浅谈碳纤维在混凝土结构加固中的应用

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

Abstract: In civil engineering, due to various reasons, often need to repair, reinforcement of existing buildings. Practice has proved, the application of carbon fiber material to reinforce concrete structure reinforcement method, is a high technology content, new building structure. In this paper, through the analysis of the technical characteristics and design principle of carbon fiber in strengthening concrete structures with CFRP, the construction technology is discussed, and the evaluation of project performance.

Key words: carbon fiber; reinforced concrete; construction quality; performance evaluation

中图分类号：TQ178 文献标识码：A 文章编码

引言

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。

1 工程概况

本工程位于龙岗区坪地街道年丰工业区，建于二十世纪九十年代。深圳市龙岗区坪地街道年丰社区居民委员会委托中南大学土木工程检测中心对其所属的1#厂房结构进行安全性检测及鉴定。结构鉴定结果为：对所有框架梁进行加固。

2 碳纤维加固设计

3、梁贴碳纤维布计算

计算依据：

1、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002

2、《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006

3、中南大学土木工程检测中心对结构的重新计算

4、中南大学土木工程检测中心检测报告编号：中大检中心（深）字（2008）第045号

二、已知参数：

1、受弯构件（矩形）正截面加固计算公式：

M≤α1fc0bx(h-x/2)+f'y0A's0(h-a')-fy0As0(h-h0)

α1fc0bx=fy0As0+ψfffAfe-f'y0A's0

ψf=[(0.8εcuh/x)-εcu-εf0]/εf

x≥2a'

2、根据有关规范及依据可知：

根据上部框结构计算结果和施工图纸，取二层B～E/5轴梁为代表进行计算。梁砼强度为C15，配置钢筋为HRB335,梁截面250X800，计算配筋量1800mm2，实际配筋量1610。

计算过程：

根据框架计算结果的梁支座配筋量反推出梁端弯矩值：

由此算出砼受压区高度x=fyAs/α1fcb=300mm

因此，梁端弯矩M=α1fcbx(h0-x/2)=331560000N*mm

不考虑受压钢筋和预应力钢筋时根据公式M≤α1fc0bx(h-x/2)-fy0As0(h-h0)

重新解出x有方程式：

M+fy0As0(h-h0)=α1fc0bx(h-x/2)

x=h-√{h*h-2*[M+fy0As0(h-h0)]/fcb}=297.7

公式二: ψf=[(0.8εcuh/x)-εcu-εf0]/εf=0.52

由公式三：α1fc0bx=fy0As0+ψfffAfe求出Afe

Afe=(α1fc0bx-fy0As0)/ψfff=61mm2

由此算出所需布厚度δ=Afe/b=0.244mm

现选用2层0.167mm布，厚度2×0.167=0.334＞0.244满足要求

4、碳纤维加固施工工艺流程及其操作要点

施工工艺流程:混凝土表面处理涂刷底层树脂找平处理主涂贴粘碳纤维贴片主涂表面处理[10][11][12]。

1、混凝土表面处理

以砂轮机或磨光机将混凝土梁板表面3mm内的混凝土磨掉,露出混凝土新面,转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径应不小于25mm。磨平后以毛刷或吹风机将粉尘及松动物质去除,表面要平整干净并保持干燥。

2、涂刷底层树脂

混凝土表面曾结露或接触水(相对湿度大于70%)处不得施工。施工要点:①将底漆之主剂和硬化剂依规定配比,爱牢达XH7303A/B改性环氧胶粘剂配比为A∶B=100∶45,搅拌均匀,一次搅拌量须在可使用时间内用完。②施工时以滚筒毛刷将底漆均匀涂抹于混凝土表面,涂抹量随施工面的状况斟酌使用,依现场状况决定是否采用涂布第二道,涂抹第二道时须等第一道初干后进行。③底漆指触干燥时间约为2~10 h。

3、找平处理

①将补土之主剂和硬化剂根据规定配比搅拌,一次搅拌量须在可使用时间内用完。②等底漆干燥后,将补涂材料涂抹于混凝土表面凹陷部位及转角处,涂抹后的部位必须使用工具加以修整,使整个表面平整光滑,转角亦修整成光滑的圆弧。

4、粘贴碳纤维布

混凝土表面曾结露或曾接触水(相对湿度大于70%)处不得施工。施工要点:①涂布浸渍树脂前须确认底漆状况为指触干燥。②根据设计尺寸对碳纤维贴片进行剪裁。③根据规定配合比配制粘贴树脂,爱牢达XH180A/B双组份环氧树脂粘合剂配比为A∶B=4∶1,主剂及固化剂称重后充分均匀搅拌，一次搅拌量需在可使用时间内用完。④施工面以滚筒毛刷将粘贴树脂均匀涂抹于粘贴部位,其用量随混凝土表面状况而定。⑤用脱泡滚轮或凹槽式塑胶滚轮顺着纤维方向来回滚压排除气泡,使粘贴树脂充分浸透碳纤维布;拱起部位及角落易产生气泡,须小心除泡。⑥在已贴妥之纤维布上,再用滚筒毛刷将粘贴树脂均匀涂于纤维布上,重复⑤步骤,使纤维布浸渍完全。纤维贴片贴覆30 min后方可进行上层树脂涂抹,此期间要注意贴片是否有浮起或错位现象,若有则用滚轮或刮刀压平修正。⑦二层以上粘贴时,重复④~⑥步骤,纤维贴片搭接时,纤维方向交接处搭接长度须大于10 cm。⑧若发生结露,须擦干并保持干燥方可施工,在贴覆后需考虑施工环境对贴覆的影响。

5、 结束语

碳纤维加固技术的使用不限制于任何结构类型、任何结构部位并且施工简便、快捷更能保持原构件外观不变，此外，由于碳纤维的强度及耐久性使人更放心它的加固效果。由于国内外许多大企业下重金于碳纤维事业，使碳纤维材料和加固成本逐渐降低，在不久的将来，碳纤维加固技一定会完全取代传统加固技术成为建筑加固市场上的王牌军！

参考文献

[1] 混凝土结构加固设计规范 GB50367——2006

[2] 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S]，CECSl46—2003

[3] 混凝土结构加固技术规范[S]，CECS25:90