碳纖維復(fù)合材料在土建結(jié)構(gòu)加固中的技術(shù)應(yīng)用

摘 要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）作為一種新型結(jié)構(gòu)加固材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。通過對CFRP在混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)和橋梁加固工程中的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)CFRP能顯著提升結(jié)構(gòu)承載能力。實驗表明，CFRP與混凝土基材間的粘結(jié)強(qiáng)度在4.5 MPa以上時可確保加固效果；在鋼結(jié)構(gòu)加固中，CFRP片材的鋪設(shè)角度在45±5°范圍內(nèi)最佳；對于橋梁加固，采用U型包裹法能使構(gòu)件抗彎承載力提升40%以上。針對當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題，從材料性能優(yōu)化、施工工藝改進(jìn)和質(zhì)量控制等方面提出了相應(yīng)的技術(shù)建議。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)加固；粘結(jié)性能；施工工藝；質(zhì)量控制

1 前言

隨著城市化進(jìn)程加快，大量既有建筑物面臨結(jié)構(gòu)老化、承載能力不足等問題，亟需采用高效的加固技術(shù)進(jìn)行修復(fù)和加固。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其優(yōu)異的力學(xué)性能和施工便利性，已成為結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的重要材料。相比傳統(tǒng)的鋼板加固、混凝土包裹等方法，CFRP加固具有重量輕、耐腐蝕、施工簡便等顯著優(yōu)勢。深入研究CFRP在土建結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用技術(shù)，對于提升加固工程質(zhì)量、延長建筑使用壽命具有重要意義。

2 CFRP材料性能及加固機(jī)理

CFRP是以碳纖維為增強(qiáng)體、樹脂為基體的高性能復(fù)合材料。CFRP具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)勢，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)普通鋼材的9～10倍，彈性模量為15 GPa～40 GPa，極限應(yīng)變?yōu)?.015～0.017，這些優(yōu)異的力學(xué)性能使其成為理想的加固材料。在加固機(jī)理方面，CFRP通過環(huán)氧樹脂膠與基體結(jié)構(gòu)形成可靠的粘結(jié)界面，利用材料間的協(xié)同變形實現(xiàn)應(yīng)力傳遞[1]。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時，基體通過剪應(yīng)力將荷載傳遞給CFRP，CFRP憑借高強(qiáng)度和高模量特性承擔(dān)拉應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)整體承載能力。CFRP加固效果很大程度取決于界面粘結(jié)性能，實驗表明粘結(jié)強(qiáng)度需達(dá)到4.5 MPa及以上才能確保加固可靠性。

3 CFRP在混凝土構(gòu)件加固中的應(yīng)用

3.1加固設(shè)計原則

加固設(shè)計原則應(yīng)充分考慮混凝土構(gòu)件的受力特性和損傷狀況。碳纖維布的鋪設(shè)方向需與主應(yīng)力方向一致，確保最大程度發(fā)揮材料性能。對于受彎構(gòu)件，CFRP應(yīng)沿構(gòu)件縱向布置于受拉區(qū)，其設(shè)計厚度由承載力提升要求確定，一般不超過3 mm；對于受剪構(gòu)件，CFRP應(yīng)以45°傾角或U型封閉方式布置。加固設(shè)計還需驗算界面剝離強(qiáng)度，當(dāng)剝離應(yīng)力超過2.5 MPa時，應(yīng)增設(shè)錨固措施。實驗研究表明，增設(shè)機(jī)械錨固件可使界面抗剪承載力提升35%。根據(jù)規(guī)范要求，CFRP材料的有效應(yīng)變?nèi)≈祽?yīng)控制在0.85倍極限應(yīng)變以內(nèi)，以避免過早破壞。

3.2施工工藝要點(diǎn)

施工工藝要重點(diǎn)把控基體處理、膠粘劑配比和CFRP鋪貼三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；w表面應(yīng)采用噴砂或打磨方式處理至露出骨料，表面平整度偏差應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)，并確保含水率低于4%。環(huán)氧樹脂膠的配比嚴(yán)格遵循3：1原則，攪拌時間不少于3 min，攪拌溫度控制在20℃～30℃。如圖1所示，CFRP片材鋪貼時應(yīng)采用由中向兩端推進(jìn)的方式，使用橡膠滾輪壓實，避免產(chǎn)生氣泡，搭接長度不小于100 mm。多層鋪貼時，相鄰層的搭接位置應(yīng)錯開50 mm以上，鋪層間隔時間控制在2～4小時。轉(zhuǎn)角處應(yīng)做圓弧處理，半徑不小于25 mm。施工環(huán)境溫度應(yīng)保持在5℃～35℃，相對濕度不超過85%。

