碳纖維加固技術(shù)的特性及混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法

吳冬玲　喬瑞萍

摘 要：在發(fā)展迅速的城市建設(shè)中，建筑是城市的標(biāo)致，是城市歷史的見證。歷史遺留的古建筑，不同時(shí)期的建筑群及現(xiàn)代建筑，都在訴說著城市的衍變。面對(duì)著不同時(shí)期的諸多建筑所出現(xiàn)的質(zhì)量問題，需要不同的維修方法來延續(xù)建筑的歷史價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混凝土；加固；技術(shù)

1 混凝土結(jié)構(gòu)加固方法

混凝土結(jié)構(gòu)的加固分為直接加固與間接加固兩類，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際條件和使用要求選擇適宜的方法和配套的技術(shù)。

1．1 直接加固的一般方法

1．1．1 加大截面加固法

該法施工工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)；適用于梁、板、柱、墻和一般構(gòu)造物的混凝土的加固；但現(xiàn)場(chǎng)施工的濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)和生活有一定的影響，且加固后的建筑物凈空有一定的減小。

1．1．2 置換混凝土加固法

該法的優(yōu)點(diǎn)與加大截面法相近，且加固后不影響建筑物的凈空，但同樣存在施工的濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)；適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土承重構(gòu)件的加固。

1．1．3 有粘結(jié)外包型鋼加固法

該法也稱濕式外包鋼加固法，受力可靠、施工簡(jiǎn)便、現(xiàn)場(chǎng)工作量較小，但用鋼量較大，且不宜在無防護(hù)的情況下用于600C以上高溫場(chǎng)所；適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。

1．1．4 粘貼鋼板加固法

該法施工快速、現(xiàn)場(chǎng)無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，對(duì)生產(chǎn)和生活影響小，且加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響，但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平；適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。

1．1．5 粘貼纖維增強(qiáng)塑料加固法

此法除具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐濁、耐潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、耐用、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，但需要專門的防火處理，適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和一般構(gòu)筑物。

1．1．6 繞絲法

此法的優(yōu)缺點(diǎn)與加大截面法相近；適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面承載力不足的加固，或需對(duì)受壓構(gòu)件施加橫向約束力的場(chǎng)合。

1．1．7 錨栓錨固法

該法適用于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20~C60的混凝土承重結(jié)構(gòu)的改造、加固；不適用于已嚴(yán)重風(fēng)化的上述結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1．2 間接加固的一般方法有：

1．2．1 預(yù)應(yīng)力加固法

該法能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平，不僅使加固效果好，而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力，但加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響；適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固，但在無防護(hù)的情況下，不能用于溫度在600C以上環(huán)境中，也不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。

1．2．2 增加支承加固法

該法簡(jiǎn)單可靠，但易損害建筑物的原貌和使用功能，并可能減小使用空間；適用于具體條件許可的混凝土結(jié)構(gòu)加固。

1．3 與混凝土結(jié)構(gòu)加固改造配套使用的技術(shù)

1．3．1 托換技術(shù)系托梁（或桁架）拆柱（或墻）、托梁接柱和托梁換柱等技術(shù)的概稱；屬于一種綜合性技術(shù)，由相關(guān)結(jié)構(gòu)加固、上部結(jié)構(gòu)頂升與復(fù)位以及廢棄構(gòu)件拆除等技術(shù)組成；適用于已有建筑物的加固改造；與傳統(tǒng)做法相比，具有施工時(shí)間短、費(fèi)用低、對(duì)生活和生產(chǎn)影響小等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)技術(shù)要求較高，需由熟練工人來完成，才能確保安全。

1．3．2 植筋技術(shù)系一項(xiàng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)捷、有效的連接與錨固技術(shù)；可植入普通鋼筋，也可植入螺栓式錨筋；已廣泛應(yīng)用于已有建筑物的加固改造工程。

1．3．3 裂縫修補(bǔ)技術(shù)根據(jù)混凝土裂縫的起因、性狀和大小，采用不同封護(hù)方法進(jìn)行修補(bǔ)，使結(jié)構(gòu)因開裂而降低的使用功能和耐久性得以恢復(fù)的一種專門技術(shù)。

1．3．4 混凝土表面處理技術(shù)系指采用化學(xué)方法、機(jī)械方法、噴砂方法、真空吸塵方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油跡、殘?jiān)约捌渌街锏膶ｉT技術(shù)。

1．3．5 混凝土表層密封技術(shù)系指采用柔性密封劑充填、聚合物灌漿、涂膜等方法對(duì)混凝土進(jìn)行防水、防潮和防裂處理的技術(shù)。還有其它技術(shù)如結(jié)構(gòu)、構(gòu)件移位技術(shù)、調(diào)整結(jié)構(gòu)自振頻率技術(shù)等。

2 碳纖維加固技術(shù)在現(xiàn)代加固技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)

