淺談碳纖維在混凝土結構加固中的應用

孫偉豐

摘要：在土木工程中，由于各種原因，經常需要對已有建筑物進行維修、加固。實踐證明，應用碳纖維材料對混凝土結構進行加固，是一種有較高技術含量的、全新的建筑結構加固方法。本文通過分析碳纖維在混凝土結構加固中的技術特點及設計原則，針對粘貼碳纖維加固施工工藝進行探討，并對工程性能進行評價。

關鍵字：碳纖維材料；混凝土加固；施工質量；性能評價

1 碳纖維材料在混凝土結構加固中的技術特點

高強高效。由于碳纖維材料優異的物理力學性能，在加固修補混凝土結構中可以提高混凝土結構及構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。

施工便捷，工效高，無濕作業，不需大型施工機具，施工占用場地少。根據有關統計資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維材料是粘貼鋼板施工工效的4-8倍。

具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性。試驗表明，碳纖維材料加固混凝土結構有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抗御建筑物經常遇到的酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。

適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補混凝土結構可廣泛適用于各種結構類型(如建筑物、構筑物、橋梁、隧道等)、各種結構形狀(如矩形、圓形、曲面結構等)、各種結構部位(如梁、板、柱、節點、拱、殼、墩等)的加固修補，且不改變結構形狀，這是目前任何一種結構加固方法所不可比擬的。尤其重要的是，對于一些大型橋梁橋墩、橋梁、橋板以及隧道、大型筒體及殼體結構工程等，采用舊的加固手段幾乎無法實施，而采用該項加固技術都能順利解決。

施工質量易保證。由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固的結構表面不是非常平整也基本可以達到100％的有效粘貼率，而粘貼鋼板則很難達到100％的有效粘貼面，相應的驗收標準也只要求其達到70％ 就可以了。

碳纖維材料質量輕且薄，粘貼后每平方米重量不到1.0kg，粘貼一層的厚度僅1.0mm左右，加固修補后基本不增加原結構自重及原構件尺寸。

2 碳纖維加固技術的設計原則

碳纖維加固修補砼結構作為一項新技術，既有其不可比擬的優點，但也有其一定的適用范圍和適用條件，超出此范圍而盲目地采用此技術就會導致不安全、不經濟、不合理的后果。首先，被加固結構構件的最小截面尺寸必須滿足有關規范的要求；其次，被加固構件的受壓區高度、配筋率、面積配箍率、體積配箍率等仍要滿足現有規范的要求；第三，要求加固后不改變原有結構的最終破壞形式；碳纖維布的應用存在使用效率問題，同樣的碳纖維布用量，分條加固效果好于整條粘貼，構件受彎承載力隨碳纖維布用量的增加而提高，當碳纖維布使用層數較少時，提高幅度相對較大，隨著碳纖維布層數的增加，提高幅度相應減少；當碳纖維布用量過多時，構件破壞將由碳纖維布被拉斷引起的破壞轉變為砼被壓碎破壞，構件延性有所降低。

3 粘貼碳纖維加固施工工藝

3.1 工藝流程

被加固結構物表面處理→斷面修復→底層表面的涂布→不平面修整→碳纖維貼片施工→固化→表面涂裝→施工質量檢查

3.2 施工工序概述

混凝土表面如出現表面脫落、蜂窩、腐蝕等劣化現象部位應予剔除，對較大面積的劣質層，在剔除后用水泥砂漿進行修復。將混凝土的表面用混凝土角磨機處理整平，除去表面松散物、塵埃、油脂等雜物，凸出部位要磨平，轉角部位要倒成≥20mm的圓角。用吹風機或吸塵器將混凝土表面清理干凈并保持干燥。用脫脂棉沾丙酮擦拭混凝土表面，若有漏水現象要作止水、導水等處理，被加固結構表面處理的好壞直接影響加固質量。

配制底層用膠并涂敷，根據氣溫及施工粘貼結構件的具體情況決定涂敷的厚薄(一般≤4mm)，特別是冬季，氣溫低于5℃不宜施工，雨天也不宜施工。

首先，把結構膠(底膠)用滾筒刷涂抹于混凝土表面，在搭接、拐角部位可多涂一些，當底層膠固化(底膠表面指觸感干燥)后，用磨平機將凸起不平處磨平，為下一道工序作好準備，然后涂刷浸漬膠，粘貼碳纖維。現場要注意通風，作好勞動保護。

