一种用于建筑物表面的环氧树脂碳纤维涂料加固方法的分析与研究

摘要：在国内外，房屋加固是社会基础建设的一个重要课题。房屋主要病害：裂缝、钢筋锈蚀、混凝土开裂及掉落，这些病害严重降低了房屋结构的承载力，如不及时修补，会给人们带来生命危险和财产损失。本文介绍了一种环氧树脂碳纤维涂料加固的方法的材料机理研究，项目实施步骤，加固措施，操作简单易行，满足加固补强和抗震要求。

关键词：特种加固；环氧树脂碳纤维；机理研究；方法分析

中图分类号： U457 文献标识码： A 文章编号：

1、引言

碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastics 简称CFRP）加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术，由于碳纤维材料具有质轻、耐腐、高强及施工便利的特点，近几年，在加固领域得到了广泛的应用。但是目前的CFRP片或板材为主，采用这种方法虽然较过去的粘钢板等方法有较明显的优势，但随着加固技术的不断发展和人们对加固要求的不断提高，很有必要研究一种比黏贴更有效的加固方式。同时目前的实际加固情况也反映了目前的加固方法存在的一个大问题,那就是CFRP与原结构的黏贴锚固，很多加固后的建筑物最后出现的破坏形式并不是CFRP布的拉断，而是粘结剥离破坏的形式，所以很有必要研究一种新型的加固方式。

基于大量的实践工程和理论方面的推导，我们提出了一种新型的CFRP加固方式，即将CFRP短条和环氧树脂胶提前混合起来，再涂到需要加固的部位。初步分析这种加固方法的优势在于施工方便快捷，且对构件的各个方向都能起到加固的作用，同时可以一定程度上避免粘结破坏的发生。

2、项目主要研究内容

主要研究内容：通过抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率试验，抗压强度与压缩模量试验和弯曲强度来研究得到环氧树脂碳纤维涂料的力学特性，并进行钢梁弯曲加固可行性试验和混凝土梁弯曲加固可行性试验的研究，研究该加固方法的效果，为今后这种涂料的推广应打下一个基础。

3、项目实施方案

3.1配置环氧树脂碳纤维涂料配合比，确定短纤维尺寸

由于目前没有关于这种加固方法的文章和试验，所以要先从配置环氧树脂碳纤维涂料开始。这一部分主要包括两个方面：1、确定最佳的短纤维尺寸；2确定最合适的配合比。

短纤维的尺寸 厚度为0.12mm，宽度为2-3mm，长度可以分为5 mm，7 mm，,10 mm三种来分别拌制。首先选定一种尺寸的短纤维，先取少量与一定量的环氧树脂粘结胶放在一起搅拌，搅拌均匀后看能否继续加短纤维搅拌，如果合适就继续加短纤维进行搅拌，直到不能再搅拌均匀或不能均匀的涂刷为止。我们可以对三种尺寸的短纤维都进行如上的试验，最后取出一种效果最理想的尺寸，通过过对比分析得到最合理的配合比。

3.2抗拉、抗压、弯曲强度；受拉弹性、压缩模量试验；伸长率

作为一种新型的加固材料，根据GB 50367-2006（混凝土结构加固设计规范），CECS146-2003（碳纤维加固技术规程）等规范的要求，必须测量其主要的力学性能，以方便以后的受力分析和计算，主要包括抗拉强度标准值，受拉弹性模量，伸长率，抗压强度与压缩模量，弯曲强度等等。根据GB/T2567-2008（树脂浇铸体性能试验方法），测量抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率、抗压强度与压缩模量试验和弯曲强度

3.3钢梁弯曲加固可行性试验

为了验证这种加固方法的实际加固效果，采用涂抹环氧树脂碳纤维涂料分别对钢梁和混凝土梁进行加固试验，通过与原梁的对比试验结果来分析该方法的加固效果。

本次试验的钢梁采用Q345钢制作的标准的25a型工字钢简支梁，试件示意图，截面尺寸和加载方式见图1。

图1钢梁示意图

此次试验我们初步决定做7根钢梁的试验，分别如下：

试验钢梁编号：分别为：YL、YL-J1、YL-J2、JGL-1、JGL-2、JGL-3、JGL-4。

分以下几种情况：YL 原梁，没有加固；YL-J1 在梁底跨中一米跨径内涂一层纯的环氧树脂胶；YL-J2 在梁底跨中一米跨径内涂两层纯的环氧树脂胶；JGL-1在梁底跨中一米跨径内涂一层纯的环氧树脂碳纤维涂料；JGL-2 在梁底跨中一米跨径内涂两层纯的环氧树脂碳纤维涂料；JGL-3 在梁底跨中两米跨径内涂一层纯的环氧树脂碳纤维涂料；JGL-4 在梁底跨中两米跨径内涂两层纯的环氧树脂碳纤维涂料

加载装置采用自平衡式加载装置，量程为10t和20t。对于需要加固的梁要先用钢刷或砂纸进行除绣，去油污，如果施工环境湿度较大，或钢梁表面潮湿的情况，还应对粘贴面进行干燥处理。然后再将配置好的环氧树脂碳纤维涂料用刷子均匀的涂在梁底，一层的厚度大致控制在1mm左右，对于多层加固的试样。再涂完一层以后马上将第二层涂上，以防止各层之间产生初始的粘贴问题。