碳纖維布加固技術(shù)是利用碳素纖維布和專用結(jié)構(gòu)膠對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行加固處理，該技術(shù)采用的碳素纖維布強(qiáng)度是普通二級(jí)鋼的10倍左右。具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。厚度僅為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件截面，能保證碳素纖維布與原構(gòu)件共同工作。

碳纖維根據(jù)原料及生產(chǎn)方式的不同，主要分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維及瀝青基碳纖維。碳纖維產(chǎn)品包括PAN基碳纖維（高強(qiáng)度型）及瀝青基碳纖維（高彈性型）。僅僅依靠碳纖維片本身并不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的力學(xué)特性及優(yōu)越的耐久性能，只有通過環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作，才能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。因此，環(huán)氧樹脂的性能是重要的關(guān)鍵之一。環(huán)氧樹脂因類型不同而有不同的性能，適應(yīng)于各個(gè)部位的不同要求。例如底涂樹脂對(duì)混凝土具有良好的滲透作用，能滲入到混凝土內(nèi)一定深度；粘貼碳纖維片的環(huán)氧樹脂易于"透"過碳纖維片，有很強(qiáng)的粘結(jié)力。依使用溫度的不同，樹脂還分為夏用及冬用類樹脂。

2．1 物理性能

碳纖維片工法中使用了底涂、膩?zhàn)印⒔B粘著樹脂等三種環(huán)氧樹脂。上述三種環(huán)氧樹脂的使用目的各不相同，其物性標(biāo)準(zhǔn)也不相同。

2.1.1 底涂：粘著強(qiáng)度

底涂必須確實(shí)具有把作用在混凝土表面上的荷載傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此粘著強(qiáng)度成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。

2.1.2 膩?zhàn)樱簤嚎s強(qiáng)度·壓縮彈性率

膩?zhàn)佑糜谔畛浠炷辽系奈⑿∪睋p部分。因此，要求必須具有與混凝土同等以上的壓縮強(qiáng)度。此外，還要求具有較高的壓縮彈性模量。根據(jù)以上理由，制定膩?zhàn)拥奈镄詷?biāo)準(zhǔn)時(shí)主要根據(jù)其壓縮強(qiáng)度及壓縮彈性模量。剪切強(qiáng)度·粘著強(qiáng)度

膩?zhàn)优c底涂一樣必須具有把因荷載作用等在混凝土表面上發(fā)生的應(yīng)變確實(shí)傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此剪切強(qiáng)度及粘著強(qiáng)度便成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。

2.1.3 粘著樹脂：

A張拉強(qiáng)度·彎曲強(qiáng)度

碳纖維片工法系通過向碳纖維片內(nèi)滲透浸滲粘著樹脂、通過固化形成CFRP。重要的是固化后的CFRP的物性，而浸滲粘著樹脂本身的物性并非重要。但要想獲得良好的CFRP物性，浸滲粘著樹脂本身的物性確實(shí)也有影響。因此制定了最小限度的張拉強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的物性標(biāo)準(zhǔn)。

B剪切強(qiáng)度·粘著強(qiáng)度

浸滲粘著樹脂除滲透到碳纖維片內(nèi)、通過固化形成CFRP之外，還具有粘著劑的功能。與膩?zhàn)印⒌淄客瑯樱仨毦哂邪岩蜉d荷作用等在混凝土表面上發(fā)生的應(yīng)變確實(shí)傳遞到碳纖維片上的力學(xué)性能。因此剪切強(qiáng)度及粘著強(qiáng)度便成為制定其物性標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。

相比之下，國(guó)產(chǎn)的樹脂材料目前缺乏配套產(chǎn)品，用途單一，且尚未制定出嚴(yán)格的物性標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 碳纖維材料與其他加固材料對(duì)比

抗拉強(qiáng)度：碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍；彈性模量：碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一； 疲勞強(qiáng)度：碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強(qiáng)度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆；重量：約為鋼材的五分之一；與碳纖維板的比較：碳纖維片材可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板材更適用于規(guī)則構(gòu)件表面。此外，由于粘貼板材時(shí)底層樹脂的用量比片材多、厚度大，與混凝土界面的粘接強(qiáng)度不如片材。

2.3 材料性能碳纖維片是以碳纖維為組分，以樹脂為基體，通過一定的成型方法形成的單向排列的碳纖維的復(fù)合片材。它具有極其優(yōu)越的品質(zhì)：材料質(zhì)輕高強(qiáng)，碳纖維片的抗拉強(qiáng)度比同截面鋼材高7~10倍，用環(huán)氧樹脂將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體，能可靠地與鋼筋混凝土共同工作，獲得優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果，而結(jié)構(gòu)物自重的增加幾乎可以忽略；其抗疲勞強(qiáng)度高，耐久性能好，耐磨損、抗老化等。