碳纤维复合材料在混凝土结构加固中的技术探讨

摘要：本文介绍了某公司厂房混凝土框架结构碳纤维复合材料加固的实例，从方案的选择、计算方法、加固的施工工艺和施工后的效果等几方面作了分析论证。通过论证说明该加固项目所采用的碳纤维复合材料加固处理方案具有施工周期短、施工简便、自重轻、加固效果好等优点，所采用的加固处理方案是成功的，对今后该地区类似此工程的加固处理问题具有实际的借鉴和参考价值。

关键字：碳纤维复合材料;裂缝;腐蚀;抗弯加固;抗剪加固;抗震加固;粘贴

中图分类号：TU375 文献标识码:B

一、工程概况。某公司过滤车间厂房，始建于1981年，为3层钢筋混凝土框架结构。由于使用年限过长,混凝土构件出现表面开裂现象，曾用环氧砂浆修补过。但近年来逐渐发现其梁、柱均发生了不同程度的损伤，梁、柱上裂缝明显，许多裂缝宽度较大。此外，还发现梁、柱上多处钢筋暴露且锈蚀严重。

二、检测与计算结果分析

1、检测结果。通过检测和检查发现，混凝土框架梁、柱现有强度为C25；混凝土碳化深度在25mm左右，已碳化至梁柱主筋；有部分柱混凝土保护层顺筋裂缝较宽，钢筋暴露且锈蚀严重，钢筋锈蚀后断面面积损失率约为8%；有部分梁混凝土保护层顺筋裂缝较宽，钢筋暴露且锈蚀严重，钢筋锈蚀后断面面积损失约为9%。

2、计算结果。荷载由原有设计院提供，其它荷载值按照现行规范，利用PKPM结构计算软件计算结果表明，厂房第3层中间跨梁支座处负弯矩强度不够；柱抗弯及抗剪承载力不够，且不能满足现有抗震规范要求；框架梁的挠度可以满足现行规范要求；框架梁的裂缝宽度不能满足现行要求。

3、分析与结论。此厂房长期处于震动和污染环境，混凝土腐蚀开裂较快。当混凝土裂缝至钢筋后，混凝土保护层失去作用，钢筋逐渐锈蚀。钢筋锈蚀到一定程度，混凝土保护层顺筋开裂，甚至导致混凝土保护层局部脱落，钢筋外露，给框架结构造成很大的危害。

通过上述分析可以得出该结构主要存在两大问题：一是部分构件承载力不能满足现行规范要求；二是腐蚀问题影响了结构的耐久性。针对这个问题，需对结构进行补强加固和修补。

三、加固方案选择

根据计算及检测结果，初步拟定加固方案有加大截面法、外包钢套法及外贴碳纤维复合材料加固法。

加大截面法自重增加较大，如采用这种方法还需要加固基础，对原结构影响较大，施工周期长。考虑到厂方要求加固施工过程中不能停产，故首先排除这种方法。

外包钢套法取材方便，成本较低，施工简单，但现场条件复杂，施工作业困难，而且该厂房处于腐蚀环境中。所以该方法也被排除掉，只能寻求耐腐蚀性强、施工简便的加固方法。

碳纤维复合材料是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点：a、强度高（强度约为普通钢材的10倍），效果好；b、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；c、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；d、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；e、施工工期短；f、用于补强加固时对原结构几乎没有影响，加固修补效果及耐久性好，可以大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震性能，增强构件的延性和刚度，改善构件的受力性能等。

经过分析比较，最终确定利用碳纤维复合材料加固补强方案，方案如下：

⑴柱：所有柱均需抗弯、抗剪及抗震加固。

①抗弯加固：沿柱的主轴方向粘贴玻璃纤维布，提高其抗弯能力。②抗剪加固：沿柱主轴垂直方向粘贴玻璃纤维布，由玻璃纤维布与柱箍筋共同承担剪力，提高其抗剪能力。③抗震加固：在柱端一定长度范围内，沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布；在梁柱节点处，除沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布外，再附加交叉方向的玻璃纤维布。

⑵梁：局部梁支座及跨中处需进行抗弯加固，所有梁需进行抗震加固。

①抗弯加固：沿梁的主轴方向粘贴玻璃纤维布，提高其抗弯能力。②抗震加固：在梁端一定长度范围内，沿梁主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布。

四、材料选择。根据材料各种性能比较，本次结构补强采用CFRP及粘贴结构胶YZJ，其性能见表1、表2。

表1结构加固修补用碳纤维材料L300-C主要性能指标

表2粘贴CFRP用长江牌（YZJ）建筑结构胶力学性能

五、计算方法

1、加固构件抗弯计算

由文献[4]得到的钢筋直径损失与顺筋裂缝之间的关系公式（构件中钢筋平均直径16）。

D=645.71*W+56.2（1）

式中，D--钢筋直径损失（μm）；W--裂缝宽度（）

根据文献[3]中，钢筋截面损失率与构件承载力降低之间的关系，可推得到以下钢筋截面损失率与构件承载力降低公式：

六、施工方法

基本施工步骤（如图1）：

1、基底处理

a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，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复,对裂缝进行封堵和灌缝处理,将表面疏松混凝土予以清除，并用环氧砂浆修补平整。

b混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm）。

c风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。

2、涂底胶

a将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，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20-50mim内用完。

b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6-24h。

3、找平

a混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。

b转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。

4、粘贴

a按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。

b调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。

c粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后，用特制工具反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分浸透碳纤维布；并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。多层粘贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。

d在碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。

e在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。

f碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200mm,各条带搭接位置应相互错开。

5、保护

a加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。

6、质量要求

a每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。

b施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象，应采用针管注粘结胶的方法进行补救。粘结面积若少于90%则判定粘结无效，需重新施工。

c严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5－35℃范围内，相对湿度不大于70%。

七、施工效果

本工程施工工期20天，加固修复后投入使用一年，加固效果良好，没有出现任何质量问题。

结束语

通过本工程实践证明，碳纤维复合材料加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广使用价值。

参考文献

[1]赵彤，谢剑著.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术.天津.天津大学出版社，2000

[2]中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（送审稿）》2001

[3]惠云玲等.混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能实验研究，工业建筑，1997（6），P14-P18

[4]王军强.混凝土中钢筋均匀锈蚀实验研究与理论分析，硕士学位论文，2001，河海大学，P22-P23

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