应用· 碳纤维加固补强技术及其在建筑工程领域应用

本文摘要：（由ai生成）

碳纤维加固补强技术利用碳纤维布或板材粘贴于混凝土结构表面，增强抗弯、抗剪和承载能力。该技术具有轻质、高强、耐腐蚀、施工便捷等特点，有效提升建筑安全性。然而，碳纤维加固技术在应用中也存在材料质量、混凝土表面打磨等问题，需严格把控施工质量。

概      述

 

碳纤维加固补强技术，是利用碳纤维布或碳纤维板材来粘贴在混凝土结构的表面，从而实现对混凝土结构加固和补强的一种新型技术。由于建筑工程的使用年限较长，部分工程存在因设计载荷标准过低而造成的遗留问题，而且部分工程的使用环境也较为复杂，建筑结构大多数长时间暴露在外界环境中，受到温度、雨水、大气等环境因素的侵蚀，在长期使用的过程中，混凝土梁柱会出现承载力下降等问题，安全性能也呈现不同程度的降低。

碳纤维材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳性能优异等特点，在建筑工程的补强和加固方面有着巨大的优势。常用加固补强材料包括碳纤维布、碳纤维板材等。碳纤维布加固补强是利用碳纤维布捆绑混凝土梁、柱，从而实现承重加固补强的技术。碳纤维板材主要是将碳纤维材料与树脂浸渍后，通过在固定模具中连续拉挤成型后制得，具有高强度和高弹性模量的特点，在建筑中具有施工方便快捷的特点，碳纤维承担了主要的应力，具有较高的强度，树脂的作用是抵抗外界的侵蚀，其整体的性能受到纤维和树脂直接黏合效果的应用。碳纤维板材的加固方法主要是将板材粘贴于构件的受力部位，提高该区域的承受力，从而提高构件的抗弯和抗剪能力。

碳纤维加固补强材料 

碳纤维加固补强原理

碳纤维材料对于建筑工程的加固维修主要就是对其的抗弯加固，即碳纤维材料与钢筋混凝土 共同承担荷载，从而提高建筑物的承载能力。其次就是对于建筑工程的抗剪加固，即用碳纤维材料约束混凝土，从而减少混凝土在剪力作用下出现裂缝以达到提高抗剪强度的作用。另外还有就是对于建筑物的抗压加固，即利用碳纤维材料本身的特性来约束建筑物混凝土的径向变形，从而提高混凝土的抗压强度。将碳纤维材料与建筑材料结合，可以有效地提高建筑材料的抗弯、抗剪和承载能力，碳纤维和建筑材料可形成整体受力结构，碳纤维的存在有效分散了载荷， 具体的加固原理包括以下几个方面:

(1) 提高建筑材料延性。碳纤维材料在使用过程中往往是粘贴在构件之上，此时碳纤维对于构件形成约束作用，在受到外力作用时，碳纤维和混凝土材料可以协同对抗外界作用力，提高了建筑材料的耐压能力，有效地延缓构件达到破坏所用的时间，改善建筑整体的抗震能力。

(2) 加固抗弯构件。将碳纤维材料用于建筑中的弯曲构件中，可以提高构件的抗弯能力，并可以对传统钢筋材料进行补充或替代。在构件受到外界作用力时，如果应力较小，未造成开裂现象，则构件和碳纤维的应变都很小，如果作用力较大，使得构件出现开裂，碳纤维就会发挥作用，碳纤维的应变会增加，抑制构件开裂的趋势，如果外力继续增加达到了钢筋的屈服点，此时钢筋失去其作用，而碳纤维由于受到巨大外力的作用，应变增加表现出超高强度的特征，使得材料的整体抗弯能力得到大幅度提高。

(3) 加固抗剪构件。在受到剪切作用力频繁的构件中，碳纤维可以起到箍筋的作用， 使得材料在受到外界较大剪切力作用时，可以对构件提供有效的约束作用，不至于在短时间内遭到破坏。

 承重建筑结构的碳纤维加固补强

碳纤维加固补强特征

 

碳纤维加固补强主要特征有四个方面: 

其一， 碳纤维加固补强技术的拉伸强度更高。外包钢加固法是加固混凝土的传统方法，其技术逻辑是利用钢材的强度增强混凝土抗拉强度。碳纤维布是采用复合材料制作的加固材料，其抗拉强度可达到7.0 GPa，是普通钢材的 12倍。

其二，碳纤维加固补强技术的抗腐蚀性更强。在潮湿、酸性高的环境下，钢材等加固材料极易受到腐蚀，因此其使用范围受到了较大的限制。碳纤维加固补强技术并未使用金属材料，因此其具有较强的抗腐蚀性，并可在充满化学气体的环境下长期使用。

