碳纖維加固技術(shù)在某水運(yùn)工程業(yè)務(wù)大樓加固工程的應(yīng)用

阮繼紅　阮錦歆

摘要：在公用和民用及水運(yùn)工程建設(shè)中，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期疲勞使用，加之使用載荷提高、環(huán)境化學(xué)因素引起的性能劣化等原因影響，一些鋼筋混凝土構(gòu)件需要加固的情況日漸增多，現(xiàn)已成為建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和安全保障的重要環(huán)節(jié)。在各種加固方法中，用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件的方法，現(xiàn)已在我國(guó)得到迅速的發(fā)展和普及。由于碳纖維布加固具有很好的比強(qiáng)度、比剛度、耐腐蝕、耐久性強(qiáng)、非磁性、重量輕、耐磨損、抗老化、施工方便和施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各類工程和民用建筑及橋梁、碼頭和混泥土堤壩中，取得很多實(shí)際應(yīng)用成果。

關(guān)鍵詞：碳纖維；結(jié)構(gòu)加固；水運(yùn)工程；強(qiáng)度；耐腐蝕

中圖分類號(hào)：U698 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）05-0068-02

1.引言

碳纖維是一種由有機(jī)母體纖維，采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤(rùn)滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。拉力高達(dá)300KG/MM2；目前幾乎沒(méi)有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。碳纖維材料在建筑物和構(gòu)筑物加固中得到廣泛的應(yīng)用。

以碳纖維材料為主要原料的碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)。始于20世紀(jì)80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起步較晚，但是發(fā)展較快，建筑領(lǐng)域從80年代后半期開(kāi)始把它作為鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼材的替代材料加以研究，并作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的張拉材料等結(jié)構(gòu)物的加固材料等加以利用，已經(jīng)產(chǎn)生較大的實(shí)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2.碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍

碳纖維材料適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、橋墩、橋梁、堤壩等結(jié)構(gòu)及構(gòu)筑物。具體說(shuō)來(lái)可以利用碳纖維加固碼頭、橋敦結(jié)構(gòu)、對(duì)既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開(kāi)裂加固、剪力墻開(kāi)洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水壩加固等等。

3.碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固施工過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)

碳纖維比重小，施工便捷，加固以后不影響外觀和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸的狀況下，發(fā)揮強(qiáng)大的補(bǔ)強(qiáng)加固效果。補(bǔ)強(qiáng)功能全面，耐久ll生能好，還有優(yōu)良的抗紫外線及抗環(huán)境老化性能。

4.碳纖維材料與其他加固材料對(duì)比

抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcfk≥3000MPa，碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為普通二級(jí)鋼的10倍左右。

彈性模量：彈性模量Ecf≥2.1×105MPa，伸長(zhǎng)率≥1.5%。碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。

疲勞強(qiáng)度：碳纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強(qiáng)度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。

重量：約為鋼材的五分之一，厚度僅為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件。

5.碳纖維加固技術(shù)在某水運(yùn)工程業(yè)務(wù)大樓加固工程實(shí)際應(yīng)用

某水運(yùn)工程業(yè)務(wù)大樓大樓主體17層，塔樓4層，地下1層。建筑面積15429m2，一、二層層高為4.8米，其它樓層層高均為3.6米，17層屋頂女兒墻高度為66米，塔樓屋頂女兒墻高度為80.8米。建筑結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁一箱聯(lián)合基礎(chǔ)，梁、柱、剪力墻均為現(xiàn)澆，樓（屋）面為預(yù)應(yīng)力圓孔板，樓梯為預(yù)制樓梯。該建筑始建于80年代初，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范需要，所以本次改造時(shí)設(shè)計(jì)院對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固處理。其方法有結(jié)構(gòu)梁柱包鋼、粘鋼和粘貼碳纖維以及局部立柱增大截面積等加固措施。

5.1碳纖維布粘貼樓板

該建筑物樓板是預(yù)應(yīng)力空心板，由于該樓曾經(jīng)反復(fù)裝修，樓板出現(xiàn)鉆孔較多，為了提高樓板承載力，對(duì)部分樓板底面進(jìn)行粘貼碳纖維布加固處理。

