碳纖維加固技術在某水運工程業務大樓加固工程的應用

阮繼紅　阮錦歆

摘要：在公用和民用及水運工程建設中，由于鋼筋混凝土結構在長期疲勞使用，加之使用載荷提高、環境化學因素引起的性能劣化等原因影響，一些鋼筋混凝土構件需要加固的情況日漸增多，現已成為建筑結構安全評估和安全保障的重要環節。在各種加固方法中，用碳纖維布加固鋼筋混凝土構件的方法，現已在我國得到迅速的發展和普及。由于碳纖維布加固具有很好的比強度、比剛度、耐腐蝕、耐久性強、非磁性、重量輕、耐磨損、抗老化、施工方便和施工工期短等優點，所以現廣泛應用于各類工程和民用建筑及橋梁、碼頭和混泥土堤壩中，取得很多實際應用成果。

關鍵詞：碳纖維；結構加固；水運工程；強度；耐腐蝕

中圖分類號：U698 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）05-0068-02

1.引言

碳纖維是一種由有機母體纖維，采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等一系列優異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。拉力高達300KG/MM2；目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優異寶貴的電學、熱學和力學性能。碳纖維材料在建筑物和構筑物加固中得到廣泛的應用。

以碳纖維材料為主要原料的碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術。始于20世紀80年代美、日等發達國家，我國起步較晚，但是發展較快，建筑領域從80年代后半期開始把它作為鋼筋、預應力混凝土鋼材的替代材料加以研究，并作為預應力混凝土橋梁的張拉材料等結構物的加固材料等加以利用，已經產生較大的實用效果和經濟效益。

2.碳纖維材料結構加固適用范圍

碳纖維材料適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、橋墩、橋梁、堤壩等結構及構筑物。具體說來可以利用碳纖維加固碼頭、橋敦結構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、梁柱構件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開裂加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水壩加固等等。

3.碳纖維材料結構加固施工過程中的技術特點

碳纖維比重小，施工便捷，加固以后不影響外觀和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原結構自重及截面尺寸的狀況下，發揮強大的補強加固效果。補強功能全面，耐久ll生能好，還有優良的抗紫外線及抗環境老化性能。

4.碳纖維材料與其他加固材料對比

抗拉強度：抗拉強度標準值fcfk≥3000MPa，碳纖維的抗拉強度約為普通二級鋼的10倍左右。

彈性模量：彈性模量Ecf≥2.1×105MPa，伸長率≥1.5%。碳纖維復合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。

疲勞強度：碳纖維復合材料的疲勞強度高于高強綱絲。金屬材料在交變應力作用下，疲勞極限僅為靜荷強度的30%～40%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內力再分配的可能性，復合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的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，厚度僅為2mm左右，基本上不增加構件。

5.碳纖維加固技術在某水運工程業務大樓加固工程實際應用

某水運工程業務大樓大樓主體17層，塔樓4層，地下1層。建筑面積15429m2，一、二層層高為4.8米，其它樓層層高均為3.6米，17層屋頂女兒墻高度為66米，塔樓屋頂女兒墻高度為80.8米。建筑結構形式為框架-剪力墻結構，基礎采用樁一箱聯合基礎，梁、柱、剪力墻均為現澆，樓（屋）面為預應力圓孔板，樓梯為預制樓梯。該建筑始建于80年代初，當時的設計規范已經不能滿足現行設計規范需要，所以本次改造時設計院對原結構進行了加固處理。其方法有結構梁柱包鋼、粘鋼和粘貼碳纖維以及局部立柱增大截面積等加固措施。

5.1碳纖維布粘貼樓板

該建筑物樓板是預應力空心板，由于該樓曾經反復裝修，樓板出現鉆孔較多，為了提高樓板承載力，對部分樓板底面進行粘貼碳纖維布加固處理。

5.1.1卸載

進行加固前，卸去樓板上的全部荷載。

5.1.2基層處理

（1）將所需要加固的樓板底面面層除去并打磨到露出粗骨料出現為止，然后除去凈粉塵，并使其干燥。

（2）對底板凹坑部位需要使用環氧樹脂砂漿進行補平，使凹坑面形成平順段，以利于粘貼。

5.1.3涂刷底膠

按底膠比例將主劑和固化劑先后放入干凈容器內，攪拌均勻，時間以10～15min為宜。

5.1.4粘貼碳纖維布

（1）采用300g/m3碳纖維布，下料按施工設計約定的寬度確定，搭接其順向搭接長度應補少于15cm。并應采取橫向碳纖維粘貼固定，其固定寬度不少于10cm。

（2）用丙酮涂刷做界面劑，施工面用滾筒涂刷膠體。

（3）將碳纖維片材貼在膠體上，用滾筒來回碾壓以充分粘貼和除去氣泡。

（4）在第一層粘貼層已經固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面劑粘貼第二層。

5.1.5表面防護

在最后一層碳纖維表面均勻涂刷一層防護面膠并粘砂保護。

5.2碳纖維布加固框架柱

該建筑物立柱軸壓比的不同等技術參數分別采用不同加固方法，除了包鋼外，對于部分軸壓比過大，抗剪承載力較小的柱子，采用粘貼碳纖維來提高柱子的延性。加固形式是環向箍帶粘貼碳纖維來補強柱子的抗延展性，具體步驟如下：

5.2.1基層處理

（1）將框架柱表面裝飾層除去并打磨到露出粗骨料出現為止，然后除去凈粉塵，并使其干燥。

（2）將柱角磨成2.5cm以上圓角，避免因補強后造成應力集中降低補強效果；并對凹坑部位需要使用環氧樹脂砂漿進行補平，使凹坑面形成平順段，以利于粘貼。

5.2.2涂刷底膠

按底膠比例將主劑和固化劑先后放入干凈容器內，攪拌均勻，時間以10～15min為宜。

5.2.3粘貼碳纖維片材

（1）涂刷丙酮界面劑，再外貼300g/m2碳纖維片材，寬度和間距按設計規定，圍著立柱橫向粘貼。

（2）施工面用滾筒涂刷膠體。

（3）將碳纖維片材貼在膠體上，用滾筒來回碾壓以充分粘貼和除去氣泡。

（4）在第一層粘貼層已經固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面劑粘貼第二層。

5.2.4表面防護

在最后一層碳纖維表面均勻涂刷一層防護面膠并粘砂保護。

6.結論

碳纖維在土木建筑領域的應用還是一個全新的技術。過去因碳纖維的價格高、產量少，因此有所局限，但近年來隨產量的增加而使成本下降，碳纖維的應用也越來越多。與傳統方式相比，在土木建筑領域中應用碳纖維，雖然纖維強化材料的價格較高，但綜合考慮材料成本、施工成本、使用成本，就比較相近了；從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應用的時代。

碳纖維加固技術是一種新型的加固技術，相比其他傳統的加固技術具有作業方便、加固質量高等特點。該業務大樓成功的加固經驗再次證明了該技術的實用性和便捷，同時也給水運行業的服務和發展間接帶來巨大的社會經濟效益。