其三，该技术可实现无缝隙加固。钢材金属类加固材料的弯曲度较差，拐角、凸起等部位极易出现缝隙。碳纤维布是柔性材料，因此其可应对复杂的建筑结构，从而使建筑物的受力更加均匀。

其四，施工流程更加便捷。碳纤维材料的占地面积较小并且重量较轻，因此其搬运过程不需要耗费过多的人力。同时碳纤维材料不需要提前塑型，因此其操作设备较少，施工人员可以三人为一小组。  

碳纤维建筑加固常见问题

 

碳纤维加固技术在建筑工程中的常见问题主要有四个方面:

首先，碳纤维加固材料的质量标准不合格。这一问题主要来自于采购环节，碳纤维加固技术是一种补充性修复措施，部分施工单位对于该措施的重视程度不足， 因此使用价格低廉或前期施工存留的材料。

其次，混凝土表面打磨不规范。打磨混凝土表面，是该项施工中的重点环节。表面不均匀将使碳纤维与混凝土表面出现缝隙，这一问题不仅会降低整体的抗拉强度，也会使碳纤维布在长期使用的过程中出现开裂。在结构复杂或操作空间狭小的环境下，施工人员更易出现打磨不均匀等问题。

再次，胶体配比、搅拌不合格。混凝土的裂缝处需要填充胶体，其表面也需要涂抹粘贴剂，这部分胶体都需要均匀调配、搅拌。但部分设备不全的施工现场极易在这一环节出现问题。

最后，碳纤维布受损。碳纤维布的拉力部分来源于其整体的张力， 因此碳纤维布的边缘都得到了强化处理。若在施工或搬运的过程中出现横向破损，将使其拉力受到破坏。 

碳纤维建筑加固应用范围

 

碳纤维加固技术可以应用在建筑工程中的各个部位，进而对其进行维修加固，保证建筑工程的质量和安全稳定性。首先碳纤维加固技术可以应用在建筑物的两个混凝土结构的相互结合处从而保证结合处的质量和安全稳定性，比如应用在桥梁和桥墩的结合处。其次就是还可以应用在建筑物混凝土结构的重要部位来保证其的质量，例如混凝土梁、混凝土柱、混凝土板等，从而提高他们的抗剪强度和抗震性能。还可以应用在一些砖砌体结构中，从而提高其的稳定性和质量。

在建筑工程中最为常见的也是最为重要的就是钢筋混凝土结构，应用碳纤维混凝土可以有效的提高混凝土外墙的质量。应用碳纤维混凝土可以有效的增加混凝土与钢筋之间的粘结力和摩擦力，提高混凝土的抗拉强度。与此同时，碳纤维混凝土应用在混凝土加固中还能够有效的提高整个建筑物的耐酸性和耐碱性，保证混凝土结构在外界环境发生变化时不会发生太大的变化，防止混凝土裂缝现象的出现。

在建筑工程施工建设的过程之中还有一种较为常用的碳纤维材料即碳纤维板材。碳纤维板材通常使用在建筑物的外表面，从而提高建筑物的耐久性。碳纤维板材本身的化学稳定性和物理稳定性就比较好，它具有极好的耐热性和耐腐蚀性能，并且其的保温隔热性能十分的理想，不易燃烧，作为建筑物外墙材料是十分理想的。与此同时，碳纤维板材造型美观，结构轻便，不需要对其进行二次装饰，这也是被广泛的应用在建筑物外墙的一个重要原因。另外还有就是碳纤维板材还可以使用在已有建筑物的钢筋混凝土的结构部位的维修加固中，它能够极大的提高钢筋混凝土建筑的耐久性，延长建筑物的使用寿命，提高建筑物的安全稳定性。  

碳纤维建筑加固补强流程

 

前期准备

碳纤维加固技术的前期准备主要分为三个部分。一是承重分析。在这一过程中， 设计人员将依据国家标准，对建筑工程的载重量进行计算，从而确定施工图纸与技术要求。二是进场交底。在这一过程中，施工单位将携主要技术人员与设计部门进行交接，并制定施工计划。三是材料与设备进场。施工材料主要包含碳纤维布、混凝土裂缝填充物( 腻子或胶体等) 、粘合剂， 胶带等。施工设备主要有角磨机、滚刷、搅拌器、切割机、砂纸等。

打磨混凝土表面

打磨混凝土表面，是极为关键的施工环节。在施工中，施工人员首先要确定表面基线，并以此为基准利用角磨机对表面凸起物进行处理。针对拐角等复杂结构， 施工人员可利用砂纸等工具进行手动清除。在混凝土表面平整后，施工人员可利用清洗剂对其进行二次处理。混凝土表面存在较多的颗粒，这部分颗粒将对碳纤维布的粘贴带来负面影响。

