『关注』碳纤维布在结构加固工程中的应用
本文摘要：（由ai生成）
碳纤维加固技术是一种利用碳纤维材料对混凝土结构进行补强的现代技术。这种技术通过将高强碳纤维布或板与专用结构胶粘剂粘贴于混凝土表面，以提高结构的承载力、抗震性能和耐久性。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、轻质、耐腐蚀等优点，与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比，具有节省空间、施工简便、不增加结构自重、耐久性能好等特点。
近年来，人们对结构的安全性，使用性和耐久性要求不断增强，对现有结构的维护和维修加固引起了工程界的广泛重视。有很多的因素会缩短现有结构的使用寿命如物理老化，化学腐蚀，社会需求的变化，设计标准的提高等，这些出现问题的建筑物，当实际情况不允许推倒重建时，则只能采取适当的技术措施对其进行加固补强处理。
随着材料科学的发展，碳纤维材料在建筑工程中的应用也逐渐发展起来。碳纤维布结构加固修补技术是一种新型的结构加固技术, 它是利用树脂类专用粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面, 以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于80 年代美、日等发达国家, 在我国起步则比较晚。高强碳纤维布与结构胶粘剂配套使用, 适用于混凝土结构、木质结构的修复加固可大幅度提高构件的承载力、抗震性能和耐久性。广泛应用于桥梁加固、工业与民用建筑加固。
01
碳纤维的材料性能
①碳纤维布的物理机械性能。高强度碳纤维片可以提高混凝土的抗拉强度，同时也提高了钢筋的屈服荷载。采用高模量的碳纤维，构件的承载能力将进一步提高，同时可减少粘结碳纤维布的层数，并且可以控制和减少挠度。可以有效地增加混凝土构件的承载能力。
②碳纤维布的耐久性能。碳纤维布按10000h加速试验相当于自然条件老化，碳纤维的抗拉强度基本没有降低，并且经过2 000 h的加速老化试验，粘结碳纤维的剥离粘结强度也没有降低。混凝土补强试件从-20℃— -50℃，3 h内10次循环浸渍，其抗弯强度不发生变化。
碳纤维是通过树脂的粘结来达到整体作用的，因此树脂的性能直接关系到加固的效果。目前，普遍使用的粘结树脂一般是环氧类树脂。总之碳纤维具有：1)高强高效：抗拉强度2500 MPa—3500 MPa，弹性模量235GPa。2)重量轻、厚度薄：比重1.8g/㎡ ，每层厚0.1 mm～0.2 mm。3)高耐久性：不会生锈,非常适合各种高酸、高碱、盐等环境使用等优点。
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碳纤维加固结构构件技术原理
碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的l0倍左右，弹性模量略高于普通钢筋。加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要有2种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的lO倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类碳纤维的弹性模量甚至在钢材的2倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好地加固修复材料；配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。利用碳纤维布极强的抗拉性能，采用高性能的环氧类粘结剂，按照一定的工序将碳纤维布粘贴在梁、柱、板的表面，使混凝土与碳纤维布形成一体共同作用，使上述构件在承受超负荷时的变形被约束在一个有限的范围内，从而使结构体系不至于破坏。
03
