碳纤维加固技术在建筑工程中的应用研究

摘要：建筑工程进行的各个阶段都会出现各种各样的影响因素，由此实际中往往需要采取相应的措施来对结构物进行修补、加固。实际施工证明，选用碳纤维材料来加固混凝土结构是比较切实可行的，它运用了比较先进的技术，是一种比较新兴的建筑结构加固措施。

关键词：碳纤维 加固技术 工程建筑

1 碳纤维加固结构构件技术原理

碳纤维材料加固混凝土构件技术，顾名思义就是运用纤维增强复合材料片材粘贴在混凝土结构的外面，与此同时还要将两者相互结合起来共同受力，这样使得材料之间得到更强的加固。碳纤维材料拥有的强度、弹性、抗腐蚀性等的优势使得它能够承受住比一般的钢筋大10倍的应力，而它的弹性模量比一般钢筋还高。碳纤维材料由于其抗拉强度是普通钢的10倍而弹性模量是普通钢的1-2倍，再加上能够长时间维持良好的施工性能，而成为加固修复材料的首先替代品。配套树脂通常是由底层树脂、找平树脂和粘结树脂三种组成。底层树脂和找平树脂有增强碳纤维的粘结质量的功能，而粘结树脂的主要功能就是让碳纤维和混凝土可以结合在一起，组成一个个体，一起完成工作，以增加构筑物的三抗能力（抗弯、抗剪、抗承载力），最终实现结构构件的稳固。因此碳纤维材料与配套树脂在混凝土加固技术中是两种最常用的材料。

2 碳纤维材料的基本特性

要实现碳纤维增强复合材料补强加固可以选取碳纤维片材，这样的材料主要是使用强度比较好、弹性比较高的连续碳纤维材料，这种碳纤维材料呈单向排列成束，再使用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板进行补强。

2.1 碳纤维片材。片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能各不一样，碳纤维片材依力学性能主要是由高模量、高强度和中等模量来组成的。高模量碳纤维片材的特点就是，虽然它的伸长率过低，但是弹性模量很好较高。

相比较而言，碳纤维片材的单位重不能和钢材相媲美，也就是说碳纤维片材很轻薄由于。碳纤维的化学结构稳定，所以说该纤维能够使用在任何酸碱盐及所有的化学介质环境下，不怕被腐蚀，而且它还能够抵抗住低温或者高温而不会出现热胀冷缩的情况。

2.2 配套树脂类粘结材料。加固混凝土结构修补技术中使用到的材料有：底层涂料、油灰、浸渍树脂或粘结树脂。这些材料的功能是各不相同的：底层涂料主要是用在混凝土表面，是促进粘结并最终长时间的维持界面稳定性的关键因素；油灰主要被用来填满表面的各个部位，将整个表面填充整个表面空隙，使得表面更加的平整，这样的表面才能更好发挥碳纤维片材的作用；浸渍树脂的作用是用来粘贴碳纤维布；粘结树脂的作用则是粘贴碳纤维板。

后两者主要是将碳纤维片粘贴在混凝土构件的各个部位，使得零散的部件结合成比较完整的一体，这是配套树脂类粘结材料形成整体共同工作的关键。

环氧树脂对于就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术来说，起着比较关键的作用，处于各种各样的环境之下，随着温度的变化其固化性能也受到影响，所以说，粘贴工作质量的好坏和最大限度的缩短常规交通中断时间的多少有着比较密切关联。选取专门的环氧树脂材料，如果混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。

3 采用碳纤维布加固具有的优点

碳纤维布应其耐腐蚀、柔软性、耐久性等优点，广泛应用于建筑物的加固。碳纤维布可以抵抗酸、碱、盐对结构的腐蚀，具有良好的耐腐蚀性。加上碳纤维材料本身的柔韧性使之可以适用于各种形状和类型的结构，且不用改变结构形状，即使被加固结构不平整碳纤维材料也可以完全覆盖粘贴（一般钢板的验收标准只要70％），保证有效的粘贴率，因此具有广泛的适用性，适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。除上述优点外碳纤维材料质轻且薄，用于加固修补基本不增加原构件的质量和大小。

