浅谈碳纤维加固技术在砼结构加固中的应用

【摘要】：碳纤维结构加固是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，而达到对建筑物进行加固、补强的目的。

【关键词】： 碳纤维 加固原理 施工方法 优缺点

1.前言

钢筋混凝土结构在长期的自然环境和使用环境的共同作用下，加之在设计、施工、监理等过程中存在的不确定因素，使结构功能要求（即安全性、适用性、耐久性）在使用过程中不能满足或者逐渐减弱。结构工程的任务不单要作好结构物前期的设计工作，还要能科学评估结构损伤的客观规律和程度，从而采取有效的措施保证结构的长期使用性和在使用过程中的安全性，所以我们要在结构加固方面加强研究和重视。现介绍一种近年来新兴的加固混凝土结构方法――碳纤维结构加固。

碳纤维结构加固是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。

1.1 碳纤维结构加固的优点

1、强度高，碳纤维片材的抗拉强度一般都在3500MPa以上，远高于钢材；抗拉弹性模量为230000～430000MPa，亦高于钢材。

2、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；

3、自重轻（约200g/m2），基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广；

4、施工简便，易于操作，经济性好；

5、属惰性材料，不锈蚀，也不易受到有害介质的腐蚀，不用养护，可以在相对湿度70%以上的环境中使用。

2.工程概述

某工程由于业主方对地上裙房功能使用的更改，要求设计变更，致使地下室部分结构构件承载力不足，建议采取结构加固补强措施。

3. 材料

碳纤维加固钢筋混凝土技术所涉及的材料主要有两种：一是碳纤维布或片材；二是配套树脂类粘结材料。

3.1 碳纤维增强材料（CFRP）

CFRP（Carbon Fibire Reinforcement Polymer），意为碳纤维增强材料。碳纤维丝的产生，是通过氧化有机聚合物，只留下碳素材料，其碳原子沿原有纤维长度排列整齐而形成碳素纤维。每根碳纤维丝由3000～12000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于人的1根头发丝。

碳纤维成品可以制成不同的型材如纤维布、纤维板、棒材、短纤维等，根据不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中应用量最大和最普通的还是碳纤维布（片材） 我国《CECSI46―2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》规定的碳纤维布的主要力学性能指标要求。

3.2 配套树脂类粘结材料

粘结材料是施工成功的重要保证。为了使被加固构件与碳纤维布共同受力，要求粘结剂对被粘贴界面和碳纤布有较高的粘结力和强度，抗拉、抗压特别是粘贴抗剪强度应高于混凝土相应的强度，而且粘结材料对界面和碳纤维布都要有良好的渗透性和相容性，还能够抗冲击、耐疲劳抗老化等。

采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固修复时，通常选用配套底层树脂、找平材料、浸渍树脂和粘结树脂，而浸渍树脂和粘结树脂性能指标则应达到规范要求。

3.3表面防护材料

对已加固的结构表面应进行防护处理，防护材料应与浸渍树脂或粘结树脂可靠粘结；另外，防护材料的选择应根据建筑的具体情况来确定， 满足防火及其他要求。

3.4 本工程采用材料

综合考虑本工程地下室碳纤维加固材料选取如下：

4. 碳纤维的补强、加固原理

碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度约为普通钢材的l0倍；但是碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，达到补强、加固的目的。值得注意的是，使用碳纤维进行加固时，具体粘贴层数要通过计算确定，考虑到各层的共同工作系数，抗疲劳的能力和避免脆性破坏，一般不宜超过5层。另外，从受力性能角度而言，单层优于多层，窄幅优于宽幅；必要时纵向可以搭接，搭接长度不能少于100mm，而且要保证碳纤维端部有可靠的锚固，除计算要求外，还应有必要的构造措施。

5. 碳纤维加固的施工

碳纤维结构加固的施工应按下面顺序进行：

5.1 施工准备

认真阅读施工图，根据施工现场实际情况编制施工方案和施工计划，并做好材料，和工作的准备工作。

5.2 表面处理

加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。混凝土表面应清理干净并保持干燥。

5.3 涂刷底胶

应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。宜在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。

5.4 找平处理

应对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。

5.5 粘贴碳纤维片材

首先按设计要求的尺寸进行裁剪；然后按产品生产厂提供的工艺规定配制浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位；再将碳纤维布用手轻压帖于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布；最后在最面层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

多层粘贴时应重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴；

5.6 表层防护

当需要做表面防护时，应按有关标准的规定处理，并保证防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘结。

6. 施工安全和注意事项

1 碳纤维片材为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。

2 施工过程中应避免碳纤维片材弯折。

3 碳纤维片材配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。

4 树脂的配制和使用场所应保持通风良好。

5 现场施工人员应采取响应的劳动保护措施。

7.良好的经济效益

本工程地下室碳纤维加固造价27万元人民币，相较采用粘钢加固可节约成本116.4万元人民币，而且随着生产技术的发展，纤维的来源由原来的单纯依靠进口，到国内研究生产，各种不同种类的纤维产品的强度会更高，价钱会更低。而钢板的强度提高有限，单价比较稳定，因此，碳纤维加固方法随着时间的变化在性价比方面，会越来越具有优势。

8. 碳纤维加固的缺点

碳纤维材料弹性模量小，对于需要加固刚度的构件来说不太适用；耐火性与耐高温性能差，一般的环氧树脂在100摄氏度时力学性能会受到较大影响，只有特殊的环氧树脂可以在200摄氏度的高温下正常工作；延性不足，构件变形过大时会引起碳纤维的脆性断裂，导致结构的脆性破坏，对于需要较大变形或对抗震要求比较高的结构来说，这一点是十分不利的。

9. 结语

粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，因其诸多的优点，现在已得到较广泛的应用，并产生较大的经济效益，但是由于材料本身的特性，这种加固方法也存在缺点，所以对结构加固方法的选择，需要根据结构形式和实际情况，选择最优的方案。另外我国目前已经制定了相关的技术标准及规程《CECS146―2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，为这门技术的应用和健康发展奠定了基础，相信这一加固技术会有更加广阔的前景。