加固优点
Q：碳纤维加固是利用碳纤维布和专用结构胶对构件进行加固处理，具有以下特点:
A：(1) 抗拉强度高, 是Ⅱ级钢筋的10 倍以上。
(2) 轻质、柔软易粘贴、质量易于保证,不增加结构自重及截面尺寸。
(3) 广泛应用于梁、柱剪力墙、板的加固, 特别适用于各类曲面结构。
(4) 耐久性好, 耐酸、碱、盐及大气环境腐蚀。
(5) 可提高柱延性(抗震能力)2至4倍,提高梁板的抗弯能力30%至100%;增强梁、柱抗剪能力30%至80%;提高柱墙承压能力20%至50%
(6) 施工便捷,工效高,没有湿作业,不需现场固定设施,施工占用场地少。
04
碳纤维在各种混凝土加固工程中的应用
碳纤维加固后混凝土梁的破坏特征
碳纤维布加固后粱的破坏类型有4种：1)受压区混凝土压坏；2)碳纤维布拉断破坏；3)粘结破坏(混凝土被拉下)，这类破坏是由于胶作用于混凝土表面的剪应力和正应力的组合作用引起水平裂缝的产生和扩展，导致混凝土被拉下，有时甚至梁的整个混凝土保护层被拉下；4)混凝土一胶界面发生剥离破坏(撕下的碳纤维上粘的混凝土很少)，这一般是由于胶的性能不理想或施工质量不过关而导致破坏发生在混凝土一胶界面上。发生哪种破坏，主要由碳纤维布的锚固性能所决定。梁破坏时，靠近支座处的斜裂缝在底部，该处的碳纤维布有较大的锚固长度，所以，往往发生碳纤维布被拉断的破坏。而靠近加载点处的斜裂缝在梁顶部通过，该处碳纤维布的锚固长度很短，所以，往往发生粘结破坏。因此，保证锚固性能极其重要。
受力特点
采取补强加固措施后，梁受弯承载力的增长幅度是随碳纤维布粘贴面积的增加而增大的，但梁受弯承载力的增长也并非与碳纤维布使用面积的增加成正比。当碳纤维布粘贴层数较少时，增长幅度大；随着碳纤维布层数的增加，各层碳纤维并不能完全共同工作，部分碳纤维的强度没有完全发挥出来。另外，碳纤维布用量的增多，还将改变构件的破坏形态。如粘1层布的梁的破坏始于碳纤维被拉断，而粘5层布的梁则因受压区混凝土被压碎导致构件的最终破坏。通常碳纤维布宽度较小时梁受弯承载力提高较大，其原因是分条后有利于碳纤维布中的各纤维束更好地共同工作，因而碳纤维布分条使用的效率要优于整条使用。所以在工程设计中，不能笼统地认为碳纤维布用得越多越好。在碳纤维用量相同的情况下，条带间距小、层数少的加固方案要优于条带间距大、层数多的加固方案。单层条带加固的试件，破坏类型多数为碳纤维条在斜裂缝处被撕裂，而包裹两层碳纤维条的试件，其破坏类型为碳纤维条从混凝土表面剥离。
加固对裂缝形态的影响
碳纤维布加固对梁的开裂荷载影响很小，但随荷载的增加，碳纤维布要抑制裂缝的发展，并发挥更大地作用。由于碳纤维布的约束作用，加固后梁的裂缝发展较为缓慢，裂缝间距变小，数量变多，宽度变小。而且在加固后，当作用在梁上的荷载较大时，由于在混凝土一胶界面上产生较大的剪应力，所以，即使在纯弯段，梁底部也会产生一些斜裂缝，特别是3层碳纤维布加固后的梁，在纯弯段产生近于水平的裂缝，若荷载继续增大，就容易发生混凝土被拉下的破坏。
施工过程对加固后构件强度的影响
碳纤维布补强后构件的刚度在很大程度上取决于碳纤维布补强的施工过程。它不同于一般的施工过程，如混凝土浇筑的不好，只不过是强度降低而已，而碳纤维的施工方法不正确，则强度为零。因为碳纤维是一种很柔软的材料，本身并没有强度，只有将它贴合在含浸树脂的涂布面上才会产生很大的强度。所以，碳纤维施工方法的正确与否是至关重要的。
用碳纤维包裹加固框架柱时，碳纤维布的主要作用就是对其内部混凝土起到了约束作用，由于碳纤维的抗拉强度和弹性模量都很高，因此这种约束作用很明显。当混凝土受压产生横向变形时，碳纤维布可以约束混凝土变形，加大混凝土的极限压应变，因而推迟了受压区混凝土的破碎，充分发挥纵筋的塑性变形性能，改善钢筋混凝土柱的延性，从而提高框架柱的承载力和抗震性能。
①加固机理：用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面。