3.3質(zhì)量控制措施

質(zhì)量控制措施貫穿施工全過程?；w處理后應(yīng)進(jìn)行附著力檢測，抗拉強(qiáng)度不低于1.5 MPa；環(huán)氧樹脂膠調(diào)配后需做粘度測試，25℃時流動度應(yīng)在15 s～25 s之間。CFRP鋪貼完成后采用紅外成像檢測排查氣泡和脫膠，有效粘結(jié)面積應(yīng)在90%以上。對于出現(xiàn)局部起鼓的區(qū)域，若面積小于100 cm2，可采用環(huán)氧灌漿修復(fù)；大于該面積需鏟除重貼。加固3天后進(jìn)行拉拔試驗，其粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)不低于2.0 MPa，且破壞應(yīng)發(fā)生在混凝土基體內(nèi)。質(zhì)量驗收時重點(diǎn)檢查CFRP布置是否符合設(shè)計要求，纖維方向偏差不應(yīng)超過5°，層間和搭接處不得出現(xiàn)樹脂富集。

4 CFRP在鋼結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

4.1損傷類型分析

鋼結(jié)構(gòu)損傷主要涉及疲勞裂紋、腐蝕減薄和受力變形三種類型。疲勞裂紋多發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，通過超聲波檢測顯示，裂紋長度在25 mm～150 mm范圍內(nèi)時最適合CFRP加固[2]。腐蝕減薄主要出現(xiàn)在化工廠房、海港設(shè)施等類似項目的環(huán)境中，當(dāng)截面減薄率在15%～30%之間時需采取加固措施。受力變形則體現(xiàn)為構(gòu)件撓度過大、局部屈曲等，實測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)梁構(gòu)件撓度超過跨度的1/250或柱構(gòu)件彎矩承載力下降超過20%時，應(yīng)優(yōu)先考慮CFRP加固。現(xiàn)場檢測采用磁粉探傷結(jié)合超聲波測厚，確保損傷程度評估準(zhǔn)確性達(dá)到95%及以上，為加固方案設(shè)計提供可靠依據(jù)。

4.2加固方案設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)CFRP加固設(shè)計基于承載力提升需求和界面應(yīng)力傳遞機(jī)制。對于疲勞裂紋，采用雙向CFRP片材覆蓋裂紋兩側(cè)，鋪設(shè)寬度應(yīng)不小于裂紋長度的2.5倍。腐蝕構(gòu)件加固遵循等效截面原則，所需CFRP層數(shù)N通過下式計算：

N=

式中：As為原始截面面積；A's為剩余有效截面面積；fy為鋼材屈服強(qiáng)度；bf為CFRP片材寬度；tf為單層CFRP厚度；ff為CFRP設(shè)計強(qiáng)度。界面剪應(yīng)力τ應(yīng)滿足：

τ=≤[τ]

式中：V為剪力；Q為粘結(jié)面上靜矩；I為組合截面慣性矩；b為粘結(jié)寬度；[τ]為容許剪應(yīng)力。

4.3施工技術(shù)要求

鋼結(jié)構(gòu)CFRP加固施工要嚴(yán)格控制表面處理和環(huán)境條件。鋼材表面采用噴砂處理達(dá)到Sa2.5級，表面粗糙度控制在50 μm～100 μm，處理后4小時內(nèi)必須完成底漆涂刷。環(huán)氧樹脂膠調(diào)配溫度嚴(yán)格控制在23±2℃，濕度不超過75%。CFRP片材鋪貼采用分段預(yù)拉工藝，預(yù)拉應(yīng)力取設(shè)計強(qiáng)度的15%，以提高粘結(jié)可靠性。轉(zhuǎn)角處應(yīng)做圓弧處理，半徑不小于35 mm。多層鋪貼間隔時間為4～6小時，固化期間確保環(huán)境溫度穩(wěn)定在20℃～30℃。質(zhì)量檢驗采用紅外熱像儀和敲擊法，有效粘結(jié)面積應(yīng)達(dá)到95%及以上，28天后進(jìn)行拉拔試驗，粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)小于3.5 MPa。

5 CFRP在橋梁結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

5.1加固必要性分析

橋梁結(jié)構(gòu)在長期服役過程中會出現(xiàn)承載能力下降、裂縫發(fā)展和變形過大等病害。通過對145座服役15年以上橋梁的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表1），發(fā)現(xiàn)主梁承載力普遍下降25%～35%，部分橋梁出現(xiàn)Ⅲ類裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.35 mm。靜載試驗表明，47%的橋梁撓度值超過規(guī)范限值L/600，最大超限達(dá)到32%?；炷撂蓟疃绕骄鶠?8 mm，部分碼頭橋梁由于氯離子侵蝕，鋼筋銹蝕率達(dá)15%。荷載等級提升和自然老化使橋梁結(jié)構(gòu)性能持續(xù)退化，必須采取加固措施確保結(jié)構(gòu)安全[3]。