進行粘貼碳纖維(已做過品質檢查)時，首先根據要求裁好所需尺寸，再配制浸漬膠液，一次配膠量要以可使用期內施工所需量為限。最后進行粘貼，粘貼時盡量不使空氣進入粘接碳纖維布和膠粘劑之間，碳纖維布沿纖維方向的搭接長度≥100mm。貼好一層最好放置數小時，以達到脫泡、浸潤的效果。隨著結構膠粘劑反應使粘度增高固化(碳纖維表面指觸感干燥為宜)，再涂第二層時就可達到良好的效果，多層粘貼重復以上步驟，在最后一層碳纖維布表面均勻涂抹浸漬膠。冬季最好一天粘貼一層，在其固化時要防雨淋、防風砂。固化好后根據要求進行表面涂裝，完成施工。

4 碳纖維加固工程性能評價

4.1 碳纖維材料性能評價

碳纖維的彈性模量與鋼材較為接近，極適合于鋼筋砼結構的加固修復，同時，碳纖維的抗拉強度為普通鋼材的10倍，在達到相同加固效果的情況下，碳纖維的用量比鋼材少得多。

碳纖維重量僅為200-300g/m2，約為3mm厚鋼板的1/100，幾乎不增加結構自重，不會引起結構的連鎖補強。

根據有關資料，在弱酸環境中，經過一萬次的凍融循環，干濕交替，一定光照時間，70℃熱水中浸泡30天等作用下，碳纖維的耐久性能、抗腐蝕性能、耐老化性能均無降低，疲勞強度仍保留80％。

4.2 碳纖維工程技術經濟性能評價

與傳統的加固技術相比，碳纖維加固砼技術具有良好的經濟性能，雖然表面上看，碳纖維材料價格相對要高一些，但實際用于加固工程時，其綜合造價卻較低。碳纖維加固工程不需要大型施工機具和輔助機械，節省了臺班費用；碳纖維屬于輕質柔性材料，易于施工，降低了人工費用；碳纖維具有良好的耐腐蝕性能，不需要定期維護，節省了維護費用；當碳纖維批量使用時，其材料價格也不斷下降。

4.3 碳纖維工程適用范圍評價

從受力性能角度，碳纖維具有很高的拉伸強度和疲勞性能，主要適用于砼構件受拉區域的加固，尤其適用于橋梁等承受動力荷載的大中型結構的抗震加固。從材料特征角度，碳纖維為柔性卷材，根據施工需要可加工成U型或圓形，可用于結構梁、柱等的抗壓和抗剪加固，防治及修補墻體中的溫度裂縫，提高磚砌體結構的抗震能力。從實踐應用角度，碳纖維加固砼技術由于避免了其它加固方法增大結構尺寸、減少建筑使用空間、增加自重、施工周期長、耐腐蝕性能差等缺點，目前已廣泛應用于橋梁、道路、地下結構、高聳高層結構、工業廠房等建筑結構的加固。

4.4 碳纖維工程技術特點評價

加固結構作為二次組合結構，是通過新舊兩部分整體工作，提高建筑的承載能力，與傳統的加大截面法、外包鋼板法、纏繞鋼絲法、預應力法相比，碳纖維加固砼技術無須對砼結構打孔穿洞，不會造成結構加固損傷，不用擔心由于結構新舊結合處應力集中而減弱加固效果。與較為先進的粘鋼板加固技術相比，碳纖維加固不需要輔助機具，施工簡便，有效粘貼面積易于保證，施工功效較高。與玻璃纖維、尼龍纖維加固技術相比，由于碳纖維的比模量、比強度較高，柔韌性、耐腐蝕、抗老化性較好，使得碳纖維加固構件的延性改善程度較高，適用范圍較廣，利用年限較長。

結論

碳纖維材料在結構加固工程中的應用越來越廣泛，在已有的加固方法中，碳纖維材料以其優異的力學性能，簡便的施工工藝與良好的效果得到普遍認同。

碳纖維補強加固混凝土結構技術作為一種技術含量高的建筑物補強加固方法，具有很高研究，推廣價值和社會經濟效益。

參考文獻

[1]《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》 CECS146：2003.

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[3]趙彤，謝劍.碳纖維布補強加固混凝士結構新技術[M]．天津大學出版社，2001．