②加固材料性能：碳纤维布抗拉强度标准值为3500MPa,弹性模量为235000MPa，单向受拉。
③与混凝土 共同工作性能：通过3种粘结材料粘结：a．底层树脂浸入混凝土表层；b．用找平材料对局部不平处进行修复；c．粘结剂能从纤维丝间渗出，充分包裹纤维束形成一个复合整体，共同工作性能好。
④对原结构的影响：一层粘贴厚度为0.5 mm，每层质量为400g／m～600g／m，基本不增加结构自重及截面尺寸。
⑤施工工效：可按实际所需尺寸现场裁剪，可用于曲面等不规则形状的加固；不需大型机具，轻质柔软，易贴附，便于手工操作；有效粘结面积可达95％以上，便于检查，可用肉眼鉴定，局部出现气泡时可用针管注胶修复，工效较高。
⑥耐久性能和防火性能：碳纤维材料具有优异的耐久性能，可耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀；有防火要求时必须防火遮盖；工期较短，后期维护费用较低。
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施工工艺及步骤
（1）卸荷:加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。
（2)放线，按粘贴碳纤维布、钢板所需宽度用墨线在梁底、梁侧面、剪力墙等需补强的相应部位弹出标明。
（3)打批层，按弹线范围凿除批层，直到露出混凝土层。
（4)打磨，用带砂轮片的角磨机将露出的混凝土面不平整的地方打磨平整，较平整的混凝土面，可直接用带打磨的角磨机打磨。特别注意，有碳纤维片材箍或钢板箍的梁角用砂轮片打磨成一个圆角(圆角R取15rad一20rad)，不能用锤子直接打出圆角。
（5)清尘，打磨完成后，用吹尘机将混凝土面的粉尘吹干净，然后用半湿的抹布或蘸丙酮的抹布将打磨面擦拭一遍，候干。
（6)涂底胶，在补强部位涂一遍稀薄的底胶，让其充分渗进混凝土面。
（7)修补，用环氧胶泥将待补强的混凝土面孔隙凹凸不平处修补平整。
（8)粘贴碳纤维布，在修好的混凝土面上，再涂一层粘贴胶，这遍涂胶要稍厚、稠一些，但以不流淌、不下滴为宜。然后马上粘贴纤维布。操作时一人拿纤维布在前，一人在后滚压。在前拿纤维布的人要保证纤维布平直，且和混凝土面平行，在后滚压的人要保证碳纤维充分和混凝土面粘贴在一起，不能出现空鼓、气泡、翘边等现象。一条纤维布粘贴好以后马上用铁滚子在纤维布面沿粘贴方向反复滚压，赶出里面的气泡，并使粘贴胶充分浸渍透纤维布，以纤维布面出胶为准。
（9)过1h左右，待碳纤维布粘贴胶稍干时，在纤维布面再刷一层面胶，面胶刚好盖住纤维布为宜，且不能太厚，不能流淌。30 min后在纤维布面撒上一层干燥的粗砂。
06
注意事项
⑴主剂及固化剂必须按规定比例搅拌均匀后才可使用。
⑵主、固化剂混合后，应在可用时间内使用完毕，以免材料胶化无法使用。
⑶使用后的刮铲、搅拌器及容器等，应于硬化前以丙酮洗净。
⑷施工时间，应避免与皮肤接触，必要时得穿上防护衣及戴上防护手套。
⑸碳纤维布加固工程为特种工程，施工工艺有严格要求，须由有经验的专业队伍进行施工。
07
总 结
进入2l世纪后，中国在建国初期建成的建筑物由于设计使用年限的临近或其他原因的损坏，结构预定功能的失效概率大大增加，旧混凝土加固和修复工作任务繁重，由于传统材料如钢材、混凝土、木材受自身特性的限制而无法在修复中较好使用，已遭到破坏的建筑物还要受到现有结构和继续承载的约束等原因，这些都迫切要求使用新型材料和技术以达到施工、使用功能和效率的要求。采用外贴纤维增强聚合物对混凝土结构进行补强加固，是20世纪8O年代在发达国家首先发展起来的一种高效的结构加固修复技术。由于碳纤维布质轻、高强、耐腐蚀性能好，且省时省力、操作方便，尤其对于受恶劣环境影响的结构及抗震能力要求较高的结构，在常规加固技术不能适用的情况下，采用该加固技术更显出其不可取代的优势。
来源：中创建设
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