填充混凝土裂缝

混凝土表面通常会存在一些裂缝，在涂刷底漆前要对其进行处理。针对缺损较为严重的部分，施工单位可利用腻子进行表面修补，在具体的使用中也可增加固化剂，以提升腻子的凝固速度。针对小于0.2 mm 的裂缝，施工单位可利用环氧树脂进行表面密封。而超过 0.2mm 的裂缝可利用环氧树脂胶填充。之后，施工单位应当对填充表面进行打磨、清洗。

涂刷底胶

涂刷底胶通常要在-5 ℃以上的温度环境下进行，其具体的涂刷方式可依据材料的不同分为三种。其一是 bayashi-Mitsubishi法，该方法需要在混凝土表面涂刷底漆，并在修复加固结构的表面涂刷树脂漆。此种方法适用于 Repiark 碳纤维布，在粘贴时也要在布内侧涂刷树脂。其二是 Mbrace法，该方法需要在混凝土表面涂刷Mbrace 底漆，并再次涂刷浸渍剂。而 Mbrace 碳纤维布可直接粘贴纸至涂料表面。其三是SIKA 法，该方法需要在混凝土表面涂刷 Sikadur 粘结剂,并将碳纤维条涂刷环氧树脂。之后应在 24 h 内对其进行固定。

粘贴碳纤维布

在粘贴碳纤维布的过程中，施工人员应当将碳纤维布的切割长度限制在 6 m 以内，以减少缠裹过程中造成的损害。部分需要涂刷胶体的粘贴方式，应预留宽敞通风的存放处。在切割的过程中，施工人员要利用锋利刀具一次性切割，以避免出现损伤。在具体的粘贴过程中，各布条的搭接处应不低于20 cm。施工人员应当利用手工操作的方式， 排除连接处的气泡， 并在粘贴结束后利用胶带等固定物对其进行缠绕。

涂装防火层

涂装防火层是加装碳纤维加固技术的最后环节。在实施该环节的过程中，施工人员应当在碳纤维布即将固化的阶段，涂刷防火涂层。这样的施工技术更有利于防火涂层与胶体的粘结，其耐用性将得到提升。  

碳纤维建筑加固施工注意事项

 

碳纤维在施工过程中需要考虑的参数较多，要求严格控制各项数据的相关要求。应该注意以下几点:
(1) 碳纤维片材的实际粘贴面积需要大于设计面积，偏差不应超过 10 mm。
(2) 在碳纤维加固混凝土施工过程中强度等级应大于 C15，施工温度大于 5 ℃。
(3) 在转角处，由于碳纤维的弯折会导致碳纤维的损坏，因此转角处的施工需要进行磨圆处理。
(4) 碳纤维片材与混凝土之间的黏结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查，总有效黏结面积不应低于95%。
(5) 由于碳纤维为高导电材料，施工中远离电气设备。 

碳纤维加固补强施工现场

碳纤维建筑加固前景与展望

 

碳纤维加固技术作为一种新型的技术，通过碳纤维本身的高强度有效地提高了建筑构件整体的质量和耐用性能。而且，在施工过程中方便快捷，施工成本低，后期的维护成本低，提高了建筑材料的稳定性，可以带来广泛的经济效益和社会效益。随着研究的进一步增加，未来其应用前景会更加广阔。未来碳纤维在建筑工程中的应用需要注意以下几个方面:

(1) 重视碳纤维混凝土的使用

未来建筑领域必将面临重要的变革和创新，对于建筑结构的新要求必将对材料提出新的挑战，而碳纤维作为高性能材料，必将发挥出越来越大的作用。因此，未来的施工中应当加大碳纤维复合材料的使用，提高整体的工程质量。

(2) 注重碳纤维材料应用的创新性

由于碳纤维材料在施工过程中要求较高， 因此必须在保证施工质量的基础上，提高创新意识，探索新型的成型和施工方法，尽可能地发挥出碳纤维的最大性能和价值，为以后的发展奠定良好的基础。

(3) 营造良好的应用环境

加大对碳纤维新型材料的使用和宣传力度， 重视对碳纤维的科学应用和开发， 并使之成为一种趋势，让人们接受这种新材料，为推广该技术创造良好的环境。

(4) 严格遵循标准

在碳纤维的使用中应严格遵循各种标准的要求，包括碳纤维的使用标准和施工标准，特别是对于施工过程中细节的管控，保证施工质量。

参考文献：

郭晓红，《关于碳纤维加固技术在市政工程应用领域的研究》

佟颖，《碳纤维增强材料在建筑工程中的应用》

张建丰，《碳纤维加固技术在建筑工程方面的应用》

来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部

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