浅谈碳纤维在混凝土结构加固中的应用

    孙伟丰

    摘要：在土木工程中，由于各种原因，经常需要对已有建筑物进行维修、加固。实践证明，应用碳纤维材料对混凝土结构进行加固，是一种有较高技术含量的、全新的建筑结构加固方法。本文通过分析碳纤维在混凝土结构加固中的技术特点及设计原则，针对粘贴碳纤维加固施工工艺进行探讨，并对工程性能进行评价。

    关键字：碳纤维材料；混凝土加固；施工质量；性能评价

    1 碳纤维材料在混凝土结构加固中的技术特点

    高强高效。由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。

    施工便捷，工效高，无湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少。根据有关统计资料，同为粘贴加固工法，粘贴碳纤维材料是粘贴钢板施工工效的4-8倍。

    具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性。试验表明，碳纤维材料加固混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，可以抗御建筑物经常遇到的酸、碱、盐对结构物的腐蚀。

    适用面广。粘贴碳纤维材料加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道等)、各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、各种结构部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)的加固修补，且不改变结构形状，这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型桥梁桥墩、桥梁、桥板以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，采用旧的加固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术都能顺利解决。

    施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100％的有效粘贴率，而粘贴钢板则很难达到100％的有效粘贴面，相应的验收标准也只要求其达到70％ 就可以了。

    碳纤维材料质量轻且薄，粘贴后每平方米重量不到1.0kg，粘贴一层的厚度仅1.0mm左右，加固修补后基本不增加原结构自重及原构件尺寸。

    2 碳纤维加固技术的设计原则

    碳纤维加固修补砼结构作为一项新技术，既有其不可比拟的优点，但也有其一定的适用范围和适用条件，超出此范围而盲目地采用此技术就会导致不安全、不经济、不合理的后果。首先，被加固结构构件的最小截面尺寸必须满足有关规范的要求；其次，被加固构件的受压区高度、配筋率、面积配箍率、体积配箍率等仍要满足现有规范的要求；第三，要求加固后不改变原有结构的最终破坏形式；碳纤维布的应用存在使用效率问题，同样的碳纤维布用量，分条加固效果好于整条粘贴，构件受弯承载力随碳纤维布用量的增加而提高，当碳纤维布使用层数较少时，提高幅度相对较大，随着碳纤维布层数的增加，提高幅度相应减少；当碳纤维布用量过多时，构件破坏将由碳纤维布被拉断引起的破坏转变为砼被压碎破坏，构件延性有所降低。

    3 粘贴碳纤维加固施工工艺

    3.1 工艺流程

    被加固结构物表面处理→断面修复→底层表面的涂布→不平面修整→碳纤维贴片施工→固化→表面涂装→施工质量检查

    3.2 施工工序概述

    混凝土表面如出现表面脱落、蜂窝、腐蚀等劣化现象部位应予剔除，对较大面积的劣质层，在剔除后用水泥砂浆进行修复。将混凝土的表面用混凝土角磨机处理整平，除去表面松散物、尘埃、油脂等杂物，凸出部位要磨平，转角部位要倒成≥20mm的圆角。用吹风机或吸尘器将混凝土表面清理干净并保持干燥。用脱脂棉沾丙酮擦拭混凝土表面，若有漏水现象要作止水、导水等处理，被加固结构表面处理的好坏直接影响加固质量。

    配制底层用胶并涂敷，根据气温及施工粘贴结构件的具体情况决定涂敷的厚薄(一般≤4mm)，特别是冬季，气温低于5℃不宜施工，雨天也不宜施工。

    首先，把结构胶(底胶)用滚筒刷涂抹于混凝土表面，在搭接、拐角部位可多涂一些，当底层胶固化(底胶表面指触感干燥)后，用磨平机将凸起不平处磨平，为下一道工序作好准备，然后涂刷浸渍胶，粘贴碳纤维。现场要注意通风，作好劳动保护。

