碳纖維加固技術在建筑工程中的應用研究

摘要：建筑工程進行的各個階段都會出現各種各樣的影響因素，由此實際中往往需要采取相應的措施來對結構物進行修補、加固。實際施工證明，選用碳纖維材料來加固混凝土結構是比較切實可行的，它運用了比較先進的技術，是一種比較新興的建筑結構加固措施。

關鍵詞：碳纖維 加固技術 工程建筑

1 碳纖維加固結構構件技術原理

碳纖維材料加固混凝土構件技術，顧名思義就是運用纖維增強復合材料片材粘貼在混凝土結構的外面，與此同時還要將兩者相互結合起來共同受力，這樣使得材料之間得到更強的加固。碳纖維材料擁有的強度、彈性、抗腐蝕性等的優勢使得它能夠承受住比一般的鋼筋大10倍的應力，而它的彈性模量比一般鋼筋還高。碳纖維材料由于其抗拉強度是普通鋼的10倍而彈性模量是普通鋼的1-2倍，再加上能夠長時間維持良好的施工性能，而成為加固修復材料的首先替代品。配套樹脂通常是由底層樹脂、找平樹脂和粘結樹脂三種組成。底層樹脂和找平樹脂有增強碳纖維的粘結質量的功能，而粘結樹脂的主要功能就是讓碳纖維和混凝土可以結合在一起，組成一個個體，一起完成工作，以增加構筑物的三抗能力（抗彎、抗剪、抗承載力），最終實現結構構件的穩固。因此碳纖維材料與配套樹脂在混凝土加固技術中是兩種最常用的材料。

2 碳纖維材料的基本特性

要實現碳纖維增強復合材料補強加固可以選取碳纖維片材，這樣的材料主要是使用強度比較好、彈性比較高的連續碳纖維材料，這種碳纖維材料呈單向排列成束，再使用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板進行補強。

2.1 碳纖維片材。片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能各不一樣，碳纖維片材依力學性能主要是由高模量、高強度和中等模量來組成的。高模量碳纖維片材的特點就是，雖然它的伸長率過低，但是彈性模量很好較高。

相比較而言，碳纖維片材的單位重不能和鋼材相媲美，也就是說碳纖維片材很輕薄由于。碳纖維的化學結構穩定，所以說該纖維能夠使用在任何酸堿鹽及所有的化學介質環境下，不怕被腐蝕，而且它還能夠抵抗住低溫或者高溫而不會出現熱脹冷縮的情況。

2.2 配套樹脂類粘結材料。加固混凝土結構修補技術中使用到的材料有：底層涂料、油灰、浸漬樹脂或粘結樹脂。這些材料的功能是各不相同的：底層涂料主要是用在混凝土表面，是促進粘結并最終長時間的維持界面穩定性的關鍵因素；油灰主要被用來填滿表面的各個部位，將整個表面填充整個表面空隙，使得表面更加的平整，這樣的表面才能更好發揮碳纖維片材的作用；浸漬樹脂的作用是用來粘貼碳纖維布；粘結樹脂的作用則是粘貼碳纖維板。

后兩者主要是將碳纖維片粘貼在混凝土構件的各個部位，使得零散的部件結合成比較完整的一體，這是配套樹脂類粘結材料形成整體共同工作的關鍵。

環氧樹脂對于就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術來說，起著比較關鍵的作用，處于各種各樣的環境之下，隨著溫度的變化其固化性能也受到影響，所以說，粘貼工作質量的好壞和最大限度的縮短常規交通中斷時間的多少有著比較密切關聯。選取專門的環氧樹脂材料，如果混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。

3 采用碳纖維布加固具有的優點

碳纖維布應其耐腐蝕、柔軟性、耐久性等優點，廣泛應用于建筑物的加固。碳纖維布可以抵抗酸、堿、鹽對結構的腐蝕，具有良好的耐腐蝕性。加上碳纖維材料本身的柔韌性使之可以適用于各種形狀和類型的結構，且不用改變結構形狀，即使被加固結構不平整碳纖維材料也可以完全覆蓋粘貼（一般鋼板的驗收標準只要70％），保證有效的粘貼率，因此具有廣泛的適用性，適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。除上述優點外碳纖維材料質輕且薄，用于加固修補基本不增加原構件的質量和大小。

