞將由碳纖維布被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫疟粔核槠茐?，?gòu)件延性有所降低。

3 粘貼碳纖維加固施工工藝

3.1 工藝流程

被加固結(jié)構(gòu)物表面處理→斷面修復(fù)→底層表面的涂布→不平面修整→碳纖維貼片施工→固化→表面涂裝→施工質(zhì)量檢查

3.2 施工工序概述

混凝土表面如出現(xiàn)表面脫落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象部位應(yīng)予剔除，對較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后用水泥砂漿進行修復(fù)。將混凝土的表面用混凝土角磨機處理整平，除去表面松散物、塵埃、油脂等雜物，凸出部位要磨平，轉(zhuǎn)角部位要倒成≥20mm的圓角。用吹風(fēng)機或吸塵器將混凝土表面清理干凈并保持干燥。用脫脂棉沾丙酮擦拭混凝土表面，若有漏水現(xiàn)象要作止水、導(dǎo)水等處理，被加固結(jié)構(gòu)表面處理的好壞直接影響加固質(zhì)量。

配制底層用膠并涂敷，根據(jù)氣溫及施工粘貼結(jié)構(gòu)件的具體情況決定涂敷的厚薄(一般≤4mm)，特別是冬季，氣溫低于5℃不宜施工，雨天也不宜施工。

首先，把結(jié)構(gòu)膠(底膠)用滾筒刷涂抹于混凝土表面，在搭接、拐角部位可多涂一些，當(dāng)?shù)讓幽z固化(底膠表面指觸感干燥)后，用磨平機將凸起不平處磨平，為下一道工序作好準備，然后涂刷浸漬膠，粘貼碳纖維?，F(xiàn)場要注意通風(fēng)，作好勞動保護。

進行粘貼碳纖維(已做過品質(zhì)檢查)時，首先根據(jù)要求裁好所需尺寸，再配制浸漬膠液，一次配膠量要以可使用期內(nèi)施工所需量為限。最后進行粘貼，粘貼時盡量不使空氣進入粘接碳纖維布和膠粘劑之間，碳纖維布沿纖維方向的搭接長度≥100mm。貼好一層最好放置數(shù)小時，以達到脫泡、浸潤的效果。隨著結(jié)構(gòu)膠粘劑反應(yīng)使粘度增高固化(碳纖維表面指觸感干燥為宜)，再涂第二層時就可達到良好的效果，多層粘貼重復(fù)以上步驟，在最后一層碳纖維布表面均勻涂抹浸漬膠。冬季最好一天粘貼一層，在其固化時要防雨淋、防風(fēng)砂。固化好后根據(jù)要求進行表面涂裝，完成施工。

4 碳纖維加固工程性能評價

4.1 碳纖維材料性能評價

碳纖維的彈性模量與鋼材較為接近，極適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)，同時，碳纖維的抗拉強度為普通鋼材的10倍，在達到相同加固效果的情況下，碳纖維的用量比鋼材少得多。

碳纖維重量僅為200-300g/m2，約為3mm厚鋼板的1/100，幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重，不會引起結(jié)構(gòu)的連鎖補強。

根據(jù)有關(guān)資料，在弱酸環(huán)境中，經(jīng)過一萬次的凍融循環(huán)，干濕交替，一定光照時間，70℃熱水中浸泡30天等作用下，碳纖維的耐久性能、抗腐蝕性能、耐老化性能均無降低，疲勞強度仍保留80％。

4.2 碳纖維工程技術(shù)經(jīng)濟性能評價

與傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，碳纖維加固砼技術(shù)具有良好的經(jīng)濟性能，雖然表面上看，碳纖維材料價格相對要高一些，但實際用于加固工程時，其綜合造價卻較低。碳纖維加固工程不需要大型施工機具和輔助機械，節(jié)省了臺班費用；碳纖維屬于輕質(zhì)柔性材料，易于施工，降低了人工費用；碳纖維具有良好的耐腐蝕性能，不需要定期維護，節(jié)省了維護費用；當(dāng)碳纖維批量使用時，其材料價格也不斷下降。

4.3 碳纖維工程適用范圍評價

從受力性能角度，碳纖維具有很高的拉伸強度和疲勞性能，主要適用于砼構(gòu)件受拉區(qū)域的加固，尤其適用于橋梁等承受動力荷載的大中型結(jié)構(gòu)的抗震加固。從材料特征角度，碳纖維為柔性卷材，根據(jù)施工需要可加工成U型或圓形，可用于結(jié)構(gòu)梁、柱等的抗壓和抗剪加固，防治及修補墻體中的溫度裂縫，提高磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力。從實踐應(yīng)用角度，碳纖維加固砼技術(shù)由于避免了其它加固方法增大結(jié)構(gòu)尺寸、減少建筑使用空間、增加自重、施工周期長、耐腐蝕性能差等缺點，目前已廣泛應(yīng)用于橋梁、道路、地下結(jié)構(gòu)、高聳高層結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房等建筑結(jié)構(gòu)的加固。

4.4 碳纖維工程技術(shù)特點評價

加固結(jié)構(gòu)作為二次組合結(jié)構(gòu)，是通過新舊兩部分整體工作，提高建筑的承載能力，與傳統(tǒng)的加大截面法、外包鋼板法、纏繞鋼絲法、預(yù)應(yīng)力法相比，碳纖維加固砼技術(shù)無須對砼結(jié)構(gòu)打孔穿洞，不會造成結(jié)構(gòu)加固損傷，不用擔(dān)心由于結(jié)構(gòu)新舊結(jié)合處應(yīng)力集中而減弱加固效果。與較為先進的粘鋼板加固技術(shù)相比，碳纖維加固不需要輔助機具，施工簡便，有效粘貼面積易于保證，施工功效較高。與玻璃纖維、尼龍纖維加固技術(shù)相比，由于碳纖維的比模量、比強度較高，柔韌性、耐腐蝕、抗老化性較好，使得碳纖維加固構(gòu)件的延性改善程度較高，適用范圍較廣，利用年限較長。

結(jié)論

碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用越來越廣泛，在已有的加固方法中，碳纖維材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能，簡便的施工工藝與良好的效果得到普遍認同。

碳纖維補強加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)作為一種技術(shù)含量高的建筑物補強加固方法，具有很高研究，推廣價值和社會經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 CECS146：2003.

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》.

[3]趙彤，謝劍.碳纖維布補強加固混凝士結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M]．天津大學(xué)出版社，2001．