为了考察环氧树脂碳纤维涂料的加固效果，要对各梁的挠度和应变进行测量。挠度测量采用量程为3cm的百分表，装在梁底三分点处。应变测量采用粘贴应变片的方法，可以分别在跨中和3分点处的梁底和腹板上粘贴相应的应变片，在梁底沿横截面粘贴3片应变片，在腹板上沿竖直方向粘贴3个应变片，粘贴位置如图2所示。通过比较各级荷载下各梁的挠度和应变以及各梁的极限荷载，屈服破坏形式等可以得到此加固方法的加固效果。

图2钢梁测点布置示意图

通过初步的计算，可以得到当F等于8.89KN时，原梁的挠度达到1cm，梁底最大应力为257.6Mpa。所以试验时我们可以先用2kN的力进行预载，预载结束以后1kN为一级开始往上加载，每加一级荷载都要读取挠度和应变，一直加载直到钢梁出现屈服为止。其余各梁的加载方式与初始梁一样。

分析试验得到的数据，可以得出此加固方法的加固效果。

3.4混凝土梁弯曲加固可行性试验

混凝土梁模型采用矩形截面简支梁的形式，混凝土强度等级为C30，跨度L=2200mm，计算跨度取为L0=2200mm，截面尺寸均匀为b*h=200mm*300mm，为了研究实际加固工程中碰到的较多的配筋较少的梁，本试验设计为稍高出最小配筋率，钢筋采用Q235，梁底部配筋为2Φ12，架立筋为2Φ10，设计配筋率为0.435%（最小配筋率为0.32%），为了尽量防止试验梁受剪破坏先于受弯破坏发生，箍筋设计为10@100.混凝土标号为C30，试件示意图如图3。

图3混凝土梁

混凝土梁试验我们初步决定做7根，分别如下：

试验钢梁编号：分别为：HYL、HYL-J1、HYL-J2、HJGL-1、HJGL-2、HJGL-3、HJGL-4

分以下几种情况：HYL 原梁，没有加固；HYL-J1 在梁底跨中一米跨径内涂一层纯的环氧树脂胶；HYL-J2 在梁底跨中一米跨径内涂两层纯的环氧树脂胶；HJGL-1在梁底跨中一米跨径内涂一层纯的环氧树脂碳纤维涂料；HJGL-2在梁底跨中一米跨径内涂两层纯的环氧树脂碳纤维涂料；HJGL-3在梁底跨中两米跨径内涂一层纯的环氧树脂碳纤维涂料；HJGL-4

在梁底跨中两米跨径内涂两层纯的环氧树脂碳纤维涂料

加载装置采用自平衡式加载装置，量程为10t和20t。对被粘贴混凝土表面用砂轮或角磨机打磨，以除去表面疏松层及油污等杂质，直至完全露出新的混凝土界面，并用压缩空气将表面浮灰清除干净。如果施工环境湿度较大，或混凝土表面潮湿的情况，还应对粘贴面进行干燥处理。然后再将配置好的环氧树脂碳纤维涂料用刷子均匀的涂在梁底，一层的厚底大致控制在1mm左右，对于多层加固的试样，再涂一层以后应马上将第二层涂上，以防止各层之间产生初始的粘结问题。

为了考察环氧树脂碳纤维涂料的加固效果，要对各梁的挠度和应变进行测量，同时还要时刻关注梁的裂缝发展情况。裂缝观测采用裂缝观测仪进行。挠度测量采用量程为3cm的百分表。应变测量采用粘贴应变片的方法，分别在梁底和梁的两个粘贴相应的应变片，粘贴位置如图4所示。通过比较各级荷载下各梁底的挠度和应变以及各梁的极限荷载，破坏形式等可以得到此加固方法的加固效果。

图4混凝土梁测点布置

通过初步的计算，可以得到当F等于17.1KN时，混凝土梁达到其极限的抗弯强度。所以试验时我们可以先用5KN的力进行预载，预载结束后为2KN一级开始往上加载，每加一级荷载都要读取挠度和应变，一直加载直到混凝土出现破坏为止。其余各梁的加载方式与初始梁一样。

分析试验得到的数据，可以得出此加固方法的加固效果。

4、 结束语

环氧树脂碳纤维涂料的合理开发利用将对于城市经济社会发展起着巨大的推动作用：一是能缓解建筑物重建带来的巨大资源消耗。环氧树脂碳纤维涂料的开发利用减小了社会资源消耗，节省了拆除重建的成本。二是增强原构筑物结构强度和抗震性能。三是优化了城市环境。环氧树脂碳纤维涂料开发利用能减小对城市周围环境的破坏,且为城市提供更多的绿化空间,有效地改善生存环境。四是可以广泛应用于航天、汽车、管道等各类民用高强产品的修复。

参考文献：参照岩土科技股份有限公司与浙江大学关于“环氧树脂碳纤维涂料加固机理研究”产学研合作项目内容