4 碳纖維材料在結構加固方面的運用

4.1 碳纖維材料加固適用范圍。適用于各種形狀、任何部位的結構、磚砌體的加固修補。

4.2 碳纖維片材加固修復混凝土結構規范。采用碳纖維片材加固混凝土時，將構件與碳纖維片材無縫粘貼，這是碳纖維片材與混凝土融合整一個整體，共同承受應力。

4.3 碳纖維片材可采用下列方式對混凝土結構構件進行加固。當采用碳纖維片材對梁、板構件的受拉區進行受彎加固時，纖維方向應與加固處的受拉方向一致；當對梁、柱構件進行受剪加固時，可采用封閉式U形粘貼或側面粘貼，這時纖維方向宜與構件軸向垂直；對建筑物柱體的的抗震加固可采用全封閉式粘貼，此時纖維方向宜與柱軸向垂直；當有充足證據時，碳纖維片材也可根據受力狀況對混凝土結構進行加固；當碳纖維片材對混凝土結構進行粘貼加固時，應根據國家標準，運用以概率論為理論基礎的極限狀態設計法，分別計算出混凝土結構的極限承載能力和正常承載能力。同時一方面鋼筋混凝土結構應根據國家標準，確定其相應材料的設計指標，然后再通過檢測其實際強度能否達到相關要求；一方面碳纖維片材應根據彈性應力應變關系曲線在構件達到極限狀態時確定其承受的相應應力；一般來說碳纖維片材的極限抗拉強度不應低于生產廠商95%的保證率作為抗拉強度的標志值。

用碳纖維片材對構件進行加固時，應充分考慮加固后材料對構件及其性能可能產生的影響；如在用碳纖維材料加固前，應盡量卸掉活荷載，以減少對其他構件的影響。若不能完全卸載，應充分考慮活荷載承受的應力；另外對構件進行受彎、受剪加固時，被加固構件的混凝土強度不應低于Cl5。而采用全封閉式粘貼加固混凝土柱時，其混凝土強度等級不應低于C10。

5 碳纖維材料的加固施工工藝流程

施工工藝流程：卸荷→基底處理→涂底膠→找平→粘貼→保護。

5.1 卸荷。所謂卸荷就是卸掉與加固無管的構件，以保證其他構件盡可能不受影響。

5.2 基底處理。①混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除，對較大面積的劣質層在鑿除后還應用環氧砂漿進行修復。②對裂縫部位進行全封閉處理。③用混凝土角磨機、砂紙除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基本面要平整對表面凸起的部位要磨平，轉角處要進行倒角處理打磨成圓弧狀（R≥20mm）。④混凝土表面應干凈干燥，對不滿足要求的部位可用吹風機吹掃。

5.3 涂底膠（FP膠）。①將主劑與固化劑先后置于容器中，按主劑∶固化劑=2∶1的比例，用彈簧秤精確計量，電動攪拌器均勻攪拌，根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。一般情況下1h內用完。②用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

5.4 找平。①找平實際就是減小高度差，對混凝土表面凹陷部位和模板接頭等部位用FE膠填平。②轉角處用FE膠修補成光滑的圓弧，（R≥20mm）。

5.5 ①按設計要求的尺寸及層數裁剪碳纖維布。②調配、攪拌FR膠，然后均勻涂抹于待粘貼的部位。③粘貼碳纖維布，不應留有氣泡，可以用特制滾子反復沿纖維方向滾壓，并使FR膠充分浸透碳纖維布待碳纖維布表面指觸干燥，方可進行下一層粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹FR膠。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm，碳纖維端部采用橫向碳纖維或粘鋼（壓條）固定。

5.6 保護。加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

6 結語

隨著碳纖維加工技術的普及，碳纖維在工程的應用前景廣闊。目前我國各種應用占碳纖維率需求不斷上升，在不遠的未來必將迎來碳纖維材料廣泛應用的時代。而碳纖維在工程中的應用也將進一步替代鋼鐵，造福人類。

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