4 碳纤维材料在结构加固方面的运用

4.1 碳纤维材料加固适用范围。适用于各种形状、任何部位的结构、砖砌体的加固修补。

4.2 碳纤维片材加固修复混凝土结构规范。采用碳纤维片材加固混凝土时，将构件与碳纤维片材无缝粘贴，这是碳纤维片材与混凝土融合整一个整体，共同承受应力。

4.3 碳纤维片材可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固。当采用碳纤维片材对梁、板构件的受拉区进行受弯加固时，纤维方向应与加固处的受拉方向一致；当对梁、柱构件进行受剪加固时，可采用封闭式U形粘贴或侧面粘贴，这时纤维方向宜与构件轴向垂直；对建筑物柱体的的抗震加固可采用全封闭式粘贴，此时纤维方向宜与柱轴向垂直；当有充足证据时，碳纤维片材也可根据受力状况对混凝土结构进行加固；当碳纤维片材对混凝土结构进行粘贴加固时，应根据国家标准，运用以概率论为理论基础的极限状态设计法，分别计算出混凝土结构的极限承载能力和正常承载能力。同时一方面钢筋混凝土结构应根据国家标准，确定其相应材料的设计指标，然后再通过检测其实际强度能否达到相关要求；一方面碳纤维片材应根据弹性应力应变关系曲线在构件达到极限状态时确定其承受的相应应力；一般来说碳纤维片材的极限抗拉强度不应低于生产厂商95%的保证率作为抗拉强度的标志值。

用碳纤维片材对构件进行加固时，应充分考虑加固后材料对构件及其性能可能产生的影响；如在用碳纤维材料加固前，应尽量卸掉活荷载，以减少对其他构件的影响。若不能完全卸载，应充分考虑活荷载承受的应力；另外对构件进行受弯、受剪加固时，被加固构件的混凝土强度不应低于Cl5。而采用全封闭式粘贴加固混凝土柱时，其混凝土强度等级不应低于C10。

5 碳纤维材料的加固施工工艺流程

施工工艺流程：卸荷基底处理涂底胶找平粘贴保护。

5.1 卸荷。所谓卸荷就是卸掉与加固无管的构件，以保证其他构件尽可能不受影响。

5.2 基底处理。①混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对较大面积的劣质层在凿除后还应用环氧砂浆进行修复。②对裂缝部位进行全封闭处理。③用混凝土角磨机、砂纸除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基本面要平整对表面凸起的部位要磨平，转角处要进行倒角处理打磨成圆弧状（R≥20mm）。④混凝土表面应干净干燥，对不满足要求的部位可用吹风机吹扫。

5.3 涂底胶（FP胶）。①将主剂与固化剂先后置于容器中，按主剂∶固化剂=2∶1的比例，用弹簧秤精确计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。②用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。

5.4 找平。①找平实际就是减小高度差，对混凝土表面凹陷部位和模板接头等部位用FE胶填平。②转角处用FE胶修补成光滑的圆弧，（R≥20mm）。

5.5 ①按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布。②调配、搅拌FR胶，然后均匀涂抹于待粘贴的部位。③粘贴碳纤维布，不应留有气泡，可以用特制滚子反复沿纤维方向滚压，并使FR胶充分浸透碳纤维布待碳纤维布表面指触干燥，方可进行下一层粘贴。④在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹FR胶。⑤碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm，碳纤维端部采用横向碳纤维或粘钢（压条）固定。

5.6 保护。加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

6 结语

随着碳纤维加工技术的普及，碳纤维在工程的应用前景广阔。目前我国各种应用占碳纤维率需求不断上升，在不远的未来必将迎来碳纤维材料广泛应用的时代。而碳纤维在工程中的应用也将进一步替代钢铁，造福人类。

参考文献：

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