5.1.1卸載

進(jìn)行加固前，卸去樓板上的全部荷載。

5.1.2基層處理

（1）將所需要加固的樓板底面面層除去并打磨到露出粗骨料出現(xiàn)為止，然后除去凈粉塵，并使其干燥。

（2）對(duì)底板凹坑部位需要使用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行補(bǔ)平，使凹坑面形成平順段，以利于粘貼。

5.1.3涂刷底膠

按底膠比例將主劑和固化劑先后放入干凈容器內(nèi)，攪拌均勻，時(shí)間以10～15min為宜。

5.1.4粘貼碳纖維布

（1）采用300g/m3碳纖維布，下料按施工設(shè)計(jì)約定的寬度確定，搭接其順向搭接長(zhǎng)度應(yīng)補(bǔ)少于15cm。并應(yīng)采取橫向碳纖維粘貼固定，其固定寬度不少于10cm。

（2）用丙酮涂刷做界面劑，施工面用滾筒涂刷膠體。

（3）將碳纖維片材貼在膠體上，用滾筒來(lái)回碾壓以充分粘貼和除去氣泡。

（4）在第一層粘貼層已經(jīng)固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面劑粘貼第二層。

5.1.5表面防護(hù)

在最后一層碳纖維表面均勻涂刷一層防護(hù)面膠并粘砂保護(hù)。

5.2碳纖維布加固框架柱

該建筑物立柱軸壓比的不同等技術(shù)參數(shù)分別采用不同加固方法，除了包鋼外，對(duì)于部分軸壓比過(guò)大，抗剪承載力較小的柱子，采用粘貼碳纖維來(lái)提高柱子的延性。加固形式是環(huán)向箍帶粘貼碳纖維來(lái)補(bǔ)強(qiáng)柱子的抗延展性，具體步驟如下：

5.2.1基層處理

（1）將框架柱表面裝飾層除去并打磨到露出粗骨料出現(xiàn)為止，然后除去凈粉塵，并使其干燥。

（2）將柱角磨成2.5cm以上圓角，避免因補(bǔ)強(qiáng)后造成應(yīng)力集中降低補(bǔ)強(qiáng)效果；并對(duì)凹坑部位需要使用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行補(bǔ)平，使凹坑面形成平順段，以利于粘貼。

5.2.2涂刷底膠

按底膠比例將主劑和固化劑先后放入干凈容器內(nèi)，攪拌均勻，時(shí)間以10～15min為宜。

5.2.3粘貼碳纖維片材

（1）涂刷丙酮界面劑，再外貼300g/m2碳纖維片材，寬度和間距按設(shè)計(jì)規(guī)定，圍著立柱橫向粘貼。

（2）施工面用滾筒涂刷膠體。

（3）將碳纖維片材貼在膠體上，用滾筒來(lái)回碾壓以充分粘貼和除去氣泡。

（4）在第一層粘貼層已經(jīng)固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面劑粘貼第二層。

5.2.4表面防護(hù)

在最后一層碳纖維表面均勻涂刷一層防護(hù)面膠并粘砂保護(hù)。

6.結(jié)論

碳纖維在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還是一個(gè)全新的技術(shù)。過(guò)去因碳纖維的價(jià)格高、產(chǎn)量少，因此有所局限，但近年來(lái)隨產(chǎn)量的增加而使成本下降，碳纖維的應(yīng)用也越來(lái)越多。與傳統(tǒng)方式相比，在土木建筑領(lǐng)域中應(yīng)用碳纖維，雖然纖維強(qiáng)化材料的價(jià)格較高，但綜合考慮材料成本、施工成本、使用成本，就比較相近了；從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。

碳纖維加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，相比其他傳統(tǒng)的加固技術(shù)具有作業(yè)方便、加固質(zhì)量高等特點(diǎn)。該業(yè)務(wù)大樓成功的加固經(jīng)驗(yàn)再次證明了該技術(shù)的實(shí)用性和便捷，同時(shí)也給水運(yùn)行業(yè)的服務(wù)和發(fā)展間接帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。