    进行粘贴碳纤维(已做过品质检查)时，首先根据要求裁好所需尺寸，再配制浸渍胶液，一次配胶量要以可使用期内施工所需量为限。最后进行粘贴，粘贴时尽量不使空气进入粘接碳纤维布和胶粘剂之间，碳纤维布沿纤维方向的搭接长度≥100mm。贴好一层最好放置数小时，以达到脱泡、浸润的效果。随着结构胶粘剂反应使粘度增高固化(碳纤维表面指触感干燥为宜)，再涂第二层时就可达到良好的效果，多层粘贴重复以上步骤，在最后一层碳纤维布表面均匀涂抹浸渍胶。冬季最好一天粘贴一层，在其固化时要防雨淋、防风砂。固化好后根据要求进行表面涂装，完成施工。

    4 碳纤维加固工程性能评价

    4.1 碳纤维材料性能评价

    碳纤维的弹性模量与钢材较为接近，极适合于钢筋砼结构的加固修复，同时，碳纤维的抗拉强度为普通钢材的10倍，在达到相同加固效果的情况下，碳纤维的用量比钢材少得多。

    碳纤维重量仅为200-300g/m2，约为3mm厚钢板的1/100，几乎不增加结构自重，不会引起结构的连锁补强。

    根据有关资料，在弱酸环境中，经过一万次的冻融循环，干湿交替，一定光照时间，70℃热水中浸泡30天等作用下，碳纤维的耐久性能、抗腐蚀性能、耐老化性能均无降低，疲劳强度仍保留80％。

    4.2 碳纤维工程技术经济性能评价

    与传统的加固技术相比，碳纤维加固砼技术具有良好的经济性能，虽然表面上看，碳纤维材料价格相对要高一些，但实际用于加固工程时，其综合造价却较低。碳纤维加固工程不需要大型施工机具和辅助机械，节省了台班费用；碳纤维属于轻质柔性材料，易于施工，降低了人工费用；碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不需要定期维护，节省了维护费用；当碳纤维批量使用时，其材料价格也不断下降。

    4.3 碳纤维工程适用范围评价

    从受力性能角度，碳纤维具有很高的拉伸强度和疲劳性能，主要适用于砼构件受拉区域的加固，尤其适用于桥梁等承受动力荷载的大中型结构的抗震加固。从材料特征角度，碳纤维为柔性卷材，根据施工需要可加工成U型或圆形，可用于结构梁、柱等的抗压和抗剪加固，防治及修补墙体中的温度裂缝，提高砖砌体结构的抗震能力。从实践应用角度，碳纤维加固砼技术由于避免了其它加固方法增大结构尺寸、减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性能差等缺点，目前已广泛应用于桥梁、道路、地下结构、高耸高层结构、工业厂房等建筑结构的加固。

    4.4 碳纤维工程技术特点评价

    加固结构作为二次组合结构，是通过新旧两部分整体工作，提高建筑的承载能力，与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝法、预应力法相比，碳纤维加固砼技术无须对砼结构打孔穿洞，不会造成结构加固损伤，不用担心由于结构新旧结合处应力集中而减弱加固效果。与较为先进的粘钢板加固技术相比，碳纤维加固不需要辅助机具，施工简便，有效粘贴面积易于保证，施工功效较高。与玻璃纤维、尼龙纤维加固技术相比，由于碳纤维的比模量、比强度较高，柔韧性、耐腐蚀、抗老化性较好，使得碳纤维加固构件的延性改善程度较高，适用范围较广，利用年限较长。

    结论

    碳纤维材料在结构加固工程中的应用越来越广泛，在已有的加固方法中，碳纤维材料以其优异的力学性能，简便的施工工艺与良好的效果得到普遍认同。

    碳纤维补强加固混凝土结构技术作为一种技术含量高的建筑物补强加固方法，具有很高研究，推广价值和社会经济效益。

    参考文献

    [1]《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146：2003.

    [2]《混凝土结构加固技术规范》.

    [3]赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝士结构新技术[M]．天津大学出版社，2001．