碳纤维在结构加固中的应用

【摘 要】碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，近年来在土木工程中，经常需要对已有建筑物进行维修、加固。实践证明，应用碳纤维材料是一种有较高技术含量的、全新的建筑结构加固方法。

【关键词】碳纤维；土木工程；全新；高效；便捷；结构加固；施工技术

The carbon fiber structural reinforcement

Song Gen-fa

(ei University of Technology Wuhan Hubei 430000)

【Abstract】Strengthened by CFRP repaired structure technology is a new type of structural reinforcement in civil engineering in recent years, often existing building maintenance, reinforcement. Practice has proved that the application of carbon fiber material is a high technology content, the new building structural reinforcement.

【Key words】Carbon fiber;Civil engineering;New;Efficient;Convenient;Structural reinforcement;Construction technology

1. 碳纤维材料在混凝土结构加固中的特点

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。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。

2. 碳纤维加固工程性能评价

2.1 碳纤维材料性能评价。

碳纤维的弹性模量与钢材较为接近，极适合于钢筋砼结构的加固修复，同时，碳纤维的抗拉强度为普通钢材的10倍，在达到相同加固效果的情况下，碳纤维的用量比钢材少得多。

碳纤维重量仅为200～300g/m2，约为3mm厚钢板的1/100，几乎不增加结构自重，不会引起结构的连锁补强。

根据有关资料，在弱酸环境中，经过一万次的冻融循环，干湿交替，一定光照时间，70℃热水中浸泡30天等作用下，碳纤维的耐久性能、抗腐蚀性能、耐老化性能均无降低，疲劳强度仍保留80％。

2.2 碳纤维工程技术经济性能评价。

与传统的加固技术相比，碳纤维加固砼技术具有良好的经济性能，虽然表面上看，碳纤维材料价格相对要高一些，但实际用于加固工程时，其综合造价却较低。碳纤维加固工程不需要大型施工机具和辅助机械，节省了台班费用；碳纤维属于轻质柔性材料，易于施工，降低了人工费用；碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不需要定期维护，节省了维护费用；当碳纤维批量使用时，其材料价格也不断下降。

2.3 碳纤维工程适用范围评价。

受力性能角度，碳纤维具有很高的拉伸强度和疲劳性能，主要适用于砼构件受拉区域的加固，尤其适用于桥梁等承受动力荷载的大中型结构的抗震加固。从材料特征角度，碳纤维为柔性卷材，根据施工需要可加工成u型或圆形，可用于结构梁、柱等的抗压和抗剪加固，防治及修补墙体中的温度裂缝，提高砖砌体结构的抗震能力。从实践应用角度，碳纤维加固砼技术由于避免了其它加固方法增大结构尺寸、减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性能差等缺点，目前已广泛应用于桥梁、道路、地下结构、高耸高层结构、工业厂房等建筑结构的加固。

2.4 碳纤维工程技术特点评价。

加固结构作为二次组合结构，是通过新旧两部分整体工作，提高建筑的承载能力，与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝法、预应力法相比，碳纤维加固砼技术无须对砼结构打孔穿洞，不会造成结构加固损伤，不用担心由于结构新旧结合处应力集中而减弱加固效果。与较为先进的粘钢板加固技术相比，碳纤维加固不需要辅助机具，施工简便，有效粘贴面积易于保证，施工功效较高。与玻璃纤维、尼龙纤维加固技术相比，由于碳纤维的比模量、比强度较高，柔韧性、耐腐蚀、抗老化性较好，使得碳纤维加固构件的延性改善程度较高，适用范围较广，利用年限较长。

3. 碳纤维加固施工工艺及步骤：

3.1 卸荷载。

加固前应对所加固的结构或构件的尽可能卸荷载。

3.2 底层处理。

应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣质混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。采用打磨机配适当的打磨片对被粘贴的混凝土表面进行打磨，，除去表面浮浆、油污等残留物，直至完全露出混凝土结构新面（未碳化层）。转角粘贴处理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。

3.3 涂底层树脂。

应按产品生产厂家提供的配方配制一定量的底层结构胶。应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土结构新面（未碳化层）。宜在底层结构胶表面指触干燥后，尽快进行下一道工序的施工。

3.4 找平施工面。

应按产品生产厂家提供的配方配制找平材料。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。转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧的导角，半径不应小于20mm。宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一道工序的施工。

3.5 粘贴碳纤维片材。

应按设计要求的尺寸剪裁碳纤维布；应按产品生产厂家提供的配方配制一定量的浸渍胶，并及时均匀涂抹于粘贴部位；将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍胶充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布；多层粘贴时应重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍胶指触干燥后尽快进行下一层粘贴；应在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍胶。

3.6 验收。

碳纤维布与混凝土之间的粘结质量，可用橡皮锤轻轻敲击或手指压碳纤维片材表面的方法，检查总有效粘结面积不应低于95%，当碳纤维布粘贴的空鼓面积不大于100cm2，可采用针管注胶的方法进行修补，当空鼓面积大于100cm2时，须将空鼓部位的碳纤维布切除，重新搭接等量的碳纤维布，搭接长度不应小于100mm。

3.7 表面保护、装饰。

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布之间有可靠的粘结。防护涂层一方面起到防火和表面涂装作用，另一方面也起到对碳纤维片加固层的外表面密闭防护的作用，从而减慢碳纤维布的老化和避免遭受其它损伤，保证构件加固后的正常使用。

4. 结语

碳纤维材料在结构加固工程中的应用越来越广泛，在已有的加固方法中，碳纤维材料以其优异的力学性能，简便的施工工艺与良好的效果得到普遍认同。

碳纤维补强加固混凝土结构技术作为一种技术含量高的建筑物补强加固方法，具有很高研究，推广价值和社会经济效益。

［文章编号］1006-7619（2011）01-10-014