5.2加固方式選擇

針對不同類型的橋梁病害，CFRP加固采取差異化設(shè)計策略。主梁底部受拉區(qū)采用縱向鋪貼提升正彎矩承載力，實測數(shù)據(jù)顯示可提升35%～45%。對于裂縫貫通的區(qū)域，采用U形纏繞方式，裂縫發(fā)展速率降低85%以上。橋墩表面破損區(qū)域選用環(huán)向CFRP包裹，顯著提升約束效果。剪力破壞區(qū)域采用斜向45°鋪貼，提升抗剪承載力可達(dá)50%。對于早期損傷橋梁，宜采用預(yù)應(yīng)力CFRP體系，預(yù)加應(yīng)力水平控制在材料強(qiáng)度的35%。檢測結(jié)果顯示，U形纏繞加固方式對裂縫控制效果最佳，而預(yù)應(yīng)力體系對提升整體承載能力最為有效。

5.3施工質(zhì)量控制

CFRP橋梁加固施工質(zhì)量控制體系包括材料性能、環(huán)境條件和施工工藝三個維度。材料進(jìn)場檢驗時嚴(yán)格執(zhí)行見證取樣，通過拉伸試驗確保實測強(qiáng)度不低于設(shè)計值的95%。環(huán)境溫度控制在10℃～35℃，相對濕度不超過80%?；w表面處理采用水砂噴射工藝，粗糙度在1.5 mm～2.0 mm之間。施工鋪設(shè)時要求纖維方向偏差控制在5°以內(nèi)，搭接長度不少于120 mm，固化度不低于95%。完工后采用紅外成像技術(shù)檢測粘結(jié)質(zhì)量，要求有效粘結(jié)面積達(dá)到90%及以上；72小時后進(jìn)行拉拔試驗，粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)小于2.5 MPa，且破壞應(yīng)發(fā)生在混凝土層[4]。

6工程應(yīng)用中存在的問題與對策

6.1材料性能優(yōu)化

CFRP材料在實際應(yīng)用中存在耐高溫性能不足、界面粘結(jié)性能不穩(wěn)定等問題。針對耐高溫性能，采用改性環(huán)氧樹脂基體、添加納米氧化鋁等措施，使材料耐溫性從60℃提升至120℃。界面粘結(jié)性能通過開發(fā)新型表面處理劑和改進(jìn)纖維束浸潤工藝得到優(yōu)化，實測粘結(jié)強(qiáng)度提升35%。研制出高模量碳纖維（E＞350 GPa）并實現(xiàn)工程化應(yīng)用，有效解決了大跨度結(jié)構(gòu)變形控制難題。開發(fā)雙向預(yù)應(yīng)力碳纖維板，橫向預(yù)應(yīng)力水平為設(shè)計值的20%，顯著改善了界面應(yīng)力分布[5]。

6.2施工工藝改進(jìn)

施工工藝優(yōu)化主要集中在基體處理、鋪貼工序和養(yǎng)護(hù)措施三個方面?；w處理引入等離子清洗技術(shù)，處理效率提高2倍，表面活性提升40%。研發(fā)可視化張拉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力精確施加，誤差控制在±2%以內(nèi)。采用智能溫控自動化固化系統(tǒng)，通過閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)固化溫度，使固化度均勻性提升至95%及以上。開發(fā)真空輔助鋪貼工藝，氣泡率降低至0.5%及以下。改進(jìn)多層鋪貼工藝，采用交錯布置方式，層間應(yīng)力集中降低45%。創(chuàng)新養(yǎng)護(hù)方案，研制智能溫濕度控制艙，確保固化環(huán)境穩(wěn)定，固化時間縮短30%，固化質(zhì)量顯著提升。

6.3質(zhì)量檢測方法

傳統(tǒng)質(zhì)量檢測方法存在效率低、可靠性不足等問題。研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的紅外熱像檢測系統(tǒng)，缺陷識別準(zhǔn)確率達(dá)到98%，檢測效率提升3倍。開發(fā)便攜式電磁超聲檢測儀，可實現(xiàn)粘結(jié)界面完整性的快速評估，檢測深度達(dá)到15 mm。引入光纖傳感監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)加固結(jié)構(gòu)全壽命周期的動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)變測量精度達(dá)到1 με。建立基于聲發(fā)射的早期損傷預(yù)警系統(tǒng)，可提前72小時預(yù)警界面剝離風(fēng)險。研制新型拉拔試驗裝置，采用徑向加載方式，使檢測結(jié)果更接近實際受力狀態(tài)。

7結(jié)論

通過對CFRP在土建結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究，證實了CFRP具有顯著的加固效果。實驗數(shù)據(jù)表明，合理選擇CFRP材料規(guī)格、優(yōu)化施工工藝、加強(qiáng)質(zhì)量控制是確保加固效果的關(guān)鍵。針對目前存在的粘結(jié)性能不穩(wěn)定、施工質(zhì)量難控制等問題，建議從改進(jìn)材料性能、優(yōu)化施工工藝、完善質(zhì)量檢測等方面著手解決。同時，應(yīng)加強(qiáng)CFRP在特殊環(huán)境下的耐久性研究，建立更為完善的設(shè)計理論和施工規(guī)范，為CFRP在土建結(jié)構(gòu)加固工程中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

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